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このプロトコルの目標は、実験的治療に応答した水晶体の代謝活性と屈折機能の変化を評価することです。
失明の主な原因として、白内障は、この状態によって影響を受ける世界中の何千万人もの人々にとって大きな負担です。化学物質への曝露は、他の環境要因の中でも、白内障の確立された原因です。眼毒性試験では、医薬品とその成分が白内障につながる可能性のある水晶体の損傷に寄与する可能性があるかどうか、または白内障の治療を助ける可能性があるかどうかを評価できます。
in vitro 試験および in vivo 動物試験は、臨床試験に先立って化学物質の安全性を評価するために使用できます。ドレイズ試験(眼毒性および刺激性試験の現在の in vivo 標準)は、眼毒性を決定するための感度と客観的な測定が不足していると批判されてきました。細胞培養では無傷の機能レンズを適切にモデル化できないため、 in vitro 細胞ベースのアッセイは限られています。
ここで説明する方法は、動物実験に代わる高感度の in vitro 試験法であり、細胞活性レベルと全体的な屈折性能の両方で、無傷のウシ水晶体の治療に対する反応を評価するように設計されています。非毒性試薬のレサズリンは、細胞活性のレベルに比例して代謝されます。レンズレーザースキャナーアッセイは、入射光線を最小限の誤差で一点に屈折させるレンズの能力を測定し、その自然な機能に直接関連します。この方法は、水晶体の急性変化と遅延変化の両方、および化学的または環境的曝露からの水晶体の回復を決定するために使用できます。
2,000万人以上が罹患している白内障は、世界中で失明の最も一般的な原因です1,2。白内障は、最も一般的には水晶体の加齢に伴う変化によるものですが、外傷、遺伝的状態、病気、または毒物への曝露からも誘発されます2。現在、治療には水晶体を交換するための外科的介入が含まれ、主に先進国の人々が利用できる高価で侵襲的な手順です。白内障の広範な負担は、白内障の予防と非外科的治療法の開発に向けた数十年にわたる研究を導いてきました。いずれの場合も、眼科用医薬品の毒性、有効性、薬物動態に関する前臨床試験の重要性が最も重要です。この医薬品開発のプロセスは、動物で行われた研究によって提供される情報に大きく依存しています。
in vivoでの眼毒性試験の現在の標準は、生きた動物の結膜嚢に試験化合物を送達するドレイズ試験です。このテストは、特に動物倫理、主観性、再現性の低さ、および変動性に関して、大幅に批判されてきました3。さらに、ドレイズテストには、レンズに対する試験物質の影響を直接監視するコンポーネントはありません。代替のin vitroモデルの開発にはかなりの努力が払われてきました4。ただし、ドレイズテスト5を置き換えるのに十分な検証は行われていません。同様に、これらのモデルの多くは、白内障やその他の複雑な病状への直接的な適用に関して制限に直面しています6。たとえば、グリッド上に配置した場合のレンズの透明度を評価する方法は、本質的に主観的です7。細胞培養研究は信頼性が高く、高度に利用されていますが、細胞単層の特性は初代組織培養とは異なる場合があります8。
レンズ全体を動物の目から解剖し、培養して元の構造と機能を維持することができます。臓器の状態を維持しながら水晶体の機能を評価するのに有用なアッセイの1つが、カナダのウォータールー大学で開発されたスキャナーを用いたレンズレーザースキャナーアッセイです。このアッセイは、一連のレーザープロジェクションを使用してレンズの光学的品質または屈折性能を測定するスキャンシステムです。レンズは、カスタムの2セグメント培養チャンバーでスキャンされ、ビームがレンズを下から通過できるようにします(図1A)。スキャナー内部に固定されたカメラは、レーザーがレンズを多数のポイントで通過する画像をキャプチャします。スキャナーソフトウェアは、レンズが中心軸と交差するレンズの後ろの距離(後方頂点距離、BVD)を計算し、レンズが光を1点にどれだけ一貫して集束させるかを示す一連の測定値を生成します(図1)。
レンズの細胞特性、例えば、その細胞のタイトで整然とした配置は、レンズが機能的に光を集束させることができるように、透明性を維持し、散乱を最小化するのを助ける。この尺度は、化学物質が屈折率勾配などのレンズの本質的な構造をどの程度乱すか、および誘発された混濁のためにどれだけ機能が損なわれるかを解釈するために使用できます。培養水晶体と水晶体小胞の応答を追跡した他の研究では、光散乱は代謝変化と比較して構造変化の産物であり、水晶体の脂質とタンパク質の混乱が屈折率に影響を及ぼし、その結果として散乱を増加させる可能性があることが示唆されています10,11。
レンズレーザースキャナーは、細胞毒性の生化学的測定値を決定するために、アッセイで代謝試薬と組み合わせて使用できます。レサズリンは、活性細胞によって代謝される無毒の化学試薬であり、測定可能な蛍光12で還元された生成物(レゾルフィン)を生成します。水晶体には、前皮細胞と表在性皮質線維細胞に集中する代謝活性ミトコンドリアを除いて、水晶体にはほとんど細胞小器官がなく、水晶体のエネルギー要件を満たしています13,14。細胞レベルでの水晶体の損傷は、代謝を混乱させる可能性があり、多くの場合、病原性構造変化と白内障の発症に先行します15。
