Protocole d’évaluation et de quantification des pathologies de l’épithélium pigmenté rétinien dans des modèles murins de dégénérescence maculaire liée à l’âge

Summary

Les modèles murins peuvent être des outils utiles pour étudier la biologie de l’épithélium pigmenté rétinien (EPR). Il a été établi que les souris peuvent développer un éventail de pathologies RPE. Ici, nous décrivons un protocole de phénotypage pour élucider et quantifier les pathologies RPE chez la souris en utilisant la lumière, l’électron de transmission et la microscopie confocale.

Abstract

La dégénérescence maculaire liée à l’âge (DMLA) est un trouble rétinien débilitant chez les populations vieillissantes. Il est largement admis que le dysfonctionnement de l’épithélium pigmenté rétinien (EPR) est un événement pathobiologique clé dans la DMLA. Pour comprendre les mécanismes qui conduisent au dysfonctionnement de l’EPR, les chercheurs peuvent utiliser des modèles murins. Il a été établi par des études antérieures que les souris peuvent développer des pathologies RPE, dont certaines sont observées dans les yeux des personnes diagnostiquées avec la DMLA. Nous décrivons ici un protocole de phénotypage pour évaluer les pathologies de l’EPR chez la souris. Ce protocole comprend la préparation et l’évaluation de coupes transversales rétiniennes par microscopie optique et microscopie électronique à transmission, ainsi que celle de montures plates RPE par microscopie confocale. Nous détaillons les types courants de pathologies de l’EPR murin observés par ces techniques et les moyens de les quantifier grâce à des méthodes non biaisées pour les tests statistiques. Comme preuve de concept, nous utilisons ce protocole de phénotypage RPE pour quantifier les pathologies RPE observées chez les souris surexprimant la protéine transmembranaire 135 (Tmem135) et les souris âgées de type sauvage C57BL/6J. L’objectif principal de ce protocole est de présenter des méthodes de phénotypage RPE standard avec des évaluations quantitatives non biaisées pour les scientifiques utilisant des modèles murins de DMLA.

Introduction

La dégénérescence maculaire liée à l’âge (DMLA) est une maladie cécitante courante qui touche les populations de plus de 55 ans¹. De nombreux chercheurs pensent que le dysfonctionnement de l’épithélium pigmenté rétinien (EPR) est un événement pathobiologique précoce et crucial dans la DMLA². L’EPR est une monocouche de cellules polarisées chargée de maintenir l’homéostasie des photorécepteurs voisins et des vaisseaux sanguins choroïdiens³. Il existe divers modèles pour étudier les mécanismes associés à la maladie au sein de l’EPR, y compris les modèles de culture cellulaire ^4,5 et les souris 6,7,8. Un rapport récent a décrit des protocoles normalisés et des critères de contrôle de la qualité pour les modèles de culture cellulaire EPR⁴, mais aucun rapport n’a tenté de normaliser le phénotypage de l’EPR dans les modèles murins. En fait, de nombreuses publications sur des modèles murins de DMLA manquent d’une description complète de l’EPR ou d’une quantification des pathologies de l’EPR qu’ils contiennent. L’objectif global de ce protocole est de présenter des méthodes de phénotypage RPE standard avec des évaluations quantitatives non biaisées pour les scientifiques utilisant des modèles murins AMD.

