Summary

Monitoring van dynamische groei van retinale vaten in zuurstof-geïnduceerde retinopathie muismodel

Published: April 02, 2021
doi:

Summary

Dit protocol beschrijft een gedetailleerde methode voor de bereiding en immunofluorescentiekleuring van retinale flat mounts en analyse van muizen. Het gebruik van fluoresceïne fundusangiografie (FFA) voor muizenpups en beeldverwerking worden ook in detail beschreven.

Abstract

Zuurstof-geïnduceerde retinopathie (OIR) wordt veel gebruikt om abnormale vaatgroei bij ischemische retinale ziekten te bestuderen, waaronder retinopathie van prematuriteit (ROP), proliferatieve diabetische retinopathie (PDR) en retinale ader occlusie (RVO). De meeste OIR-studies observeren retinale neovascularisatie op specifieke tijdstippen; de dynamische vaatgroei in levende muizen langs een tijdsverloop, die essentieel is voor het begrijpen van de OIR-gerelateerde vaatziekten, is echter onderbelicht. Hier beschrijven we een stapsgewijs protocol voor de inductie van het OIR-muismodel, waarbij we de potentiële valkuilen benadrukken en een verbeterde methode bieden om snel gebieden van vaso-obliteratie (VO) en neovascularisatie (NV) te kwantificeren met behulp van immunofluorescentiekleuring. Wat nog belangrijker is, we hebben de hergroei van bloedvaten in levende muizen van P15 tot P25 gevolgd door fluoresceïne fundusangiografie (FFA) uit te voeren in het OIR-muismodel. De toepassing van FFA op het OIR-muismodel stelt ons in staat om het verbouwingsproces tijdens de hergroei van het vat te observeren.

Introduction

Retinale neovascularisatie (RNV), die wordt gedefinieerd als een toestand waarin nieuwe pathologische vaten afkomstig zijn van bestaande retinale aderen, strekt zich meestal uit langs het binnenoppervlak van het netvlies en groeit onder sommige omstandigheden uit tot de glasvochtige (of subretinale ruimte)1. Het is een kenmerk en gemeenschappelijk kenmerk van veel ischemische retinopathieën, waaronder retinopathie van prematuriteit (ROP), retinale ader occlusie (RVO) en proliferatieve diabetische retinopathie (PDR)2.

Talrijke klinische en experimentele waarnemingen hebben aangetoond dat ischemie de belangrijkste oorzaak is van retinale neovascularisatie 3,4. Bij ROP worden pasgeborenen blootgesteld aan zuurstof op hoog niveau in gesloten couveuses om de overlevingskansen te verhogen, wat ook een belangrijke drijfveer is voor het stoppen van vasculaire groei. Nadat de behandeling is voltooid, ervaren de netvliezen van pasgeborenen een relatief hypoxische periode5. Andere situaties worden gezien in de occlusie van centrale of branch retinale aderen in RVO en schade aan retinale haarvaten wordt ook waargenomen die wordt veroorzaakt door microangiopathie in PDR2. Hypoxie verhoogt verder de expressie van angiogene factoren zoals vasculaire endotheliale groeifactor (VEGF) via de hypoxie-geïnduceerde factor-1α (HIF-1α) signaalroute die op zijn beurt vasculaire endotheelcellen begeleiden om in het hypoxische gebied te groeien en nieuwe bloedvaten te vormen 6,7.

ROP is een soort vasculaire proliferatieve retinopathie bij te vroeg geboren baby’s en een belangrijke oorzaak van kinderblindheid 8,9, die wordt gekenmerkt door retinale hypoxie, retinale neovascularisatie en fibreuze hyperplasie 10,11,12. In de jaren 1950 ontdekten onderzoekers dat een hoge concentratie zuurstof de ademhalingssymptomen van premature baby’s aanzienlijk kan verbeteren13,14. Als gevolg hiervan werd zuurstoftherapie in toenemende mate gebruikt bij premature baby’s op dat moment15. Gelijktijdig met het wijdverbreide gebruik van zuurstoftherapie bij te vroeg geboren baby’s, nam de incidentie van ROP echter jaar na jaar toe. Sindsdien hebben onderzoekers zuurstof gekoppeld aan ROP en verschillende diermodellen onderzocht om de pathogenese van ROP en RNV16 te begrijpen.