この方法の目的は、白内障の発症に寄与する可能性のある水晶体に対する生体異物および環境曝露の影響を評価することです。このプロトコルには、培養ウシレンズを使用した治療の効果を評価するための2つのアッセイが含まれます。このアプローチの利点は、一次組織としての水晶体が治療にどのように反応するかについて、細胞的および機能的評価を提供できることです。これは、他の一般的な方法16,17,18と比較したレンズの感度と客観的な評価です。
このモデルは、界面活性剤、消費者製品、アルコール、紫外線17,19,20など、さまざまな曝露の影響を評価するために成功裏に使用されています。光学品質の変化は、有毒な曝露に対する反応として、培養レンズに一貫して存在します21。この方法がレンズの培養を長期間維持する能力は、化合物の潜在的に遅延する効果、および誘発された損傷または白内障22,23からのレンズの回復を監視するのに適している。このプロトコルの適用から得られる結果は、眼科用製品の開発における動物実験への依存を減らすために使用できます。
すべての実験プロトコルは、動物組織を使用した研究に関するウォータールー大学の倫理方針に準拠して実施されました。現在の研究のウシの目は、屠殺場で提供され、死亡後数時間以内に非乳牛から採取され、すぐに解剖されましたが、これは眼球を取得してから最大8時間かかるプロセスです。無菌性と解剖品質を維持するために、目はすぐに解剖する必要があります。培地をpH 7.4に調製し、FBS21を添加する前に滅菌ろ過します。すべての手順は無菌条件下で行われ、材料と機器の供給源は 材料の表に記載されています。
1. ウシのレンズ培養
2. 管理手順
3. 曝露手順
4. 光学品質アッセイ(レンズレーザースキャナー)
5. メタボリックアクティビティアッセイ(レサズリン)
6. データ分析
図2 および 図3 (n = 6)は、ウシの水晶体に対する化学処理(ラノステロール)の効果をテストした研究の結果を示しています。ラノステロールは、水晶体に自然に発生するステロールであり、かつては白内障の潜在的な医薬品介入として有望な結果を示しました25、これはまだ証明されていません26。研究デザインには、化合物の媒体と車両制御が含まれていました。ビヒクル(2-ヒドロキシプロピル-β-シクロデキストリン)と中型対照(p > 0.05)との間に有意差はなく、実験群の潜在的な影響はビヒクルによるものではない可能性が高いことを示しています。治療群と対照群の間でBVDの変動性に有意差は認められなかった(p > 0.05)。これらの結果は、代謝活性アッセイと一致していました(図3)。したがって、この処理は細胞に重大な毒性をもたらしたり、レンズの屈折性能に有意な影響を与えたりしませんでした(p > 0.05)。
図4 と 図5 (n = 3)は、レンズにBAKを施した結果を示しています。BAKは界面活性剤であり、眼科用製剤27で最も一般的に使用される防腐剤です。10分間の曝露により、曝露後4日目の対照と比較して、処理されたレンズのBVD変動が有意に大きくなりました(p < 0.05)。また、この治療により、水晶体の代謝活性に有意差が認められました(p < 0.05)。
Figure 1: Determining the back vertex distance as a measure of optical quality using laser-scanner. (A) レンズが培養チャンバーに1つの軸に沿って座っている間に、一連のビームがレンズを通過します。(B)ビームは指定された間隔でレンズを通過します。後方頂点距離はビームごとに決定され、BVD平均(mm)とBVD誤差値はレンズ屈折機能の定量的尺度として生成されます。この情報はグラフィカルに表示され、BVD は X 軸に、ビーム位置は Y 軸に表示されます。ビームがレンズの後ろの一貫した点に鋭く集束されるほど(C)、光学品質の低いレンズ(D)と比較して、計算されたBVD誤差値は小さくなります。略語: BVD = 後方頂点の距離。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図2:ラノステロール懸濁液がウシのレンズ光学品質に及ぼす影響。 後方頂点の距離の変動は、レンズが光を 1 点に屈折させる能力を反映しています。ラノステロール処理レンズの光学品質は、未処理の中等レンズおよびビヒクル制御レンズの光学品質と同様でした(p > 0.05)(n = 6)。データは平均±標準偏差で表されます。略語: BVD = 後方頂点の距離。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図3:ウシ水晶体の代謝活性に対するラノステロール懸濁液の影響。 ビヒクル懸濁ラノステロール治療(n = 6)への曝露後の代謝インジケーターの相対蛍光によって定量化されたウシレンズの平均代謝活性。データは平均±標準偏差で表されます。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図4:ウシレンズの光学品質に対する塩化ベンザルコニウムの影響。 BAK 0.0075% に 10 分間曝露すると、治療レンズ内の後部頂点距離の変動が徐々に増加しました (n = 3)。曝露後4日で治療された対照レンズと中対照レンズの間で有意な差が認められ、また、治療されたレンズでは露光前と露光後のスキャンポイントの間で差が認められた(p < 0.05)。データは平均±標準偏差で表されます。略語: BVD = 後方頂点の距離;BAK =塩化ベンザルコニウム。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図5:ウシの水晶体の代謝活性に対する塩化ベンザルコニウムの影響。 代謝活動のエンドポイントは、BAK 0.0075%(n = 3)への10分間の曝露の4日後に測定されました。代謝活性の変化は対照とは有意に異なっていた(p > 0.05)。データは平均±標準偏差で表されます。略語:BAK=塩化ベンザルコニウム。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