Des publications antérieures ont noté la présence de plusieurs pathologies RPE chez la souris grâce à trois techniques d’imagerie. Par exemple, la microscopie optique permet aux chercheurs de visualiser la morphologie grossière de la rétine murine (Figure 1A) et de détecter des pathologies de l’EPR telles que l’amincissement de l’EPR, la vacuolisation et la migration. L’amincissement de l’EPR dans un modèle murin AMD est illustré par un écart de la hauteur de l’EPR par rapport à leurs contrôles respectifs (Figure 1B). La vacuolisation de l’EPR peut être divisée en deux catégories distinctes : la microvacuolisation (figure 1C) et la macrovacuolisation (figure 1D). La microvacuolisation de l’EPR est résumée par la présence de vacuoles dans l’EPR qui n’affectent pas sa hauteur totale, tandis que la macrovacuolisation est indiquée par la présence de vacuoles qui font saillie dans les segments externes des photorécepteurs. La migration de l’EPR se distingue par l’agrégat focal de pigment au-dessus de la monocouche de l’EPR dans une section transversale rétinienne (Figure 1E). Il convient de noter que les cellules EPR migratrices dans les yeux des donneurs de DMLA présentent une immunoréactivité aux marqueurs des cellules immunitaires, tels que le groupe de différenciation 68 (CD68)9, et pourraient représenter des cellules immunitaires engloutissant des débris d’EPR ou des EPR subissant une transdifférenciation ⁹. Une autre technique d’imagerie appelée microscopie électronique à transmission peut permettre aux chercheurs de visualiser l’ultrastructure de l’EPR et de sa membrane basale (Figure 2A). Cette technique permet d’identifier le dépôt sous-RPE prédominant chez la souris, connu sous le nom de dépôt laminaire basal (BLamD) (Figure 2B)¹⁰. Enfin, la microscopie confocale peut révéler la structure des cellules EPR grâce à l’imagerie des supports plats de l’EPR (Figure 3A). Cette méthode permet de découvrir la dysmorphie de l’EPR, c’est-à-dire la déviation de l’EPR par rapport à sa forme classique en nid d’abeille (Figure 3B). Il peut également détecter la multinucléation de l’EPR, la présence de trois noyaux ou plus dans une cellule EPR (Figure 3C). Pour un résumé des types de pathologies RPE présentes dans les modèles murins DMLA actuels, nous renvoyons les chercheurs à ces revues de la littérature ^6,7.

Les chercheurs qui étudient la DMLA devraient être conscients des avantages et des inconvénients de l’utilisation de souris pour étudier les pathologies de l’EPR avant le protocole de phénotypage. Les souris sont avantageuses en raison de leur durée de vie relativement courte et de leur rentabilité, ainsi que de leur manipulabilité génétique et pharmacologique. Les souris présentent également des changements dégénératifs de l’EPR, y compris la migration de l’EPR, la dysmorphie et la multinucléation, qui sont observés dans les yeux des donneurs de DMLA 11,12,13,14,15,16,17; cela suggère que des mécanismes similaires peuvent sous-tendre le développement de ces pathologies RPE chez la souris et l’homme. Cependant, il existe des différences clés qui limitent la transposabilité des études sur les souris à la DMLA humaine. Premièrement, les souris n’ont pas de macula, une région anatomiquement distincte de la rétine humaine nécessaire à l’acuité visuelle qui est préférentiellement affectée dans la DMLA. Deuxièmement, certaines pathologies de l’EPR chez la souris, comme l’amincissement et la vacuolisation de l’EPR, ne sont généralement pas observées dans les yeux des donneurs de DMLA¹⁸. Troisièmement, les souris ne développent pas de drusen, une caractéristique de la pathologie DMLA¹⁹. Les Drusen sont des dépôts contenant des lipides et des protéines avec très peu de protéines de la membrane basale qui se forment entre la lame basale RPE et la couche collagène interne de la membrane de Bruch (BrM)¹⁹. Drusen diffère de BLamD, le dépôt sous-RPE commun chez la souris, à la fois dans sa composition et sa localisation anatomique. Les BLamD sont des anomalies enrichies par la matrice extracellulaire dépendantes de l’âge et du stress qui se forment entre la lame basale RPE de BrM et les repliements basaux du RPE²⁰. Fait intéressant, les BLamD ont une composition protéique et une apparence similaires chez les souris et les humains ^6,10,21. Des travaux récents suggèrent que les BLamD peuvent agir dans la pathobiologie de la DMLA en influençant la progression de la DMLA vers ses stades ultérieurs^18,22 ; ainsi, ces dépôts peuvent représenter un EPR malade dans la rétine de la souris. La connaissance de ces avantages et limites est essentielle pour les chercheurs intéressés à traduire les résultats d’études sur la souris à la DMLA.

