Summary

الاستئصال بوساطة النيتروكتاز / ميترونيدازول ومنصة MATLAB (RpEGEN) لدراسة تجديد صبغة شبكية الزرد

Published: March 02, 2022
doi:

Summary

يصف هذا البروتوكول منهجية استئصال ظهارة صبغة الشبكية وراثيا (RPE) باستخدام نموذج الزرد المعدل وراثيا. تكييف البروتوكول لدمج تعديل مسار الإشارات باستخدام المركبات الدوائية مفصل على نطاق واسع. تم تطوير منصة MATLAB لقياس تجديد RPE على أساس التصبغ ويتم تقديمها ومناقشتها.

Abstract

توجد ظهارة صبغة الشبكية (RPE) في الجزء الخلفي من العين وتؤدي وظائف ضرورية للحفاظ على صحة وسلامة أنسجة الشبكية والأوعية الدموية المجاورة. وفي الوقت الحاضر، أعاقت القدرة المحدودة على إصلاح قواعد السلوك في الثدييات، التي تقتصر على الإصابات الصغيرة، التقدم المحرز في فهم العمليات التجديدية للقواعد في الجسم الحي . هنا ، يتم توفير منهجية مفصلة لتسهيل دراسة إصلاح RPE في الجسم الحي باستخدام الزرد ، وهو نموذج فقاري قادر على تجديد الأنسجة القوية. يصف هذا البروتوكول نموذج إصابة بوساطة النيتروجين / ميترونيدازول المعدل وراثيا (NTR / MTZ) (rpe65a: nfsB-eGFP) ، والذي يؤدي إلى استئصال الثلثين المركزيين من RPE بعد 24 ساعة من العلاج باستخدام MTZ ، مع استعادة الأنسجة لاحقا. وينصب التركيز على عمليات استئصال RPE في أسماك الزرد اليرقية وطرق اختبار آثار المركبات الدوائية على تجديد RPE. كما تمت مناقشة إنشاء والتحقق من صحة RpEGEN ، وهو برنامج نصي MATLAB تم إنشاؤه لأتمتة القياس الكمي لتجديد RPE على أساس التصبغ. بالإضافة إلى آليات إصلاح RPE النشطة ، يمكن توسيع هذا البروتوكول ليشمل دراسات انحطاط RPE واستجابات الإصابة بالإضافة إلى آثار تلف RPE على أنسجة الشبكية والأوعية الدموية المجاورة ، من بين العمليات الخلوية والجزيئية الأخرى. يحمل نظام الزرد هذا وعدا كبيرا في تحديد الجينات والشبكات والعمليات التي تدفع تجديد RPE والآليات المتعلقة بأمراض RPE ، مع هدف طويل الأجل يتمثل في تطبيق هذه المعرفة على أنظمة الثدييات ، وفي النهاية ، نحو التطوير العلاجي.

Introduction

تفصل المنهجية الموصوفة هنا بروتوكولا لاستئصال ظهارة صبغة الشبكية (RPE) وراثيا باستخدام الزرد اليرقي. يمتد RPE فوق الجزء الخلفي من العين ويقيم بين الطبقات الطبقية للشبكية العصبية وطبقة الأوعية الدموية التي تشكل المشيمة. الدعم الغذائي ، وامتصاص الضوء السام للضوء ، والحفاظ على بروتينات الدورة البصرية ليست سوى بعض الوظائف الحرجة التي يؤديها RPE والتي تعتبر ضرورية للحفاظ على صحة وسلامة هذه الأنسجة المجاورة1. الأضرار التي لحقت RPE الثدييات قابلة للإصلاح عندما تكون الآفات صغيرة2 ؛ ومع ذلك ، فإن الأضرار التي تعاني منها الإصابات الأكبر أو الأمراض التنكسية التقدمية لا رجعة فيها. في البشر ، تؤدي الأمراض التنكسية RPE (على سبيل المثال ، التنكس البقعي المرتبط بالعمر (AMD) ومرض Stargardt) إلى فقدان البصر الدائم ، ومع قلة خيارات العلاج المتاحة ، انخفاض نوعية حياة المريض. وقد خلقت القدرة المحدودة ل RPE الثدييات على الإصلاح الذاتي فجوة معرفية في مجال العمليات التجديدية RPE. وبالنظر إلى القدرة التجديدية القوية لأسماك الزرد عبر العديد من أنواع الأنسجة المختلفة، تم تطوير هذا البروتوكول لإنشاء نظام فقاريات في الجسم الحي لتسهيل الدراسات حول تجديد RPE بشكل جوهري والكشف عن الآليات التي تدفع هذه الاستجابة. باستخدام نموذج الاستئصال الموضح هنا ، تم تحديد مسار إشارات Wnt الأساسي3 ، ومسار mTOR4 ، والاستجابات المتعلقة بالمناعة5 كوسطاء حاسمين لتجديد RPE ، على الأرجح مع وظائف متداخلة.

