रेटिना कृत्रिम अंग में दृश्य धारणा उत्पन्न करने की क्षमता होती है। नए कृत्रिम अंग के विकास को आगे बढ़ाने के लिए, आरोपण से पहले उपकरणों का परीक्षण करने के लिए पूर्व विवो विधियों की आवश्यकता होती है। यह लेख विद्युत उत्तेजना के अधीन होने पर रेटिना गैंग्लियन सेल परत में कैल्शियम गतिविधि का अध्ययन करने के लिए एक व्यापक प्रोटोकॉल प्रदान करता है।
रेटिना डिस्ट्रोफी दुनिया भर में अंधापन का एक प्रमुख कारण है। उन्नत रेटिना कृत्रिम अंग विकसित करने के लिए व्यापक प्रयास चल रहे हैं जो पतित रेटिना में बिगड़ा हुआ प्रकाश-संवेदन फोटोरिसेप्टर कोशिकाओं को बायपास कर सकते हैं, जिसका लक्ष्य दृश्य धारणाओं को प्रेरित करके दृष्टि को आंशिक रूप से बहाल करना है। जांच के एक आम एवेन्यू डिजाइन और एक लचीला भौतिक संरचना के साथ प्रत्यारोपण उपकरणों के उत्पादन शामिल, इलेक्ट्रोड की एक उच्च संख्या आवास. यह दृश्य धारणाओं की कुशल और सटीक पीढ़ी को सक्षम बनाता है। हालांकि, प्रत्येक तकनीकी प्रगति के साथ, विवो प्रयोगों में प्रगति करने से पहले डिवाइस की कार्यक्षमता को सत्यापित करने के लिए एक विश्वसनीय और प्रबंधनीय पूर्व विवो विधि की आवश्यकता होती है, जहां डिवाइस के प्रदर्शन से परे कारक खेल में आते हैं। यह लेख विद्युत उत्तेजना के बाद रेटिना गैंग्लियन सेल परत (जीसीएल) में कैल्शियम गतिविधि का अध्ययन करने के लिए एक व्यापक प्रोटोकॉल प्रस्तुत करता है। विशेष रूप से, निम्नलिखित चरणों को रेखांकित किया गया है: (1) आनुवंशिक रूप से एन्कोडेड कैल्शियम संकेतकों का उपयोग करके चूहे रेटिना को फ्लोरोसेंटली लेबलिंग, (2) विद्युत उत्तेजना के अलग-अलग पैटर्न लागू करते समय एक उल्टे प्रतिदीप्ति माइक्रोस्कोप का उपयोग करके प्रतिदीप्ति संकेत पर कब्जा करना, और (3) जीसीएल के भीतर व्यक्तिगत कोशिकाओं से कैल्शियम के निशान निकालना और विश्लेषण करना। इस प्रक्रिया का पालन करके, शोधकर्ताओं कुशलतापूर्वक विवो प्रयोगों में आयोजित करने से पहले नए उत्तेजना प्रोटोकॉल का परीक्षण कर सकते हैं.