Dans ce protocole, nous discutons des méthodes de préparation des yeux à la lumière, à l’électron de transmission et à la microscopie confocale pour visualiser les pathologies de l’EPR. Nous décrivons également comment quantifier les pathologies de l’EPR de manière impartiale pour les tests statistiques. Comme preuve de concept, nous utilisons le protocole de phénotypage RPE pour étudier les pathologies structurelles de l’EPR observées chez les souris surexprimant la protéine transmembranaire 135- (Tmem135) et les souris âgées de type sauvage (WT) C57BL/6J. En résumé, nous visons à décrire la méthodologie de phénotypage pour caractériser l’EPR dans les modèles murins AMD, car il n’existe actuellement aucun protocole standard disponible. Les chercheurs intéressés par l’examen et la quantification des pathologies des photorécepteurs ou des choroïdes, qui sont également affectées dans les modèles murins DMLA, peuvent ne pas trouver ce protocole utile pour leurs études.

Protocol

Toutes les procédures impliquant des sujets animaux ont été approuvées par le comité institutionnel de soin et d’utilisation des animaux de l’Université du Wisconsin-Madison et sont conformes à la déclaration de l’Association for Research in Vision and Ophthalmology (ARVO) pour l’utilisation d’animaux dans la recherche ophtalmique et visuelle. 1. Évaluation de l’EPR chez la souris par microscopie optique Fabriquez un tampon fixateur qui a une con…

Representative Results

L’achèvement du protocole de phénotypage RPE décrit dans cet article fournit une analyse quantitative des anomalies structurelles de l’EPR couramment observées dans les modèles murins de DMLA. Pour confirmer l’efficacité de ce protocole, nous l’avons utilisé chez des souris connues pour présenter des pathologies de l’EPR, y compris des souris transgéniques qui surexpriment WT Tmem135 entraînées par le promoteur de la bêta-actine de poulet (Tmem135 TG)30 et des souris C57BL/6J âgées<sup cl…

Discussion

Dans cet article, nous avons présenté un protocole de phénotypage pour évaluer les pathologies structurelles de l’EPR de modèles murins. Nous avons décrit les étapes nécessaires au traitement des yeux pour diverses techniques d’imagerie telles que la lumière, l’électron de transmission et la microscopie confocale, ainsi que la quantification des pathologies typiques observées via ces méthodes d’imagerie. Nous avons prouvé l’efficacité de notre protocole de phénotypage RPE en examinant <e…