في نموذج الاستئصال الجيني هذا، يعبر Tg(rpe65a:nfsB-eGFP)3 الزرد عن الجين6 المشتق من البكتيريا النيتروجيني المختزل (NTR/nfsB) المنصهر في eGFP تحت سيطرة عنصر محسن RPE، rpe65a7. يتم تحقيق الاجتثاث عن طريق إضافة البرودوية ، ميترونيدازول (MTZ) ، إلى نظام الزرد الذي يحتوي على الماء. يؤدي التنشيط داخل الخلايا ل MTZ بواسطة nitroreductase إلى ترابط الحمض النووي وموت الخلايا المبرمج في الخلايا المعبرة عن NTR / nfsB 8,9. وقد استخدمت هذه التكنولوجيا على نطاق واسع في أسماك الزرد للقضاء على خلايا شبكية العين 10،11،12،13 وغيرها من الأنسجة8. معا ، تتيح هذه العناصر التعبير المستهدف (rpe65a) لمنهجية استئصال الخلايا القابلة للحث (NTR / MTZ) 8,9 وعلامة الفلورسنت (eGFP) للتصور.

توجد أيضا نماذج أخرى مثيرة للاهتمام في الجسم الحي يمكن استخدامها لدراسة الإمكانات التجديدية ل RPE14. وهي واسعة النطاق وتشمل تحويل RPE إلى شبكية العين بعد استئصال شبكية العين في البرمائيات ، حيث يتم استبدال خلايا RPE المفقودة بسبب إعادة نمو الشبكية15,16 ؛ استعادة RPE بعد الإصابة في الماوس MRL / MpJ17 “الشفاء الفائق” ؛ والتحفيز الخارجي لانتشار RPE في نموذج الفئران من RPE التلقائي وتنكس الشبكية18 ، من بين أمور أخرى. كما تم تطوير نماذج في المختبر، مثل الخلايا الجذعية البشرية البالغة (RPESCs)19. وهذه النماذج كلها أدوات قيمة تعمل على الكشف عن العمليات الخلوية المتصلة بتجديد قواعد التشغيل والتقييم (مثل الانتشار، والتمايز، وما إلى ذلك)؛ ومع ذلك ، فإن الزرد فريد من نوعه في قدرته على إصلاح RPE الجوهري بعد الاستئصال.

في حين أن المنهجية هنا مكتوبة للتركيز على فهم الآليات التي تقود تجديد RPE ، يمكن استخدام خط Tg (rpe65a: nfsB-eGFP) وبروتوكول الاستئصال الجيني هذا لدراسة العمليات الخلوية الأخرى مثل موت الخلايا المبرمج RPE ، وتنكس RPE ، وتأثير إصابة RPE على أنسجة الشبكية والأوعية الدموية المجاورة. يمكن أيضا تعديل بروتوكول الاستئصال ليشمل التلاعب الدوائي ، وهو استراتيجية أولية مريحة لفحص مسارات الإشارات ذات الاهتمام. على سبيل المثال ، ثبت أن حظر مسار Wnt الأساسي باستخدام مثبط استجابة Wnt Response-1 (IWR-1)20 ، يضعف تجديد RPE3. تم تكرار ذلك هنا لتوجيه المستخدمين من خلال تجربة التلاعب الدوائي ويكون بمثابة إثبات للمفهوم للتحقق من صحة برنامج نصي MATLAB (RpEGEN) تم إنشاؤه لتحديد تجديد RPE بناء على استعادة التصبغ. مثل الخط المعدل وراثيا وبروتوكول الاستئصال ، فإن نصوص RpEGEN قابلة للتكيف ويمكن استخدامها لتحديد العلامات / العمليات الخلوية الأخرى داخل RPE.