रेटिना में फोटोरिसेप्टर होते हैं, जो प्रकाश को महसूस करने के लिए जिम्मेदार कोशिकाएं होती हैं। वे फोटॉन को पकड़ते हैं और उन्हें तंत्रिका आवेगों में परिवर्तित करते हैं। इन आवेगों को तब रेटिना के भीतर संसाधित किया जाता है और दृश्य प्रांतस्था में प्रेषित किया जाता है, जिसके परिणामस्वरूप एक दृश्य छवि1 का निर्माण होता है। रेटिनाइटिस पिगमेंटोसा (आरपी) और आयु से संबंधित धब्बेदार अध: पतन (एएमडी) अपक्षयी रोग हैं जो फोटोरिसेप्टर के प्रगतिशील नुकसान की विशेषता हैं। ये रेटिनोपैथी दुनिया भर में अंधेपन के प्रमुख कारणों में से हैं1, लाखों व्यक्तियों को प्रभावित करते हैं और रोगियों, स्वास्थ्य देखभाल प्रणालियों और समाज के लिए महत्वपूर्ण चिकित्सा, व्यक्तिगत और सामाजिक आर्थिक परिणाम होते हैं। इसके अलावा, उम्र बढ़ने की आबादी के साथ, यह अनुमान लगाया गया है कि 2050 तक एएमडी के मामलों में 15% की वृद्धिहोगी।
वर्तमान में, इन स्थितियों से प्रभावित रोगियों में दृष्टि बहाल करने के लिए कई शोध प्रयास चल रहे हैं3. एक आशाजनक दृष्टिकोण रेटिना कृत्रिम अंग, जो आंशिक रूप से दृष्टि 4,5 बहाल करने में प्रभावशीलता का प्रदर्शन किया है का उपयोग है. ये उपकरण दृश्य दृश्य से प्रकाश को पकड़ते हैं और इसे विद्युत दालों में परिवर्तित करते हैं। इन दालों को आंखों में प्रत्यारोपित माइक्रोइलेक्ट्रोड सरणी (एमईए) के भीतर इलेक्ट्रोड के माध्यम से वितरित किया जाता है, जीवित न्यूरॉन्स को उत्तेजित करता है और खोए हुए फोटोरिसेप्टर के कार्य को दरकिनार करता है। सक्रिय रेटिना गैंग्लियन कोशिकाएं (आरजीसी) आउटपुट को मस्तिष्क तक पहुंचाती हैं, जहां इसे दृश्य धारणा के रूप में व्याख्या की जाती है। हालांकि, वर्तमान प्रत्यारोपण की मुख्य सीमाएं इलेक्ट्रोड-ऊतक इंटरफ़ेस6 के संकल्प और विभिन्न सेल प्रकारों के गैर-चयनात्मक उत्तेजना में निहित हैं। इसलिए, अधिक कुशल दृष्टि बहाली के लिए नए प्रत्यारोपण योग्य उपकरणों के डिजाइन को अनुकूलित करने के लिए, यह समझना महत्वपूर्ण है कि इलेक्ट्रोड के करीब निकटता में कोशिकाओं को चुनिंदा रूप से सक्रिय करने के लिए उत्तेजना प्रतिमान कैसे विकसित किए जा सकते हैं।
कैल्शियम इमेजिंग तंत्रिका गतिविधि का अध्ययन करने के लिए एक व्यापक रूप से नियोजित तकनीक है, जो गैर-ऑप्टिकल तरीकों 7,8 पर कई फायदे प्रदान करती है। सबसे पहले, यह सेलुलर और उपकोशिकीय संकल्प प्रदान करता है। दूसरे, कैल्शियम मार्कर विशिष्ट सेल प्रकारों को लक्षित कर सकते हैं। तीसरा, यह दीर्घकालिक ट्रैकिंग की अनुमति देता है, और चौथा, यह सक्रिय और निष्क्रिय कोशिकाओं के बीच अंतर करते हुए संपूर्ण सेल आबादी के अवलोकन को सक्षम बनाता है। यह विधि सैकड़ों मिलीसेकंड की सीमा में एक अस्थायी संकल्प के साथ सेलुलर गतिविधि का अप्रत्यक्ष प्रमाण प्रदान करती है। आनुवंशिक रूप से एन्कोडेड फ्लोरोसेंट कैल्शियम संकेतक, जैसे GCaMP सेंसर, कैल्शियम के लिए बाध्यकारी पर एक संरूपण परिवर्तन से गुजरते हैं, जिसके परिणामस्वरूप प्रतिदीप्ति9 बढ़ जाती है। पुनः संयोजक एडेनो-जुड़े वायरल वैक्टर (एएवी) जीसीएएमपी10 के साथ रेटिना कोशिकाओं को स्थानांतरित करने का एक प्रभावी साधन हैं।
