CN109321629A - 一种采用离体角膜器官评价光损伤的体外方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种采用离体角膜器官评价光损伤的体外方法,其特征是包括以下步骤:(1)离体角膜的制备和维持:无菌环境下分离动物离体眼球完整角膜,并固定于专用的生物膜夹持器中,生物膜夹持器填充相应的培养液,置于培养箱中孵育;(2)光损伤模型的制备:卸下生物膜夹持器前室玻璃片,暴露角膜上皮;(3)药物干预:选择受试物干预的模式和时间;(4)评价指标的测量:测量角膜厚度、角膜浑浊度、角膜上皮渗透性、氧化应激或炎症相关指标,还包括对角膜进行组织学分析;(5)结果分析:对所选指标进行处理,并做数据分析。本方法具有成本低、通量高、可重复、不额外牺牲动物等优点,可以对多种受试物进行快速评价。
Description
技术领域
本发明涉及一种采用离体角膜器官评价光损伤的体外方法。
背景技术
日常生活中,人类的眼睛暴露于紫外光后可诱发光对角膜的损伤作用,尤其是长时间暴露在阳光下(接触高剂量紫外线)会造成眼睛损伤,损伤包括白内障、黄斑变性、结膜黄斑、翼状胬肉和角膜炎。
UVA更接近可见光,能量比UVB和UVC低。但是UVA射线可以通过角膜到达眼睛内的晶状体和视网膜。过度暴露于UVA辐射与某些类型的白内障的发展有关,UVA射线可能在黄斑变性的发展中起作用。角膜几乎吸收了90%以上的UVB,在高短期剂量下,UVB射线也会引起光角膜炎,或称光角膜晒伤,是一种角膜疼痛的炎症反应。
在高海拔地区,长时间在海滩或滑雪时,可能导致严重的光角膜炎,称为“雪盲症”,通常持续24-48小时可以导致暂时性视力丧失,并伴有疼痛。而工人(如电焊工)职业暴露于工业高强度UV,容易造成角膜炎或结膜炎等损伤。
光毒性物质由于吸收光子,被激活后释放能量或者刺激机体产生自由基,从而引起机体局部损伤效应。角膜直接暴露于光线下,环境中的水溶性或脂溶性外源化学物接触于眼睛后,可能诱发眼光毒性效应,对角膜和眼球产生有害相应。
目前眼科研究通常采用动物模型(兔子)进行,且缺乏公认一致的毒理学评价方法。传统动物实验的缺点包括:主观性/重复性差、物种差异、周期长、成本高、通量低、使用活体动物造成动物痛苦死亡等。
目前,以体外技术为核心的试验方法,逐渐被许多国家和地区的监管部门所接收和认可。美国替代方法研究评价中心(ICCVAM)提出了一系列非动物测试方法。全球范围内多个地区和国家通过法规禁止/部分禁止或限制动物试验的进行。目前开发了多种眼刺激体外方法,用于取代原有的兔子眼刺激/腐蚀性测试,但是尚无眼光毒性/光损伤的体外评价方法。
体外方法是根据体内眼光损伤发生的机理开发的,角膜直接暴露于UV,可直接导致角膜基质粘多糖裂开,并且改变其生理功能。离体角膜来源于废弃的动物眼球组织,不需要额外牺牲动物,天然角膜与人体角膜接近,离体角膜在短期内可以维持正常生理活性,可以模拟角膜光暴露,且成本低、结果稳定。牛角膜浑浊度渗透性试验是OECD认可的替代方法之一,用于取代传统兔眼试验,用于眼损伤的分类和标示,其应用广泛,数据被多方所接受。
实际生活中,眼球可能接触到多种外源化学物和紫外线,角膜作为眼球最外层直接接触紫外线,紫外线可直接或间接(激活光毒物)造成光损伤,而评估光损伤的保护和修复作用的模型目前尚未成型,也缺乏评价眼光毒物的方法。目前基于离体角膜眼光损伤模型未见相关专利和文献报道。
发明内容
本发明所要解决的技术问题,就是提供一种采用离体角膜器官评价光损伤的体外方法,利用离体动物角膜的光损伤模型,评价受试物质对光损伤角膜的保护和修复作用,或者用于眼光毒性的评价,本方法具有成本低、通量高、可重复、不额外牺牲动物等优点,可以对多种受试物进行快速评价。
解决上述技术问题,本发明采用如下技术方案来实现的:
一种采用离体角膜器官评价光损伤的体外方法,其特征是包括以下步骤:
(1)离体角膜的制备和维持