Protocol

جميع المنهجيات الموضحة هنا متوافقة مع اللجنة المؤسسية لرعاية الحيوانات واستخدامها (IACUC) بجامعة بيتسبرغ. 1. التحضير قبل جمع جنين الزرد اضبط حاضنة الأجنة على 28.5 درجة مئوية. قم بإعداد محلول مخزون 25x لمثبط تكوين الميلانوجينيا ، N-phenylthiourea (PTU) 21,22</…

Representative Results

من المعروف أن تثبيط مسار إشارات Wnt الأساسي يضعف بشكل كبير تجديد RPE لأسماك الزرد باستخدام نموذج الاستئصال الجيني (rpe65a: nfsB-eGFP) ومنهجية التلاعب الدوائي (IWR-1) الموصوفة في البروتوكول3. تم تكرار هذه التجربة هنا للتحقق من صحة طريقة آلية لقياس كمية تجديد RPE لأسماك الزرد بناء على الت?…

Discussion

يصف هذا البروتوكول منهجية لاستئصال RPE وراثيا ودراسة آليات التنكس والتجديد في أسماك الزرد في عمر اليرقات. كما تم تنفيذ هذا البروتوكول بنجاح في الزرد البالغ3 ولكن مع توصيف أقل شمولا ، وهذا هو السبب في أن اليرقات هي التركيز هنا. تشمل الجوانب الحرجة لهذا الجزء من البروتوكول (الخطو?…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

تم دعم العمل الموصوف هنا من قبل المعاهد الوطنية للصحة (RO1-EY29410 إلى J.M.G ، ومنحة NIH CORE P30-EY08098 إلى قسم طب العيون) ؛ مركز UPMC لزراعة وعلاج المناعة (إلى L.L.L. و J.M.G.) ؛ وكرسي E. Ronald Salvitti في أبحاث طب العيون (إلى J.M.G.). تم تلقي دعم إضافي من زمالة ويغاند في طب العيون (إلى L.L.L) ، ومؤسسة العين والأذن في بيتسبرغ ، ومنحة غير مقيدة من Research to Prevent Blindness ، New York ، NY. يود المؤلفون أيضا أن يشكروا أماندا بلات على المساعدة التقنية والدكتور هيو هامر وموظفي الألعاب المائية على دعمهم الممتاز لرعاية الحيوانات.

Materials

Lab Material/Equipment
2-(4-Amidinophenyl)-6-indolecarbamidine dihydrochloride (DAPI) Millipore Sigma D9542
6-well plates Fisher Scientific 07-200-83
Conical Polypropylene Centrifuge Tubes Fisher Scientific 05-539-13 Catalog number is for 50 mL tubes
Diamond tip scribing pen Fisher Scientific 50-254-51 Manufactured by Electron Microscopy Sciences, items similar to this part number are adequate
Dimethyl sulfoxide (DMSO) ≥99.7 % Fisher Scientific BP231 Check instiutional chemical waste disposal requirements
Embryo incubator (large) Fisher Scientific 3720A
Embryo incubator (mini/tabletop) Labnet I5110A
Fluorescence stereo microscope Zeiss Axio Zoom.V16 Or similar, with 488 nm excitation laser/filter
Glass Pasteur pipette Fisher Scientific 13-678-4 Manufactured by Corning, non-sterile
InSolution Wnt Antagonist I, IWR-1-endo Millipore Sigma 5.04462 Manufactured by Calbiochem; 25 mM in DMSO; check instiutional chemical waste disposal requirements
Methylene blue (powder) Fisher Scientific BP117-100 Also available as a premade aqeuous solution
Metronidazole (MTZ) Millipore Sigma M3761 Check instiutional chemical waste disposal requirements
N-phenylthiourea (PTU) Millipore Sigma P7629 Check instiutional chemical waste disposal requirements
Paraformaldehyde (16 % w/v) methanol free Fisher Scientific AA433689M Chemical waste, proper disposal required
Petri dishes Fisher Scientific FB0875712 10 cm diameter
Phosphate buffered saline (powder packets) Millipore Sigma P3813 Used to make 10 X PBS stock
Pronase Millipore Sigma PRON-RO
Shaking incubator Benchmark H2010 Used for incubating MTZ for 1 hour at 37 degrees Celcius
Stereo microscope Leica S9i Or similar, with transmitted light illumination
Student Dumont #5 forceps Fine Science Tools 91150-20 Fine-tipped forceps for manual dechorionation
Tabletop rotator/shaker Scilogex SK-D1807-E
Transfer pipette Millipore Sigma Z135003 3.2 mL bulb draw, non-sterile
Tricaine methanesulfonate (MS-222) Pentair TRS1, TRS2, TRS5 Also available from Fisher Scientific (NC0342409)
VECTASHIELD Antifade Mounting Medium with DAPI Vector Laboratories H-1200
Software Material
FIJI (Fiji is Just ImageJ) FIJI (Fiji is Just ImageJ) https://imagej.net/software/fiji/ Version: 2.0.0-rc-69/1.52p; Build: 269a0ad53f; Plugin needed: Bio-Formats
GRAMM examples and how-tos MathWorks https://www.mathworks.com/matlabcentral/fileexchange/54465-gramm-complete-data-visualization-toolbox-ggplot2-r-like.
MATLAB MathWorks https://www.mathworks.com/products/get-matlab.html Toolboxes needed to run RpEGEN: Image Processing Toolbox, Curve Fitting Toolbox, Statistics and Machine Learning Toolbox
MATLAB support MathWorks https://www.mathworks.com/support.html