Bij de mens wordt de meeste retinale vasculatuurontwikkeling voltooid vóór de geboorte, terwijl bij knaagdieren de retinale vasculatuur zich na de geboorte ontwikkelt, wat een toegankelijk modelsysteem biedt om angiogenese in de retinale vasculatuur te bestuderen2. Met de voortdurende voortgang van het onderzoek zijn zuurstof-geïnduceerde retinopathie (OIR) modellen belangrijke modellen geworden voor het nabootsen van pathologische angiogenese als gevolg van ischemie. Er zijn geen specifieke diersoorten in de studie van het OIR-model en het model is ontwikkeld bij verschillende diersoorten, waaronder kitten17, rat18, muis19, beagle puppy20 en zebravis21. Alle modellen delen hetzelfde mechanisme waarmee ze worden blootgesteld aan hyperoxie tijdens de vroege retinale ontwikkeling en vervolgens terugkeren naar de normoxische omgeving. Smith et al. merkten op dat het blootstellen van muispups aan hyperoxie van P7 gedurende 5 dagen een extreme vorm van vaatregressie in het centrale netvlies veroorzaakte en ze terugbracht naar de kamerlucht op P12, geleidelijk neovasculaire plukjes veroorzaakte, die naar het glasachtig lichaam groeiden19. Dit was een gestandaardiseerd OIR-muismodel dat ook wel Smith-model wordt genoemd. Connor et al. hebben het protocol verder geoptimaliseerd en een universeel toepasbare methode geleverd om het gebied van VO (vaso-obliteratie) en NV (neovascularisatie) in 2009 te kwantificeren, waardoor de acceptatie en het gebruik van het model22 is toegenomen. Het OIR-muismodel is nu nog steeds het meest gebruikte model vanwege zijn kleine formaat, snelle reproductie, duidelijke genetische achtergrond, goede herhaalbaarheid en hoge slagingspercentage.

Bij muizen begint retinale vascularisatie na de geboorte met de ingroei van bloedvaten van de oogzenuwkop in het binnenste netvlies naar de ora serrata. Tijdens de normale retinale ontwikkeling ontspruiten de eerste retinale vaten rond de geboorte uit de oogzenuwkop en vormen ze een uitdijend netwerk (de primaire plexus) dat de periferie bereikt rond postnatale dag 7 (P7) 23. Dan beginnen de vaten in het netvlies te groeien om een diepe laag te vormen, het netvlies binnen te dringen en een laminair netwerk rond de binnenste nucleaire laag (INL) te vormen zoals bij de mens24. Tegen het einde van de derde postnatale week (P21) is de diepere plexusontwikkeling bijna voltooid. Voor het OIR-muismodel verschijnt vasculaire occlusie altijd in het centrale netvlies vanwege de snelle degeneratie van een groot aantal onrijpe vasculaire netwerken in het centrale gebied tijdens blootstelling aan hyperoxia. De groei van pathologische neovascularisatie vindt dus ook plaats in het midden-perifere netvlies, wat de grens is van het niet-perfusiegebied en het vasculaire gebied. Menselijke retinale vaten hebben zich echter bijna voor de geboorte gevormd. Wat premature baby’s betreft, is het perifere netvlies niet volledig gevasculariseerd bij blootstelling aan hyperoxie25,26. Vasculaire occlusie en neovascularisatie komen dus vooral voor in het perifere netvlies27,28. Ondanks deze verschillen recapituleert het muis OIR-model nauw de pathologische gebeurtenissen die optreden tijdens door ischemie geïnduceerde neovascularisatie.

De inductie van het OIR-model kan worden onderverdeeld in twee fasen29: in fase 1 (hyperoxiefase) wordt de retinale vasculaire ontwikkeling gestopt of vertraagd met occlusie en regressie van bloedvaten als gevolg van de afname van VEGF en de apoptose van endotheelcellen24,30; in fase 2 (hypoxiefase) zal de retinale zuurstoftoevoer onvoldoende worden onder kamerluchtomstandigheden29, wat essentieel is voor neurale ontwikkeling en homeostase 19,31. Deze ischemische situatie resulteert meestal in ongereguleerde, abnormale neovascularisatie.