无菌环境下分离动物离体眼球完整角膜,并固定于专用的生物膜夹持器中,生物膜夹持器填充相应的培养液,置于培养箱中孵育;
(2)光损伤模型的制备
卸下生物膜夹持器前室玻璃片,暴露角膜上皮;
(3)药物干预
根据研究目的和药物作用,选择受试物干预的模式和时间;
(4)评价指标的测量
根据研究目的和药物作用,选择指标包括测量角膜厚度、角膜浑浊度、角膜上皮渗透性、氧化应激或炎症相关指标,还包括对角膜进行组织学分析;
(5)结果分析
根据暴露模式,对所选指标进行处理,并做数据分析。
所述的步骤(1)中的动物离体眼球组织为牛眼球、猪眼球或羊眼球之类畜牧业或养殖业中废弃的动物眼球组织,动物的年龄范围在12个月至60个月内,在动物死亡2h内进行眼球摘取,短暂保存于4℃、含抗生素的无菌HBSS缓冲液中,6h内运输回实验室进行试验;专用生物膜夹持器指的是申请人公司开发的生物膜夹持器(专利号:ZL 2006 20019463.7),培养箱温度32±1℃,湿度40-70%,孵育1-2h,培养液为含1%小牛血清的MEM培养基。
所述的步骤(2)具体为:采用太阳光模拟仪或紫外辐照仪,优先选择紫外光(UV)进行暴露,同时监测UVA、UVB的强度,暴露时间30分钟到240分钟;暴露环境温度32±1℃,湿度40-70%。
所述的步骤(3)受试物应在原始状态下进行测试,或者采用应用液或浓缩液进行,或根据实际要求选择合适的测试浓度(>0,≤100%);前提是需要保证受试物并不直接对角膜产生有害作用;如需要用到相应的溶剂,应选为无菌水/生理盐水、培养液或其他可以证明对角膜无损伤的溶剂,受试物加样体积为0.5-2mL。
所述的步骤(3)根据研究目的和药物作用差异,受试物暴露模式有3种:光损伤前,光损伤中和光损伤后;暴露时间10分钟至240分钟,优选进行1-5个浓度的暴露,每次评价至少进行3次独立测试。
所述的步骤(4)评价指标的测量,角膜厚度优选采用A型超声测量,角膜基质优选浊度仪测量,角膜上皮渗透性优选荧光素漏出法测量(荧光素钠浓度0.5-5%),作为光刺激性评价指标。
所述的步骤(4)评价指标的测量,氧化应激指标选择SOD、MDA、ROS、GSH-Px、或过氧化氢酶,炎症指选择IL-1α、IL-1β或TNF-α炎症因子或促炎症因子;收集生物膜夹持器后室液体或者角膜组织匀浆液,根据商品化的检测试剂盒说明书进行相应指标的分析。
所述的步骤(5)最终数据采用均数±标准差表示,试验组与空白组/对照组进行比较,差异在2倍或以上,或者经统计学单因素方差分析差异具有统计学意义者,判定为指标阳性结果;每个类型的指标出现2种或以上阳性结果时,具有阳性作用效应,如抗氧化、抗炎、抗光刺激等,参考化学物或类似化学物的理化信息等已知信息,权重评价指标,以获得更加可靠的预测。
本发明具有如下有益效果:
(1)本发明使用离体动物角膜组织,其结构接近人体天然角膜,结果可信度高、重复性好,且角膜来源于无需额外牺牲活体动物,符合3Rs原则;
(2)本发明通过UV暴露制备光损伤模型,符合实际暴露情况,具有科学性;
(3)本发明采用多方面指标,可作为毒性筛查或者药理研究;
(4)本发明建立的方法可以代替活体动物试验,直接用于评价化学品、日化品、药品、医疗器械等眼光损伤的研究;
具体实施方式
实施例1基于离体牛角膜的光损伤模型的建立
1、实验材料的准备
1.1溶液的配制
1.1.1HBSS溶液:商品化购买(购自Sigma),使用前加入青霉素(100IU/mL)和链霉素(100IU/mL)。
1.1.2MEM培养基:商品化购买(购自Sigma),使用前加入1%胎牛血清(购自Gibco)。
1.1.3荧光素钠溶液:准确称取荧光素钠(购自Sigma)0.125g,加入25mL DPBS溶液,配制成0.5%荧光素钠溶液,4℃避光保存8周。
1.2试验器械的准备:所有取牛眼球的器械和分离角膜的器械都需要经过无菌或消毒处理。
1.3受试物准备:生理盐水。