References

  1. Strauss, O. The retinal pigment epithelium in visual function. Physiological Reviews. 85 (3), 845-881 (2005).
  2. Grierson, I., et al. repair and regeneration of the retinal pigment epithelium. Eye. 8 (2), 255-262 (1994).
  3. Hanovice, N. J., et al. Regeneration of the zebrafish retinal pigment epithelium after widespread genetic ablation. PLoS Genetics. 15 (1), 1007939 (2019).
  4. Lu, F., Leach, L. L., Gross, J. M. mTOR activity is essential for retinal pigment epithelium regeneration in zebrafish. bioRxiv. , (2021).
  5. Leach, L. L., Hanovice, N. J., George, S. M., Gabriel, A. E., Gross, J. M. The immune response is a critical regulator of zebrafish retinal pigment epithelium regeneration. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 118 (21), (2021).
  6. Zenno, S., Koike, H., Tanokura, M., Saigo, K. Gene cloning, purification, and characterization of nfsb, a minor oxygen-insensitive nitroreductase from escherichia coli, similar in biochemical properties to frase I, the major flavin reductase in vibrio fischeri. The Journal of Biochemistry. 120 (4), 736-744 (1996).
  7. Hamel, C. P., et al. Molecular cloning and expression of rpe65, a novel retinal pigment epithelium-specific microsomal protein that is post-transcriptionally regulated in vitro. Journal of Biological Chemistry. 268 (21), 15751-15757 (1993).
  8. Curado, S., et al. Conditional targeted cell ablation in zebrafish: A new tool for regeneration studies. Developmental Dynamics. 236 (4), 1025-1035 (2007).
  9. White, D. T., Mumm, J. S. The nitroreductase system of inducible targeted ablation facilitates cell-specific regenerative studies in zebrafish. Methods. 62 (3), 232-240 (2013).
  10. White, D. T., et al. Immunomodulation-accelerated neuronal regeneration following selective rod photoreceptor cell ablation in the zebrafish retina. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 114 (18), 3719-3728 (2017).
  11. Yoshimatsu, T., et al. Presynaptic partner selection during retinal circuit reassembly varies with timing of neuronal regeneration in vivo. Nature Communications. 7, 10590 (2016).
  12. Montgomery, J. E., Parsons, M. J., Hyde, D. R. A novel model of retinal ablation demonstrates that the extent of rod cell death regulates the origin of the regenerated zebrafish rod photoreceptors. The Journal of Comparative Neurology. 518 (6), 800-814 (2010).
  13. Hagerman, G. F., et al. Rapid recovery of visual function associated with blue cone ablation in zebrafish. PLoS One. 11 (11), 0166932 (2016).
  14. George, S. M., Lu, F., Rao, M., Leach, L. L., Gross, J. M. The retinal pigment epithelium: Development, injury responses, and regenerative potential in mammalian and non-mammalian systems. Progress in Retinal and Eye Research. 85, 100969 (2021).
  15. Chiba, C., et al. Visual cycle protein rpe65 persists in new retinal cells during retinal regeneration of adult newt. The Journal of Comparative Neurology. 495 (4), 391-407 (2006).
  16. Yoshii, C., Ueda, Y., Okamoto, M., Araki, M. Neural retinal regeneration in the anuran amphibian xenopus laevis post-metamorphosis: Transdifferentiation of retinal pigmented epithelium regenerates the neural retina. 발생학. 303 (1), 45-56 (2007).
