视网膜类器官移植在RPE功能障碍的RCS大鼠中发育出光感受器并改善视觉功能

Retina Organoid Transplants Develop Photoreceptors and Improve Visual Function in RCS Rats With RPE Dysfunction

作者信息Bin Lin, Bryce T McLelland, Robert B Aramant, Biju B Thomas, Gabriel Nistor, Hans S Keirstead, Magdalene J Seiler
PMID32945842
发布时间2020-09-01
DOI10.1167/iovs.61.11.34

实验完整度

包含体外类器官分化与表征(qPCR、免疫荧光)、体内移植(OCT监测、组织学)及多层级功能验证(ERG、OKT、SC电生理),证据层级独立且包含功能与机制验证。

主要模型

免疫缺陷RCS大鼠(RCS nude大鼠,MerTK突变、T细胞缺陷) 人胚胎干细胞(CSC14)来源的视网膜类器官

重点核对

移植时间:受体大鼠P44-56天(疾病晚期) 移植组织:分化第30-70天(平均47天)的视网膜类器官片,大小0.7-1.3 × 0.6 mm,去除RPE“blob” 对照组:年龄匹配的非手术组(n=13)、假手术组(n=16),移植组(n=33) 功能检测:ERG(术后2个月)、OKT(术后2-6个月)、SC电生理记录(术后5.9-9.7个月) 统计分析:双尾t检验,显著性水平0.05,实验者盲法

摘要

目的:研究人胚胎干细胞来源的光感受器在移植到因RPE功能障碍导致视网膜变性的Royal College of Surgeons大鼠后,是否能在没有视网膜色素上皮支持的情况下存活并发挥功能。方法:将CSC14人胚胎干细胞分化为称为视网膜类器官的 primordial 眼结构。通过定量PCR和免疫荧光分析视网膜类器官,并与人类胎儿视网膜进行比较。将视网膜类器官片(分化第30-70天)移植到44至56天龄的免疫缺陷RCS大鼠中。通过光学相干断层扫描检查移植物在体内与宿主的发育关系。通过视动性测试、视网膜电图和上丘电生理记录评估视觉功能。分析冷冻切片的各种视网膜、突触和供体标记物。结果:视网膜类器官显示出与人类胎儿视网膜相似的基因表达。移植大鼠在术后2个月(但之后没有)的ERG、视动性测试(术后长达6个月)和电生理上丘记录(术后6-8个月)中,与RCS非手术和假手术对照组相比,视觉功能显著改善。移植的类器官存活超过7个月;发育出具有内段和外段的光感受器以及其他视网膜细胞;并与宿主良好整合。结论:据我们所知,这项研究首次表明,即使宿主RPE功能障碍,移植的光感受器也能存活并发挥功能。我们的研究结果表明,干细胞来源的类器官片移植可能是治疗致盲疾病的一种有前景的方法/疗法。

实验结论

提炼研究问题、关键发现与证据,快速把握文章的核心贡献。

研究问题
在宿主RPE功能障碍的情况下,移植的光感受器能否存活并发挥功能?
核心机制
移植的视网膜类器官片可通过细胞替代和细胞拯救两种机制改善视觉功能:一方面供体细胞分化为光感受器并整合入宿主视网膜,另一方面可能通过释放神经营养因子拯救邻近的宿主光感受器;Müller细胞和小胶质细胞可能补偿RPE的吞噬功能。
主要证据
在RCS裸大鼠中,移植的类器官片存活超过7个月,发育出带有内外段的光感受器,并与宿主形成广泛突触连接;ERG(术后2个月)、OKT(术后2-6个月)和SC电生理记录(7/14大鼠有反应)显示视觉功能显著改善,而对照组无反应。
研究意义
本研究首次证明移植的光感受器在宿主RPE功能障碍时仍能存活并发挥功能,为视网膜类器官片移植治疗视网膜变性和RPE功能障碍相关致盲疾病提供了概念验证;同时提出RPE与视网膜类器官共移植可能更有效恢复视力。

研究路径

按研究推进顺序梳理实验设计、验证步骤与关键观察。

1

视网膜类器官的生成与表征

验证CSC14 hESC能否分化为与人类胎儿视网膜相似、包含主要视网膜细胞类型的视网膜类器官。

将CSC14 hESC分化为视网膜类器官(分化第30-70天),通过qPCR(84个视网膜基因)与人类胎儿视网膜(n=7,孕105-145天)比较基因表达,并通过免疫荧光检测Brn3b、Synaptophysin、MAP2、CHX10、OTX2、Recoverin等标记物。

2

视网膜类器官片移植到RCS裸大鼠

在疾病晚期(P44-56)将视网膜类器官片移植到RPE功能障碍的RCS裸大鼠视网膜下腔,评估其存活和整合能力。

将视网膜类器官制备成矩形片(0.7-1.3 × 0.6 mm),通过角膜缘后切口移植到左眼视网膜下腔;假手术仅注射培养基;使用OCT监测移植物发育。

3

移植物在体内的发育与整合分析

通过OCT和组织学检查评估移植物在体内的存活、分化、细胞类型组成以及与宿主的整合情况。

使用SD-OCT每月监测移植物(n=33),直至术后8.5个月;通过H&E染色和免疫荧光(SC121、Ku80、Rhodopsin、RG opsin、PKCα、Synaptophysin、CRALBP、GFAP、Iba1等)分析移植物的细胞类型、突触连接和胶质细胞反应。