Momenteel is de veelgebruikte modelleringsmethode afwisselend hoge / lage zuurstofblootstelling: moeders en hun pups worden gedurende 5 dagen blootgesteld aan 75% zuurstof op P7 gevolgd door 5 dagen in kamerlucht totdat P17 vergelijkbare resultaten liet zien22, wat het eindpunt is van OIR-muismodelinductie. (Figuur 1). Naast het simuleren van ROP, kan deze ischemie-gemedieerde pathologische neovascularisatie ook worden gebruikt om andere ischemische retinale ziekten te bestuderen. De belangrijkste metingen van dit model omvatten het kwantificeren van het gebied van VO en NV, die worden geanalyseerd van retinale platte mounts door immunofluorescentiekleuring of FITC-dextran-perfusie. Elke muis kan slechts één keer worden bestudeerd vanwege de dodelijke operatie. Op dit moment zijn er weinig methoden om dynamische veranderingen van retinale vasculatuur continu te observeren tijdens het proces van vasculaire regressie en pathologische angiogenese32. In dit artikel geven we een gedetailleerd protocol van OIR-modelinductie, analyse van retinale flat mounts en een workflow van fluoresceïne fundusangiografie (FFA) op muizen, wat nuttig zou zijn om een uitgebreider begrip te krijgen van vasculaire dynamische veranderingen tijdens twee fasen van het OIR-muismodel.

Protocol

Alle procedures met betrekking tot het gebruik van muizen zijn goedgekeurd door de dierexperimentele ethische commissie van Zhongshan Ophthalmic Center, Sun Yat-sen University, China (geautoriseerd nummer: 2020-082), en in overeenstemming met de goedgekeurde richtlijnen van animal care and use committee van Zhongshan Ophthalmic Center en de Association Research in Vision and Ophthalmology (ARVO) Statement for the Use of Animals in Ophthalmic and Vision Research. 1. Inductie van muis OIR-model</p…

Representative Results

In het OIR-muismodel is het belangrijkste en belangrijkste resultaat de kwantificering van het VO- en NV-gebied. Na 5 dagen vanaf P7 in de hyperoxie-omgeving te hebben geleefd, vertoonde het centrale netvlies van de pups het grootste niet-perfusiegebied. Onder de stimulatie van hypoxie in nog eens 5 dagen werd geleidelijk retinale neovascularisatie geproduceerd die intenser fluoresceerde dan omliggende normale bloedvaten. Na P17 nam het fluorescentiesignaal van pathologische neovascularisatie snel af als de remodellering…

Discussion

De gevoeligheid van muizen voor OIR wordt beïnvloed door vele factoren. De pups met verschillende genetische achtergronden en stammen kunnen niet worden vergeleken. Bij BALB/c albino muizen groeien bloedvaten snel terug in het VO-gebied met significante verminderde neovasculaire plukjes38, wat het onderzoek enigszins bemoeilijkt. Bij C57BL/6-muizen is er sprake van verhoogde fotoreceptorschade in vergelijking met BALB/cJ-muizenstam39,40. …

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

We bedanken alle leden van ons laboratorium en het oogheelkundig dierenlaboratorium van Zhongshan Ophthalmic Center voor hun technische assistentie. We bedanken ook Prof. Chunqiao Liu voor experimentele ondersteuning. Dit werk werd ondersteund door subsidies van de National Natural Science Foundation of China (NSFC: 81670872; Beijing, China), de Natural Science Foundation van de provincie Guangdong, China (Grant No.2019A1515011347), en high-level ziekenhuisbouwproject van state key laboratory of ophthalmology in Zhongshan Ophthalmic Center (Grant No. 303020103; Guangzhou, provincie Guangdong, China).