Materials

0.1 M Cacodylate Buffer pH7.2	PolyScientiifc R&D Company	S1619
100 Capacity Slide Box			Two are needed for this protocol (one for H&E-stained slides and one for RPE flat mounts.)
100% Ethanol	MDS Warehouse	2292-CASE	Can be used to make diluted ethanol solutions in this protocol.
1-Way Stopcock, 2 Female Luer Locks	Qosina	11069
1x Phosphate Buffer Solution (PBS)			Premade 1x PBS can be used in this protocol.
2.0 mL microtubes	Genesee Scientific	24-283-LR
24 Cavity Embedding Capsule Substitute Mold	Electron Microscopy Sciences	70165
24 inch PVC Tubing with Luer Ends	Fisher Scientific	NC1376778
400 Mesh Gilder Thin Bar Square Mesh Grids	Electron Microscopy Sciences	T400-Cu
95% Ethanol	MDS Warehouse	2293-CASE
Absorbent Underpads with Waterproof Moisture Barrier (23 inches by 24 inches)	VWR	56616-031
Adjustable 237 ml  Spray Bottle	VWR	23609-182
Alexa Fluor488 Conjugated Donkey anti-Rabbit IgG	Thermo Fisher Scientific	A-21206
Aluminum Foil
BD Precision glide 19 Gauge Syringe Needle	Sigma-Aldrich	Z192546
Bracken Forceps; Curved; Fine Cross Serrations; 4" Length, 1 mm Tip Width	Roboz Surgical Instrument	RS-5211	Known as curved forceps in this protocol.
Camel Hair Brush	Electron Microscopy Sciences	65575-02
Carbon Dioxide Euthanasia Chamber
Carbon Dioxide Flow Meter
Carbon Dioxide Tank
Castaloy Prong Extension Clamps	Fisher Scientific	05-769-7Q
Cast-Iron L-shaped Base Support Stand	Fisher Scientific	11-474-207
Cell Prolifer Program			Available to download: https://cellprofiler.org/releases
Clear Nail Polish	Electron Microscopy Sciences	72180
Colorfrost Microscope Slides Lavender	VWR	10118-956
Computer
DAPI	Sigma-Aldrich	D9542-5MG
Distilled H20			Water from Milli-Q Purification System was used in this protocol.
Dumont Thin Tip Tweezers; Pattern #55	Roboz Surgical Instrument	RS-4984	Known as fine-tipped forceps in this protocol, and 3 are needed for this protocol (two for dissections and one for electron microscope processing).
Electron Microscopy Grid Holder	Electron Microscopy Sciences	71147-01
EPON 815 Resin	Electron Microscopy Sciences	14910
Epredia Mark-It Tissue Marking Yellow Dye	Fisher Scientific	22050460	Please follow manufacturer's protocol when using this tissue marking dye.
Epredia Mounting Media	Fisher Scientific	22-110-610	Use for mounting H&E slides.
Fiber-Lite Mi-150 Illuminator Series,150 w Halogen Light Source	Dolan-Jenner Industries	Mi-150	Light source for dissecting microscope.
Fiji ImageJ Program			Available to download: https://imagej.net/downloads
Flexaframe Castaloy Hook Connector	Thermo Scientific	14-666-18Q
Fume hood
Glutaraldehyde 2.5% in Phosphate Buffer, pH 7.4, 32%	Electron Microscopy Sciences	16537-05
JEM-1400 Transmission Electron Microscope (JEOL) with an ORIUS (1000) CCD Camera
Laboratory Benchtop Shaker			Two are needed for these experiments. One should be at room temperature while the other should be in a 4 degree Celsius cold room.
Laser Cryo Tag Labels	Electron Microscopy Sciences	77564-05
Lead Citrate	Electron Microscopy Sciences	17800
Leica EM UC7Ultramicrotome
Leica Reichert Ultracut S Microtome
LifterSlips	Thermo Fisher Scientific	22X22I24788001LS	Use these coverslips for the RPE flat mounts as they have raised edges and accommodate the thickness of the RPE.
Mayer's Hematoxylin	VWR	100504-406
McPherson-Vannas Micro Dissecting Spring Scissors	Roboz Surgical Instrument	RS-5600	Known as micro-dissecting scissors in protocol.
Methanol	Fisher Scientific	A412-4
Mice			Any AMD mouse model and its respective controls can work for this protocol.
Micro Dissecting Scissors; Standard Version; Curved; Sharp Points; 24 mm Blade Length; 4.5" Overall Length	Roboz Surgical Instrument	RS-5913	Known as curved scissors in this protocol.
Microsoft Excel
Microtube racks
Nikon A1RS Confocal Microscope
Normal Donkey Serum	SouthernBiotech	0030-01
Number 11 Sterile Disposable Scalpel Blades	VWR	21909-380
Osmium Tetroxide	Electron Microscopy Sciences	19150
Paraformaldehyde, 32%	Electron Microscopy Sciences	15714-S
Pencil
Petri Dish	VWR	21909-380
Pipette Tips
Pipettes
Polyclonal Anti-ZO-1 Antibody	Thermo Fisher Scientific	402200
Propylene Oxide	Electron Microscopy Sciences	20412
Razor Blade	VWR	10040-386
Shallow Tray for Mouse Perfusions
Shandon Eosin Y Alcoholic	VWR	89370-828
Sharpie Ultra Fine Tip Black Permanent Marker	Staples	642736
Slide Rack for Staining	Grainger	49WF31
Squared Cover Glass Slips	Fisher Scientific	12-541B
Staining Dish with Cover	Grainger	49WF30	Need 15 for H&E staining procedure.
Target All-Plastic Disposable Luer-Slip 50 mL Syringe	Thermo Scientific	S7510-50	Use only the syringe barrel.
Timer	Fisher	1464917
Uranyl Acetate	Electron Microscopy Sciences	22400
Vacuum Oven
Vectashield Mounting Medium	Vector Laboratories	H-1000	Use for mounting RPE flat mounts.
Xylene	Fisher Scientific	22050283
Zeiss Axio Imager 2 Light Microscope			This microscope has the capacity to generate stitched 20x images. If a light microscope does not have this capacity, then take images of the entire retina that are slightly overlapping each other. Use Adobe Photoshop to stitch these images together. Please refer to the manuals of the Adobe Photoshop program for image stitching.
Zeiss Stemi 2000 Dissecting Microscope	Electron Microscopy Sciences	65575-02