  17. Xia, H., Krebs, M. P., Kaushal, S., Scott, E. W. Enhanced retinal pigment epithelium regeneration after injury in mrl/mpj mice. Experimental Eye Research. 93 (6), 862-872 (2011).
  18. McGill, T. J., et al. Subretinal transplantation of human central nervous system stem cells stimulates controlled proliferation of endogenous retinal pigment epithelium. Translational Vision Science and Technology. 8 (3), 43 (2019).
  19. Salero, E., et al. Adult human rpe can be activated into a multipotent stem cell that produces mesenchymal derivatives. Cell Stem Cell. 10 (1), 88-95 (2012).
  20. Chen, B., et al. Small molecule-mediated disruption of wnt-dependent signaling in tissue regeneration and cancer. Nature Chemical Biology. 5 (2), 100-107 (2009).
  21. Whittaker, J. R. An analysis of melanogenesis in differentiating pigment cells of ascidian embryos. 발생학. 14 (1), 1-39 (1966).
  22. Westerfield, M. . Zebrafish Book, 5th Edition; A Guide for the Laboratory Use of Zebrafish (Danio rerio). , (2007).
  23. Hammer, H. S. . Water quality for zebrafish culture in The Zebrafish in Biomedical Research. , 321-335 (2020).
  24. Avdesh, A., et al. Regular care and maintenance of a zebrafish (danio rerio) laboratory: An introduction. Journal of Visualized Experiments: JoVE. (69), e4196 (2012).
  25. Kimmel, C. B., Ballard, W. W., Kimmel, S. R., Ullmann, B., Schilling, T. F. Stages of embryonic development of the zebrafish. Developmental Dynamics. 203 (3), 253-310 (1995).
  26. Camp, E., Lardelli, M. Tyrosinase gene expression in zebrafish embryos. Development Genes and Evolution. 211 (3), 150-153 (2001).
  27. Baumann, L., Ros, A., Rehberger, K., Neuhauss, S. C., Segner, H. Thyroid disruption in zebrafish (danio rerio) larvae: Different molecular response patterns lead to impaired eye development and visual functions. Aquatic Toxicology. 172, 44-55 (2016).
  28. Li, Z., et al. Phenylthiourea specifically reduces zebrafish eye size. PloS One. 7 (6), 40132 (2012).
  29. Bohnsack, B. L., Gallina, D., Kahana, A. Phenothiourea sensitizes zebrafish cranial neural crest and extraocular muscle development to changes in retinoic acid and igf signaling. PLoS One. 6 (8), 22991 (2011).
  30. Leary, S., et al. . Avma Guidelines for the Euthanasia of Animals: 2020 Edition. , (2020).
  31. Uribe, R. A., Gross, J. M. Immunohistochemistry on cryosections from embryonic and adult zebrafish eyes. Cold Spring Harbor Protocols. 2007, 4779 (2007).
  32. Schindelin, J., et al. Fiji: An open-source platform for biological-image analysis. Nature Methods. 9 (7), 676-682 (2012).
  33. . GitHub – ReadImageJROI Available from: https://github.com/DylanMuir/ReadImageJROI (2021)
  34. Morel, P. Gramm: Grammar of graphics plotting in matlab. Journal of Open Source Software. 3 (23), 568 (2018).
  35. Reinhardt, R., et al. Sox2, tlx, gli3, and her9 converge on rx2 to define retinal stem cells in vivo. The EMBO Journal. 34 (11), 1572-1588 (2015).
  36. Schonthaler, H. B., et al. Evidence for rpe65-independent vision in the cone-dominated zebrafish retina. European Journal of Neuroscience. 26 (7), 1940-1949 (2007).
  37. Yazulla, S., Studholme, K. M. Neurochemical anatomy of the zebrafish retina as determined by immunocytochemistry. Journal of Neurocytology. 30 (7), 551-592 (2001).