Materials

1 mL sterile syringe Solarbio YA0550 For preparation of retinal flat mounts and intraperitoneal injection
1× Phosphate buffered saline (PBS) Transgen Biotech  FG701-01 For preparation of retinal flat mounts
2 ml Microcentrifuge Tube Corning MCT-200-C For preparation of retinal flat mounts
48 Well Clear TC-Treated Multiple Well Plates Corning 3548 For preparation of retinal flat mounts
Adhesive microscope slides Various For preparation of retinal flat mounts
Adobe Photoshop CC 2019 Adobe Inc. For image analysis
Carbon dioxide gas Various For sacrifice
Cover slide Various For preparation of retinal flat mounts
Curved forceps World Precision Instruments 14127 For preparation of retinal flat mounts
DAPI staining solution Abcam ab228549 For labeling nucleus on retinal flat mounts
Dissecting microscope Olmpus SZ61 For preparation of retinal flat mounts
Fluorescein sodium Sigma-Aldrich F6377 For in vivo imaging
Fluorescent Microscope  Zeiss AxioImager.Z2 For acquisition of fluorescence images of retinal flat mounts
Fluoromount-G Mounting media SouthernBiotech  0100-01 For preparation of retinal flat mounts
Hydroxypropyl Methylcellulose Maya 89161 For in vivo imaging
Isolectin B4 594 antibody Invitrogen I21413 For labeling retinal vasculature on retinal flat mounts
Mice C57/BL6J GemPharmatech of Jiangsu Province For OIR model induction
Micro dissecting scissors-straight blade World Precision Instruments 503242 For preparation of retinal flat mounts
No.4 straight forceps World Precision Instruments  501978-6 For preparation of retinal flat mounts
Normal donkey serum Abcam ab7475 For preparation of retinal flat mounts
O2 sensor Various For monitoring the level of O2
OxyCycler Biospherix A84XOV For OIR model induction
Paraformaldehyde (PFA) Sigma P6148-1KG For tissue fixation
Pentobarbital sodium Various For anesthesia
Soda lime Various For absorbing excess CO2 in the oxygen chamber
SPECTRALIS HRA+OCT Heidelberg HC00500002 For in vivo imaging
SPSS Statistics 22.0 IBM For statistical analysis
Tansference decloring shaker Kylin-Bell ZD-2008 For preparation of retinal flat mounts
Tissue culture dish (Low attachment) Corning 3261-20EA For preparation of retinal flat mounts
Transfer pipettes Various For preparation of retinal flat mounts
Triton X-100 Sigma-Aldrich  SLBW6818 For preparation of retinal flat mounts
Tropicamide Various For in vivo imaging
ZEN Imaging Software ZEISS For image acquisition and export