このプロトコルの目的は、初代組織培養におけるレンズに対する化学物質または環境曝露の影響を直接評価することです。まず、レンズを解剖し、光学品質のためにスキャンします。コンタミネーションの防止と解剖品質の確保は非常に重要です。レンズは定期的にスキャンされ、対照群または露光前条件に対する屈折機能の変化を継続的に監視します。代謝活性アッセイは、曝露が細胞代謝に影響を与えたかどうかを判断するためのエンドポイントを表します。これらは、生体異物または環境条件が重大な毒性を引き起こし、白内障につながる可能性があるかどうか、およびこの治療から水晶体が回復する可能性があるかどうかを判断するための重要なステップです。
レンズは、それぞれの培養チャンバー内で光学品質のためにスキャンされます。レンズはチャンバー内で試験物質に曝露することもできますが、このプロトコルの制限の1つは、レンズが浸透圧の変化に敏感であり、血清で継続的に栄養を与え、適切な培地内に維持する必要があることです。これは、曝露間隔が長い、または培地28内での溶解性が低い処理にとって課題となる。このアッセイではビデオイメージングを使用するため、不溶性粒子が多量に含まれる懸濁液は散乱を引き起こす可能性がありますが、これはレンズの性能を示すものではありません。ラノステロール懸濁液を使用して代表的なデータを作成した条件は、プロトコルが特定の低濃度懸濁液を許容できることを示しています。培養ウシの水晶体はヒトの水晶体21の応答と相関することが以前に示唆されてきたが、UV濾過、加齢に伴う圧縮、およびリン脂質含有量を含むがこれらに限定されない主要な違いにより、このプロトコルが前臨床試験で適切に使用される物質の範囲が制限される29,30。
眼毒性試験には、化合物の安全性と耐性の全体像を決定するための大規模な試験が必要であり、臨床試験に進む前にin vitroおよび動物試験から始まります。ウシレンズアッセイは、非破壊的で数分以内に簡単に実施できるため、レンズをスキャンできる回数に対して高いスループットを持っています。ただし、多数のレンズをテストすると、目からレンズを解剖するのに時間がかかるため、スループットが低下する可能性があります。レーザースキャナーの使用は、モルモット、魚、ブタ、ラット、およびひよこのレンズ31,32,33,34,35を研究するために、より広く使用されています。理想的には、前臨床試験の結果は、ヒトの安全性と潜在的なリスクについての洞察を提供します。この点では、人間のレンズが最も有用であるが、人間と動物のレンズは必然的に異なる場合もある36が、屠殺場が提供するレンズは、利用可能な資源と倫理のバランスをとるのに役立つ。このプロトコールは、治療に反応したレンズの細胞状態と機能的状態の両方を試験するための、感度、再現性、非毒性、および客観的なin vitro法です。
眼毒性試験に関する現在の in vivo 標準と比較して、レンズレーザースキャナーは、潜在的に有毒な曝露がレンズに及ぼす影響を直接評価します。水晶体と角膜の発生学的組織起源が共通していること、および透明度や屈折などの機能的類似性により、水晶体の一次培養物は眼の刺激性に適したモデルを表しています。レンズレーザースキャナーの予備的な検証研究では、ドレイズテストに関して同等の結果が示されており、生きた動物に不快感を与えることなく、より感度が高いことさえ示されています18。これらの結果は、オブザーバーの解釈なしに、さらに客観的に収集されます。
レンズレーザースキャナーアッセイの測定は、 in vivoでのレンズの自然な機能に直接関連しています。また、角膜や細胞株を培養するアッセイとは異なり、開発された長期細胞培養法によりウシの水晶体は屈折機能を維持し、レンズをその環境に維持しながら光学品質アッセイを行うことができます。その結果、試験自体がレンズを損傷した結果として単一のエンドポイントを生成する他のアッセイとは異なり、光学品質アッセイは、レンズを最大1000時間24まで成功裏に培養しながら繰り返し実施することができる。
水晶体は、前皮細胞と表在皮質線維細胞を除いて、大部分がオルガネラを欠いているため、これらの細胞は水晶体全体に対してオルガネラ機能を果たす37。したがって、細胞の変化と水晶体白内障の誘導との間の関係を理解することは、in vitroおよびin vivoで観察された15,19。水晶体の代謝活性は、基本的に前皮単分子膜の活性を表します。レサズリンと同様のアッセイ、例えば、MTT、XTT、MTS、およびWSTを含むテトラゾリウム塩が利用可能ですが、レサズリンは、一次レンズ培養と高い適合性を持つ無毒で高感度のアッセイを提供します。沈殿した結晶の可溶化を必要とするMTTとは異なり、レサズリンプロトコルには溶解を誘導する可能性のある溶液は含まれません。さらに、細胞培養研究は、レサズリンエンドポイントがテトラゾリウム塩アッセイ38よりも感度が高いことを示唆している。