1.4培养条件:温度32±1℃,湿度40-70%
1.5离体牛眼球的获取:由屠宰场经培训的工作人员摘取,并立即放入冰冷HBSS中,完成后运输回实验室。
2试验过程
2.1离体角膜的制备和维持
2.1.1检查眼球,弃去任何肉眼可见损伤或病变的眼球。以手术刀在角膜外2-3mm孔膜处做一小切口,剪刀环切下角膜,外周保留2-3mm巩膜,夹住巩膜,以镊子轻轻剥离玻璃体和虹膜,完整分离角膜。
2.1.2将角膜上皮朝上置于生物膜夹持器后室,放上并固定前室。随后加入MEM培养基,排空气泡。再次检查角膜有无异常,弃去任何异常角膜。将生物膜夹持器水平放置于培养箱中孵育1.5h。
2.2角膜浑浊度测量:取出含角膜的生物膜夹持器,更换新鲜培养液。采用德国BASF角膜浊度仪,记录每个角膜照度值,并随机分为3组,每组10个角膜。
2.3光暴露:去除前室液体,卸下玻璃片,加入生理盐水0.5mL,将夹持器竖直放置于紫外光下,调整距离和暴露时间,使之达到所需剂量。相应的对照组采用相同的暴露时间,但不进行紫外光照。
2.4冲洗:暴露结束后用培养液冲洗角膜3次,重新填充前室培养液,再次测量角膜浑浊度。
2.5荧光素漏出:吸弃前室液体,加入1mL 0.5%荧光素钠溶液,竖直放置,在培养箱中孵育90min。收集后室液体,充分混匀,取200μL后室液体,在490nm波长读取吸光度值(OD490)。
3数据分析
3.1计算
浊度变化值ΔOP=OP暴露后-OP暴露前
荧光素渗透值OD490=受试物OD490-平均阴性对照OD490
3.2角膜基质和上皮功能评价
在本次试验条件下,随着暴露时间的延长,对照组OP和OD490并未出现明显变化,而模型组在UVA暴露下,OP有明显的增加,且呈现剂量依赖性,但OD490并无明显增加。显示不同剂量的紫外光会对角膜产生损伤。
实施例2基于离体牛角膜的光损伤模型评价光毒性物质
1、实验材料的准备
1.1溶液的配制
1.1.1HBSS溶液:商品化购买(购自Sigma),使用前加入青霉素(100IU/mL)和链霉素(100IU/mL)。
1.1.2MEM培养基:商品化购买(购自Sigma),使用前加入1%胎牛血清(购自Gibco)。
1.1.3荧光素钠溶液:准确称取荧光素钠(购自Sigma)0.125g,加入25mL DPBS溶液,配制成0.5%荧光素钠溶液,4℃避光保存8周。
1.1.4组织匀浆液:含0.01mol/L Tris,0.001mol/L EDTA-Na2,0.01mol/L蔗糖,8g/L NaCl,调节pH至7.4。
1.2试验器械的准备:所有取牛眼球的器械和分离角膜的器械都需要经过无菌或消毒处理。
1.3受试物准备:样品、生理盐水。
1.4培养条件:温度32±1℃,湿度40-70%
1.5离体牛眼球的获取:由屠宰场经培训的工作人员摘取,并立即放入冰冷HBSS中,完成后运输回实验室。
2试验过程
2.1离体角膜的制备和维持
2.1.1检查眼球,弃去任何肉眼可见损伤或病变的眼球。以手术刀在角膜外2-3mm孔膜处做一小切口,剪刀环切下角膜,外周保留2-3mm巩膜,夹住巩膜,以镊子轻轻剥离玻璃体和虹膜,完整分离角膜。
2.1.2将角膜上皮朝上置于生物膜夹持器后室,放上并固定前室。随后加入MEM培养基,排空气泡。再次检查角膜有无异常,弃去任何异常角膜。将生物膜夹持器水平放置于培养箱中孵育1.5h。
2.2角膜浑浊度测量:取出含角膜的生物膜夹持器,更换新鲜培养液。采用德国BASF角膜浊度仪,记录每个角膜照度值,并随机分为3组,每组10个角膜。
2.3光暴露:去除前室液体,卸下玻璃片,加入不同浓度受试物0.5mL,将夹持器竖直放置于紫外光下,调整距离和暴露时间。
2.4冲洗:暴露结束后用培养液冲洗角膜3次,重新填充前室培养液,再次测量角膜浑浊度。
2.5荧光素漏出:吸弃前室液体,加入1mL 0.5%荧光素钠溶液,竖直放置,在培养箱中孵育90min。收集后室液体,充分混匀,取200μL后室液体,在490nm波长读取吸光度值(OD490)。