यह प्रोटोकॉल एक कुशल विधि प्रस्तुत करता है जो रेटिना प्रत्यारोपण के उत्तेजना प्रोटोकॉल के परीक्षण के लिए कैल्शियम इमेजिंग का उपयोग करता है। विशेष रूप से, हम पूर्व विवो चूहे रेटिना ऊतक पर ध्यान केंद्रित करते हैं और नमूना अधिग्रहण से लेकर डेटा विश्लेषण तक विस्तृत चरण-दर-चरण निर्देश प्रदान करते हैं। इस व्यापक गाइड की पेशकश करके, विभिन्न पृष्ठभूमि के शोधकर्ता आत्मविश्वास के साथ विद्युत उत्तेजना प्रयोग शुरू कर सकते हैं।
यहाँ वर्णित प्रोटोकॉल एक विदेश मंत्रालय के साथ प्रदान की विद्युत उत्तेजना पर चूहे रेटिना जीसीएल में होने वाली कैल्शियम गतिशीलता का अध्ययन करने के लिए कार्य करता है. यह एक विश्वसनीय और प्रबंधनीय विधि है, लेकिन कुछ प्रशिक्षण की आवश्यकता है, विशेष रूप से समान रूप से जीसीएल को कुशलतापूर्वक लेबल करने और इष्टतम ऊतक-इलेक्ट्रोड संपर्क सुनिश्चित करने के लिए रेटिना को ठीक से माउंट करने के लिए। यह प्रोटोकॉल कृन्तकों के लिए विशिष्ट है और यदि एक अलग प्रयोगशाला प्रजातियों पर लागू किया जाता है तो इसे अनुकूलित करने की आवश्यकता होती है। कार्यप्रणाली के महत्वपूर्ण बिंदुओं, संशोधनों और सीमाओं को विस्तार से प्रस्तुत किया गया है।
इंट्राविट्रियल इंजेक्शन
इंजेक्शन का व्यापक रूप से ओकुलर जीन डिलीवरी के लिए उपयोग किया जाता है, जिसमें इंट्राविट्रियल इंजेक्शन पसंदीदा प्रक्रिया है। वे सुरक्षित और subretinal इंजेक्शन, जो फोटोरिसेप्टर और रेटिना वर्णक उपकला (आरपीई) के बीच सीधे ब्याज के अणुओं का परिचय, रेटिना टुकड़ी10 जोखिम की तुलना में साबित हुए हैं. हालांकि, सीमाएं हैं, खासकर जब कृंतक मॉडल में इन इंजेक्शन का प्रदर्शन करते हैं। कांच का हास्य जिलेटिनस है, वायरल प्रसार में बाधा डालता है। इसके अलावा, कृंतक आंखों में लेंस बड़ा होता है, जिससे सुई को खरोंच किए बिना डालना गैर-तुच्छ हो जाता है। सटीक सिरिंज सुई नाजुक होती है और इसे अक्सर बदलने की आवश्यकता होती है। रुकावट को रोकने के लिए, उन्हें हर उपयोग से पहले और बाद में विआयनीकृत पानी से धोएं और उन्हें नियमित रूप से बदलें। इसके अतिरिक्त, समाधान भाटा और इंट्राओकुलर दबाव में परिवर्तन को रोकने के लिए सामग्री को धीरे-धीरे इंजेक्ट करें। रेटिना भर में बड़े और समान प्रतिदीप्ति को प्राप्त करने अभ्यास की आवश्यकता हो सकती है.
रेटिना सेल पारगमन
वायरल वैक्टर विवो जीन वितरण में के लिए एक उत्कृष्ट विधि है, और एएवी व्यापक रूप से रेटिना कोशिकाओं10 ट्रांसड्यूसिंग के लिए इस्तेमाल किया गया है. उन्हें मानव अंधापन पैदा करने वाले कुछ रेटिनोपैथी के उपचार के रूप में अनुमोदित किया गया है24. हालांकि, उनकी वाहक क्षमता 5 केबी तक सीमित है, जिसमें आवश्यक नियामक तत्व (जैसे, प्रमोटर)10,25शामिल हैं। कई सीरोटाइप उपलब्ध हैं, प्रत्येक अलग-अलग ट्रोपिज्म के साथ। वितरित किए जाने वाले जीन के आधार पर सबसे उपयुक्त एएवी चुनें और कोशिकाओं को26 स्थानांतरित किया जाना चाहिए। RGC लेबलिंग के लिए, AAV227 का उपयोग करने की अनुशंसा की जाती है।
जीन अभिव्यक्ति खिड़की
AAV2-CAG-GCaMP5G के लिए इष्टतम वायरल अभिव्यक्ति इंजेक्शन 2 के बाद 3 से 12,18 सप्ताह है। उस समय सीमा से परे, ट्रांसफ़ेक्ट कोशिकाओं से नाभिक फ्लोरोसेंट बन जाते हैं, कोशिकाएं उत्तेजनाओं का जवाब देना बंद कर देती हैं, और अंततः 7,28,29 मर जाती हैं। यह GCaMP संकेतक की अतिअभिव्यक्ति के कारण है, जिसे नाभिक में स्थानांतरित किया जाता है। इष्टतम जीन अभिव्यक्ति के लिए समय खिड़की वायरल वेक्टर और चुना प्रमोटर30 के आधार पर अलग अलग होंगे और इस प्रोटोकॉल के साथ आगे बढ़ने से पहले प्रयोगात्मक रूप से निर्धारित किया जाना चाहिए.