  38. Larison, K. D., Bremiller, R. Early onset of phenotype and cell patterning in the embryonic zebrafish retina. Development. 109 (3), 567-576 (1990).
  39. Dwass, M. Modified randomization tests for nonparametric hypotheses. The Annals of Mathematical Statistics. 28 (1), 181-187 (1957).
  40. Karlsson, J., von Hofsten, J., Olsson, P. E. Generating transparent zebrafish: A refined method to improve detection of gene expression during embryonic development. Marine Biotechnology (NY). 3 (6), 522-527 (2001).
  41. Hernandez, R. E., Galitan, L., Cameron, J., Goodwin, N., Ramakrishnan, L. Delay of initial feeding of zebrafish larvae until 8 days postfertilization has no impact on survival or growth through the juvenile stage. Zebrafish. 15 (5), 515-518 (2018).
  42. Meyers, J. R., et al. Β-catenin/wnt signaling controls progenitor fate in the developing and regenerating zebrafish retina. Neural Development. 7, 30 (2012).
  43. Tappeiner, C., et al. Inhibition of the tgfβ pathway enhances retinal regeneration in adult zebrafish. PLoS One. 11 (11), 0167073 (2016).
  44. Bailey, T. J., Fossum, S. L., Fimbel, S. M., Montgomery, J. E., Hyde, D. R. The inhibitor of phagocytosis, o-phospho-l-serine, suppresses müller glia proliferation and cone cell regeneration in the light-damaged zebrafish retina. Experimental Eye Research. 91 (5), 601-612 (2010).
  45. Ramachandran, R., Zhao, X. F., Goldman, D. Ascl1a/dkk/beta-catenin signaling pathway is necessary and glycogen synthase kinase-3beta inhibition is sufficient for zebrafish retina regeneration. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 108 (38), 15858-15863 (2011).
  46. Lemmens, K., et al. Matrix metalloproteinases as promising regulators of axonal regrowth in the injured adult zebrafish retinotectal system. The Journal of Comparative Neurology. 524 (7), 1472-1493 (2016).
  47. Elsaeidi, F., Bemben, M. A., Zhao, X. F., Goldman, D. Jak/stat signaling stimulates zebrafish optic nerve regeneration and overcomes the inhibitory actions of socs3 and sfpq. The Journal of Neuroscience. 34 (7), 2632-2644 (2014).
  48. Van Dyck, A., et al. Müller glia-myeloid cell crosstalk accelerates optic nerve regeneration in the adult zebrafish. Glia. 69 (6), 1444-1463 (2021).
  49. Conedera, F. M., Pousa, A. M. Q., Mercader, N., Tschopp, M., Enzmann, V. Retinal microglia signaling affects müller cell behavior in the zebrafish following laser injury induction. Glia. 67 (6), 1150-1166 (2019).
  50. Chen, S., Lathrop, K. L., Kuwajima, T., Gross, J. M. Retinal ganglion cell survival after severe optic nerve injury is modulated by crosstalk between jak/stat signaling and innate immune responses in the zebrafish retina. Development. 149 (8), (2022).
  51. de Preux Charles, A. S., Bise, T., Baier, F., Marro, J., Jaźwińska, A. Distinct effects of inflammation on preconditioning and regeneration of the adult zebrafish heart. Open Biology. 6 (7), 160102 (2016).
check_url/kr/63658?article_type=t

Play Video

Cite This Article
Leach, L. L., Fisher, G. B., Gross, J. M. Nitroreductase/Metronidazole-Mediated Ablation and a MATLAB Platform (RpEGEN) for Studying Regeneration of the Zebrafish Retinal Pigment Epithelium. J. Vis. Exp. (181), e63658, doi:10.3791/63658 (2022).

View Video