References

  1. Vavvas, D. G., Miller, J. W. Chapter 26 – Basic Mechanisms of Pathological Retinal and Choroidal Angiogenesis. Retina (Fifth Edition). 1, 562-578 (2013).
  2. Selvam, S., Kumar, T., Fruttiger, M. Retinal vasculature development in health and disease. Progress in Retinal and Eye Research. 63, 1-19 (2018).
  3. Shimizu, K., Kobayashi, Y., Muraoka, K. Midperipheral fundus involvement in diabetic retinopathy. Ophthalmology. 88 (7), 601-612 (1981).
  4. Ashton, N. Retinal vascularization in health and disease: Proctor Award Lecture of the Association for Research in Ophthalmology. American Journal of Ophthalmology. 44 (4), 7-17 (1957).
  5. Hellström, A., Smith, L. E., Dammann, O. Retinopathy of prematurity. Lancet. 382 (9902), 1445-1457 (2013).
  6. Xu, Y., et al. Melatonin attenuated retinal neovascularization and neuroglial dysfunction by inhibition of HIF-1α-VEGF pathway in oxygen-induced retinopathy mice. Journal of Pineal Research. 64 (4), 12473 (2018).
  7. Cavallaro, G., et al. The pathophysiology of retinopathy of prematurity: an update of previous and recent knowledge. Acta Ophthalmologica. 92 (1), 2-20 (2014).
  8. Gilbert, C., Rahi, J., Eckstein, M., O’Sullivan, J., Foster, A. Retinopathy of prematurity in middle-income countries. Lancet. 350 (9070), 12-14 (1997).
  9. Chen, J., Smith, L. E. Retinopathy of prematurity. Angiogenesis. 10 (2), 133-140 (2007).
  10. Fielder, A., Blencowe, H., O’Connor, A., Gilbert, C. Impact of retinopathy of prematurity on ocular structures and visual functions. Archives of Disease in Childhood. Fetal and Neonatal Edition. 100 (2), 179-184 (2015).
  11. Moshfeghi, D. M. Presumed transient reactive astrocytic hyperplasia in immature retina. Retina. 26, 69-73 (2006).
  12. Kandasamy, Y., Hartley, L., Rudd, D., Smith, R. The association between systemic vascular endothelial growth factor and retinopathy of prematurity in premature infants: a systematic review. British Journal of Ophthalmology. 101 (1), 21-24 (2017).
  13. Shah, P. K., et al. Retinopathy of prematurity: Past, present and future. World Journal of Clinical Pediatrics. 5 (1), 35-46 (2016).
  14. Kinsey, V. E. Retrolental fibroplasia; cooperative study of retrolental fibroplasia and the use of oxygen. AMA Archives of Ophthalmology. 56 (4), 481-543 (1956).
  15. Tin, W., Gupta, S. Optimum oxygen therapy in preterm babies. Archives of Disease in Childhood. Fetal and Neonatal Edition. 92 (2), 143-147 (2007).
  16. Liu, C. H., Wang, Z., Sun, Y., Chen, J. Animal models of ocular angiogenesis: from development to pathologies. FASEB Journal : Official Publication of the Federation of American Societies for Experimental Biology. 31 (11), 4665-4681 (2017).
  17. Ashton, N., Ward, B., Serpell, G. Effect of oxygen on developing retinal vessels with particular reference to the problem of retrolental fibroplasia. The British Journal of Ophthalmology. 38 (7), 397-432 (1954).
  18. Penn, J. S., Tolman, B. L., Lowery, L. A. Variable oxygen exposure causes preretinal neovascularization in the newborn rat. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 34 (3), 576-585 (1993).
  19. Smith, L. E., et al. Oxygen-induced retinopathy in the mouse. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 35 (1), 101-111 (1994).
  20. McLeod, D. S., Brownstein, R., Lutty, G. A. Vaso-obliteration in the canine model of oxygen-induced retinopathy. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 37 (2), 300-311 (1996).
  21. Cao, R., Jensen, L. D., Söll, I., Hauptmann, G., Cao, Y. Hypoxia-induced retinal angiogenesis in zebrafish as a model to study retinopathy. PLoS One. 3 (7), 2748 (2008).
  22. Connor, K. M., et al. Quantification of oxygen-induced retinopathy in the mouse: a model of vessel loss, vessel regrowth and pathological angiogenesis. Nature Protocols. 4 (11), 1565-1573 (2009).
  23. Fruttiger, M. Development of the mouse retinal vasculature: angiogenesis versus vasculogenesis. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 43 (2), 522-527 (2002).
  24. Stahl, A., et al. The mouse retina as an angiogenesis model. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 51 (6), 2813-2826 (2010).
  25. Rivera, J. C., et al. Ischemic retinopathies: oxidative stress and inflammation. Oxidative Medicine and Cellular Longevity. 2017, 3940241 (2017).
  26. Bashinsky, A. L. Retinopathy of prematurity. North Carolina Medical Journal. 78 (2), 124-128 (2017).
  27. Flynn, J. T., et al. Retinopathy of prematurity. Diagnosis, severity, and natural history. Ophthalmology. 94 (6), 620-629 (1987).