ऊतक-इलेक्ट्रोड संपर्क
इष्टतम और प्रतिलिपि प्रस्तुत करने योग्य परिणामों के लिए, अच्छा ऊतक-इलेक्ट्रोड संपर्क प्राप्त करना महत्वपूर्ण है। खराब संपर्क आमतौर पर रेटिना की प्राकृतिक वक्रता के कारण होता है। एक दृष्टिकोण यह है कि रेटिना को क्वार्टर में काटें, एक समय में एक खंड को माउंट और छवि दें। रेटिना के छोटे हिस्से को बेहतर ढंग से चपटा किया जा सकता है, जिसके परिणामस्वरूप विदेश मंत्रालय की सतह के साथ अधिक प्रभावी संपर्क होता है। खराब संपर्क का एक अन्य संभावित कारण कांच के हास्य की उपस्थिति है। जब उत्तेजना प्रयोगों का आयोजन एक epi-रेटिना प्रत्यारोपण अनुकरण, यह ध्यान से रेटिना छांटना के दौरान कांच हास्य को हटाने के लिए महत्वपूर्ण है के रूप में यह वर्तमान करने के लिए एक इन्सुलेटर के रूप में कार्य कर सकते हैं. यहां, एक ही फोकल विमान में इलेक्ट्रोड और कोशिकाओं की कल्पना करके संपर्क पर्याप्त है या नहीं, यह जांचने के लिए एक सरल विधि का वर्णन किया गया है।
पूर्व विवो रेटिना माप का एक विकल्प इलेक्ट्रोड की सतह पर सीधे न्यूरॉन्स विकसित करना है। न्यूरॉन्स की प्राथमिक संस्कृति, जैसे हिप्पोकैम्पसन्यूरॉन्स 31, उपन्यास उत्तेजक डिवाइस की कार्यक्षमता का मूल्यांकन करने के लिए प्रारंभिक परीक्षणों के लिए उपयोगी हो सकती है। हालांकि, इस दृष्टिकोण को अभी भी प्रयोगशाला जानवरों के उपयोग की आवश्यकता है और रेटिना नेटवर्क की जटिलता का प्रतिनिधित्व नहीं करता है, जो उत्तेजना के लिए सिनैप्टिक प्रतिक्रियाओं के मूल्यांकन के लिए महत्वपूर्ण है।
इलेक्ट्रोड और इलेक्ट्रोड निशान के नीचे कोशिकाओं कल्पना करने के लिए, ऐसे इंडियम टिन ऑक्साइड (आईटीओ) के रूप में पारदर्शी सामग्री के साथ निर्मित विदेश मंत्रालय 19,20,32इस्तेमाल किया जा सकता है. ऑप्टिकल माप के अलावा, विद्युत उत्तेजना पर जीसीएल गतिविधि का मूल्यांकन विद्युत रिकॉर्डिंग के माध्यम से किया जा सकता है। विदेश मंत्रालय का उपयोग ऊतक की स्थानीय क्षेत्र क्षमता (LFP) को रिकॉर्ड करने के लिए किया जा सकता है। हालांकि, यह स्थानिक संकल्प से समझौता करता है, क्योंकि प्रत्येक इलेक्ट्रोड एक साथ कई कोशिकाओं से गतिविधि को कैप्चर करता है (इलेक्ट्रोड आयामों के आधार पर)। ऑप्टिकल रिकॉर्डिंग इस सीमा को पार करती है और उच्च स्थानिक रिज़ॉल्यूशन मैपिंग प्रदान करती है। इसका मुख्य लाभ एकल-कोशिका संकल्प के साथ एक बड़े एफओवी को मापने के दौरान सक्रिय और निष्क्रिय कोशिकाओं के बीच अंतर करने की क्षमता है। सभी सेलुलर गतिविधि संवाददाताओं के बीच, कैल्शियम संकेतक अच्छी तरह से वर्णित हैं और सबसे अधिक33 का उपयोग किया जाता है।
The authors have nothing to disclose.