この方法は、さまざまな化学的および環境的曝露に対する眼組織および光学デバイスとしてのレンズの応答をモデル化するように設計されています。この調査で選ばれた代表的な化合物は、眼科用溶液の防腐剤である塩化ベンザルコニウムと、白内障に対する薬学的介入を見つける取り組みの一環として以前に研究されたステロールであるラノステロールです。結果は、防腐剤に反応したレンズストレスと、ラノステロールに対する有意な反応がないことを示しました。この方法は、白内障の潜在的な薬物治療の毒性を研究するためにさらに使用できます。
著者には、開示すべき利益相反はありません。
このプロジェクトの資金を提供してくれた自然科学工学研究評議会(NSERC)とカナダ検眼教育信託基金(COETF)に感謝します。
Name | Company | Catalog Number | Comments |
(2-Hydroxypropyl)-β-cyclodextrin | Sigma-Aldrich | H107 | Powder |
1 L bottle-top filtration system | VWR | 97066-204 | Full Assembly, bottle-top, 0.2 μm |
100 mm Petri dish | VWR | 89022-320 | Slippable, media saver style, sterile |
12 well-plate | Corning | 353043 | Sterile, clear-bottom |
35 mm petri dish | VWR | 25373-041 | Falcon disposable petri dishes, sterile, Corning |
96 well-plate | VWR | 29442-072 | Sterile, clear-bottom |
Alamar blue (resazurin) | Fischer Scientific | DAL1100 | Molecular Probes cell viability reagent |
Benzalkonium chloride solution | Sigma-Aldrich | 63249 | 50% in H20 |
Biosafety cabinet | |||
Cytation 5 plate reader | BioTek | CYT5MPV | Cell imaging multi-mode reader |
Fetal bovine serum | ThermoFischer Scientific | 12484028 | Qualified, heat inactivated, Canada |
HEPES | Sigma-Aldrich | H3375 | For cell culture, powder |
Incubator | |||
Lanosterol | Sigma-Aldrich | L5768 | ≥93%, powder |
L-glutamine | Sigma-Aldrich | For cell culture, powder | |
Medium (M-199) | Sigma-Aldrich | M3769 | Modified, with Earle′s salts, without L-glutamine, sodium bicarbonate, and phenol red, powder, suitable for cell culture |
Pasteur pipettes | 5 3/4'', with and without cotton | ||
Penicillin-Streptomycin | ThermoFischer Scientific | 15140122 | Liquid (10,000 U/mL) |
Phospate buffer saline (PBS) | liquid, sterile, suitable for cell culture | ||
Pipette tips (100 µL, 1,000 µL, 5,000 µL) | VWR | Sterile | |
ScanTox (lens laser-scanner) | Specially developed in-house | N/A | Scans lens with a laser to determine lens optical quality |
ScanTox culture chamber | Specially developed in-house | N/A | Holds bovine lens in place during testing and culturing |
Sodium bicarbonate | Sigma-Aldrich | S5761 | For cell culture, powder |
Sodium hydroxide | Sigma-Aldrich | S2770 | 1.0 N, BioReagent, suitable for cell culture |
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