  28. Aguilar, E., et al. Chapter 6. Ocular models of angiogenesis. Methods in Enzymology. 444, 115-158 (2008).
  29. Liegl, R., Priglinger, C., Ohlmann, A. Induction and readout of oxygen-induced retinopathy. Methods in Molecular Biology. 1834, 179-191 (2019).
  30. Lutty, G. A., McLeod, D. S. Retinal vascular development and oxygen-induced retinopathy: a role for adenosine. Progress in Retinal and Eye Research. 22 (1), 95-111 (2003).
  31. Vähätupa, M., et al. Oxygen-induced retinopathy model for ischemic retinal diseases in rodents. Journal of Visualized Experiments: JoVE. (163), (2020).
  32. Kim, C. B., D’Amore, P. A., Connor, K. M. Revisiting the mouse model of oxygen-induced retinopathy. Eye and Brain. 8, 67-79 (2016).
  33. Gammons, M. V., Bates, D. O. Models of oxygen induced retinopathy in rodents. Methods in Molecular Biology. 1430, 317-332 (2016).
  34. Xiao, S., et al. Fully automated, deep learning segmentation of oxygen-induced retinopathy images. Journal of Clinical Investigation Insight. 2 (24), (2017).
  35. McLeod, D. S., D’Anna, S. A., Lutty, G. A. Clinical and histopathologic features of canine oxygen-induced proliferative retinopathy. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 39 (10), 1918-1932 (1998).
  36. Penn, J. S., Johnson, B. D. Fluorescein angiography as a means of assessing retinal vascular pathology in oxygen-exposed newborn rats. Current Eye Research. 12 (6), 561-570 (1993).
  37. Mezu-Ndubuisi, O. J., et al. In vivo retinal vascular oxygen tension imaging and fluorescein angiography in the mouse model of oxygen-induced retinopathy. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 54 (10), 6968-6972 (2013).
  38. Zeilbeck, L. F., Müller, B., Knobloch, V., Tamm, E. R., Ohlmann, A. Differential angiogenic properties of lithium chloride in vitro and in vivo. PLoS One. 9 (4), 95546 (2014).
  39. Walsh, N., Bravo-Nuevo, A., Geller, S., Stone, J. Resistance of photoreceptors in the C57BL/6-c2J, C57BL/6J, and BALB/cJ mouse strains to oxygen stress: evidence of an oxygen phenotype. Current Eye Research. 29 (6), 441-447 (2004).
  40. Zhang, Q., Zhang, Z. M. Oxygen-induced retinopathy in mice with retinal photoreceptor cell degeneration. Life Sciences. 102 (1), 28-35 (2014).
  41. Okamoto, N., et al. Transgenic mice with increased expression of vascular endothelial growth factor in the retina: a new model of intraretinal and subretinal neovascularization. The American Journal of Pathology. 151 (1), 281-291 (1997).
  42. Ohlmann, A., et al. Norrin promotes vascular regrowth after oxygen-induced retinal vessel loss and suppresses retinopathy in mice. The Journal of Neuroscience. 30 (1), 183-193 (2010).
  43. Fang, L., Barber, A. J., Shenberger, J. S. Regulation of fibroblast growth factor 2 expression in oxygen-induced retinopathy. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 56 (1), 207-215 (2014).
  44. Chan, C. K., et al. Differential expression of pro- and antiangiogenic factors in mouse strain-dependent hypoxia-induced retinal neovascularization. Laboratory Investigation. 85 (6), 721-733 (2005).
  45. Stahl, A., et al. Postnatal weight gain modifies severity and functional outcome of oxygen-induced proliferative retinopathy. The American Journal of Pathology. 177 (6), 2715-2723 (2010).
  46. Vanhaesebrouck, S., et al. Association between retinal neovascularization and serial weight measurements in murine and human newborns. European Journal of Ophthalmology. 23 (5), 678-682 (2013).
  47. Gerschman, R., Nadig, P. W., Snell, A. C., Nye, S. W. Effect of high oxygen concentrations on eyes of newborn mice. The American Journal of Physiology. 179 (1), 115-118 (1954).
  48. Lange, C., et al. Kinetics of retinal vaso-obliteration and neovascularisation in the oxygen-induced retinopathy (OIR) mouse model. Graefe’s Archive for Clinical and Experimental Ophthalmology. 247 (9), 1205-1211 (2009).
  49. Huang, S., et al. Comparison of dextran perfusion and GSI-B4 isolectin staining in a mouse model of oxygen-induced retinopathy. Eye Science. 30 (2), 70-74 (2015).
  50. Paques, M., et al. Panretinal, high-resolution color photography of the mouse fundus. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 48 (6), 2769-2774 (2007).
  51. Fletcher, E. L., et al. Animal models of retinal disease. Progress in Molecular Biology and Translational Science. 100, 211-286 (2011).

Play Video

Cite This Article
Ma, Y., Li, T. Monitoring Dynamic Growth of Retinal Vessels in Oxygen-Induced Retinopathy Mouse Model. J. Vis. Exp. (170), e62410, doi:10.3791/62410 (2021).

View Video