हम मर्चे रिवास, एंजेल सैंडोवल, जेसुस प्लानागुमा, जोर्डी कोर्टेस, सैंड्रा ऑर्टोनोबेस लारा और अलीना हिर्शमैन (आईसीएफओ-इंस्टीट्यूट डी सीएंसी फोटोनिक्स) के लिए उनके तकनीकी समर्थन के लिए, अन्ना डुआरी (वीएचआईआर, वाल डी’हेब्रोन इंस्टीट्यूट ऑफ रिसर्च) के लिए आभारी हैं।
इस काम का समर्थन करने वाली फंडिंग संस्थाएं हैं: Fundació CELLEX; फंडासीओ मीर-पुइग; मिनिस्टरियो डी इकोनोमिया वाई कॉम्पिटिविडाड – आर एंड डी में उत्कृष्टता केंद्रों के लिए सेवरो ओचोआ कार्यक्रम (CEX2019-000910-एस, [एमसीआईएन/एईआई/10.13039/501100011033]); CERCA कार्यक्रम के माध्यम से Generalitat de Catalunya; लेजरलैब-यूरोप (EU-H2020 GA नंबर 871124); ला कैक्सा फाउंडेशन (LCF/HR19/52160003); और फोंडो सोशल यूरोपो (PRE2020-095721, एमसी)।
20x NA 0.75 S Fluor air objective | Nikon | CFI Super Fluor 20X | – |
3.5 cm Cell culture dish | Nunc | 12-565-90 | – |
30 G needle | VWR | 613-5373 | – |
36 G blunt needle | World Precision Instruments | NF36BL-2 | – |
6 cm Cell culture dish | Nunc | 12-565-94 | – |
AAV2-CAG-GCaMP5G | Vector Biolabs | – | – |
Ames' Medium | Sigma Aldrich | A1420 | – |
Blade | Swann-morton | 0308 | – |
Camera | Hamamatsu | ORCA Flash v4.0 | – |
Carbogen | Air liquide | – | – |
Curved-forceps | – | – | – |
Fine spring-scissors | FST | 91501-09 | – |
FITC filter cube | Nikon | Standard series | – |
Fluorescent lamp | Nikon | C-HGFI | – |
Fluorescent stereomicroscope | Nikon | SMZ25 | – |
HBSS | Capricorn | HBSS-1A | – |
ImageJ/FIJI | NIH | v1.50i | – |
In vivo retinal imaging system | Phoenix Research Laboratories | Micron III | – |
Inverted fluorescence microscope | Nikon | Eclipse Ti | – |
Isofluorane | Arrane Baxter Laboratories | – | – |
Long-Evans rat | Janvier | – | – |
MATLAB (Version R2021b) | Mathworks | – | – |
Media filters | Merckmillipore | SCGPS02RE | – |
Methocel 2% | Omni Vision | – | – |
Microelectrode array (MEA) | – | Custom-made | |
NaHCO3 | Thermofisher | 42427 | – |
Penicillin/Streptomycin 100x | Thermofisher | 15140122 | – |
Phenylephrine | Alcon Cusí Laboratories | 653437.3 | 100 mg/mL |
Plastic pipette | VWR | 612-1793 | – |
Porous membrane | Merckmillipore | #JVWP01300 | – |
Precision syringe | World Precision Instruments | 10 µl Nanofil | – |
Prescaina | Llorens | – | Oxybuprocaine chlorhydrate (2 mg/mL), local anesthetic |
Rat nasal mask | Xenotec | XRK-RA | – |
Small curved-forceps | Bbraun | AESCBD311R | – |
Spring-scissors | FST | 15040-11 | – |
Stereo microscope | Zeiss | Stemi 2000 | – |
Straight forceps | FST | 11252-20 | – |
Suture filament | Vitrex Medical | 4328 | Nilon monofilament, 7/0, DS12 |
Tobradex | Alcon Cusí Laboratories | – | Tobramycin (3 mg/mL) and dexamethasone (1 mg/mL) |
Tropicamide | Alcon Cusí Laboratories | 653486 | 10 mg/mL |
Washer | Thorlabs | W8S038 | – |