4

视觉功能评估

通过ERG、OKT和SC电生理记录评估移植是否改善RCS裸大鼠的视觉功能。

在术前及术后多个时间点进行ERG(暗适应和明适应)、OKT(视动性反应)和SC电生理记录,比较移植组与对照组。

研究方法

按研究目的归类文中使用的方法,便于定位所需技术。

产品清单

实验环节名称品牌货号
CSC14人胚胎干细胞AIVITA Biomedical Inc.NIH registered line 0284
Matrigel基底膜基质Corning--
IV型胶原酶----
定制qPCR阵列QiagenCat# CAPH13339
Trizol试剂Qiagen--
脱氧核糖核酸酶IThermo Fisher--
RT2 cDNA合成试剂盒Qiagen--
RT2 Sybr Green与ROX qPCR预混液Qiagen--
Viia7 RUO软件Thermo Fisher--
RCS裸大鼠----
酮洛芬----
地塞米松滴眼液Bausch & Lomb Inc.--
眼科用聚维酮碘Alcon--
人工泪液Akorn--
0.5%丁卡因Bausch & Lomb--
庆大霉素/多粘菌素/杆菌肽软膏Bausch & Lomb--
Thermocare恒温箱Thermocare--
Bioptigen Envisu R2200频域眼科成像系统Bioptigen--
HMsERG系统Ocuscience--
Optomotry视动性测试系统Cerebral Mechanics Inc.--
钨微电极MicroProbe, Inc.0.5 MΩ impedance
PowerLab数据采集系统ADInstruments, Inc.--
Tissue-Tek O.C.T.包埋剂----
Histo-VT One抗原修复液Nacalai USA Inc.--
驴血清----
Alexa Fluor 488标记驴抗兔IgG(H+L)Jackson Immunoresearch711-545-152
Rhodamine Red-X标记驴抗小鼠IgG(H+L)Jackson Immunoresearch715-295-151
AF647标记驴抗山羊IgG(H+L)Jackson Immunoresearch705-605-147
Vectashield封片剂Vector Labs--
DAPI(4',6-二脒基-2-苯基吲哚)----
ABC试剂盒Vector Labs--
Zeiss LSM700共聚焦显微镜Zeiss--
Zen 2012软件Zeiss--
Adobe Photoshop CS6软件Adobe--
Volocity(×64)软件Perkin-Elmer--
Imaris软件Oxford Instruments--
Brn3b抗体Abcamab56026
Chx10/Vsx2抗体Thermo FisherPA1-12565
CRALBP抗体Abcamab15051
CRALBP抗体Fitzgerald70R-19908
CRX抗体Santa Cruz Biotechnologysc-30150
GFAP抗体(克隆号GA-5)SigmaG3893
GFAP抗体(克隆号GA-5)Calbiochem/MilliporeIF03L
GFAP抗体(克隆号GA-5)Cell Signaling Technology#3670
谷氨酰胺合成酶抗体Transduction labs/BD Biosciences610518
Iba1抗体Biocare Medical901-290-031218
Ku80抗体Abcamab80592
MAP2抗体MilliporeMAB3418
Otx2抗体Chemicon/MilliporeAB9566
PKC α抗体Amersham--
Recoverin抗体MilliporeAB5585-I
红/绿视蛋白抗体Chemicon/MilliporeAB5405
视紫红质(rho1D4)抗体----
α-突触核蛋白抗体(克隆号D37A6)Cell Signaling Technology4179
突触素抗体Novus BiologicalsAF5555
SC-121(STEM121)抗体Stem Cell Inc.AB-121-U-050

关键环节

汇总复现实验时建议重点确认的条件及原文阅读提示。

环节核对要点
视网膜类器官生成
CSC14 hESC培养条件(培养基、Matrigel包被、传代比例)、分化方案(具体因子浓度、时间窗口)、类器官选择标准(透明度、形态学)
阅读提示:Methods: Cell Culture; Results: Development and Characterization of Retinal Organoids
移植手术
受体大鼠品系(RCS nude)、年龄(P44-56)、麻醉方案(氯胺酮/赛拉嗪剂量)、手术步骤(切口位置、视网膜脱离方法、植入工具)、移植物大小和制备方法
阅读提示:Methods: Experimental Animals, Retinal Sheet Preparation, Transplantation
OCT成像
成像系统(Bioptigen Envisu R2200)、扫描参数(488 × 488 × 5 或 800 × 20 × 80 等)、成像时间点(术后2周起每月一次)
阅读提示:Methods: Spectral Domain OCT (SD-OCT) Imaging; Results: In Vivo Development of Retinal Organoid Transplants Monitored by OCT
视觉功能评估(ERG/OKT/SC)
ERG:暗适应时间、刺激强度范围(1-25,000 millicandela)、时间点(术前、术后2/4/6个月);OKT:空间频率(0.05-0.45 cd/m2)、测试次数、盲法设计;SC:电极阻抗、记录位置数、刺激强度(0.58至-6.13 log cd/m2)、时间点(术后5.9-9.7个月)
阅读提示:Methods: Electroretinography (ERG), Optokinetic Test (OKT), Superior Colliculus (SC) Electrophysiology
组织学分析
灌注固定方法(4%PFA)、切片厚度(10μm)、抗原修复条件(70°C Histo-VT One)、抗体浓度和孵育条件、成像系统(Zeiss LSM700)
阅读提示:Methods: Histology and Immunofluorescence; Results: Analysis of Cell Type Development and Connectivity