2.6SOD测定:将角膜剪碎后置于离心管中加入19倍体积的组织匀浆液,冰箱研磨匀浆,制备5%角膜组织匀浆,4℃低温离心10min(3000r/min),取上清液备用。考马斯亮蓝法做蛋白定量,用SOD试剂盒测定SOD含量。
3数据分析
3.1计算
根据仪器说明书,计算浊度值,浊度变化值ΔOP=OP暴露后-OP暴露前
荧光素渗透值OD490=受试物OD490-平均阴性对照OD490
SOD相对含量(%):各组SOD含量/空白对照组SOD含量×100
3.2结果分析
在本次试验条件下,模型组与空白对照组相比,OP值、OD值和SOD相对含量均未变现出明显变化。样品对照组在不同浓度下,OP值和OD值变化不明显,但SOD相对含量随样品浓度升高而降低。在样品组中,角膜膜OP值和OD值均出现了不同程度的升高,而SOD相对含量显著降低。从数据可以看出,角膜在受试物和紫外线同时暴露下,角膜的基质和上皮组织均出现了较明显的损伤,表现为OP值和OD值升高,而SOD相对含量明显下降也显示出了角膜受到明显的氧化损伤。对比样品组和样品对照组可以发现,受试物在接受紫外辐照后对角膜产生了明显的损伤作用,可能由于紫外光的照射使受试物转变为激发态,而产生的光毒性效应。
4结论:该模型可以用于眼光毒性物质的快速筛查。
实施例3基于离体牛角膜的光损伤模型评价海藻糖的保护作用
1、实验材料的准备
1.1溶液的配制
1.1.1HBSS溶液:商品化购买(购自Sigma),使用前加入青霉素(100IU/mL)和链霉素(100IU/mL)。
1.1.2MEM培养基:商品化购买(购自Sigma),使用前加入1%胎牛血清(购自Gibco)。
1.1.3组织匀浆液:含0.01mol/L Tris,0.001mol/L EDTA-Na2,0.01mol/L蔗糖,8g/L NaCl,调节pH至7.4。
1.2试验器械的准备:所有取牛眼球的器械和分离角膜的器械都需要经过无菌或消毒处理。
1.3受试物准备:生理盐水(NS)、维生素C溶液(VitC)不同浓度的海藻糖溶液。
1.4培养条件:温度32±1℃,湿度40-70%
1.5离体牛眼球的获取:由屠宰场经培训的工作人员摘取,并立即放入冰冷HBSS中,完成后运输回实验室。
2试验过程
2.1离体角膜的制备和维持
2.1.1检查眼球,弃去任何肉眼可见损伤或病变的眼球。以手术刀在角膜外2-3mm孔膜处做一小切口,剪刀环切下角膜,外周保留2-3mm巩膜,夹住巩膜,以镊子轻轻剥离玻璃体和虹膜,完整分离角膜。
2.1.2将角膜上皮朝上置于生物膜夹持器后室,放上并固定前室。随后加入MEM培养基,排空气泡。再次检查角膜有无异常,弃去任何异常角膜。将生物膜夹持器水平放置于培养箱中孵育1.5h。
2.2角膜浑浊度测量:取出含角膜的生物膜夹持器,更换新鲜培养液。采用OP-KIT角膜浊度仪,记录每个角膜浊度值,并随机分为6组,每组10个角膜。
2.3光暴露:去除前室液体,卸下玻璃片,加入不同浓度受试物0.5mL,空白对照组加入NS,阳性对照组加入VitC,将夹持器竖直放置于紫外光下,调整距离和暴露时间,阴性对照组加入NS但不进行光辐照。
2.4冲洗:暴露结束后用培养液冲洗角膜3次,重新填充前室培养液,再次测量角膜浑浊度。
2.5SOD测定:将角膜剪碎后置于离心管中加入19倍体积的组织匀浆液,冰箱研磨匀浆,制备5%角膜组织匀浆,4℃低温离心10min(3000r/min),取上清液备用。考马斯亮蓝法做蛋白定量,用SOD试剂盒测定SOD含量。
3数据分析
3.1计算
浊度变化值ΔOP=OP暴露后-OP暴露前
SOD相对含量(%):各组SOD含量/空白对照组SOD含量×100
3.2结果分析
在本次试验条件下,空白对照组OP值显著高于阴性对照组,同时其SOD相对含量显著低于其阴性对照组,表明空白对照组角膜损伤较严重,光损伤模型造模有效。样品组中,随浓度的升高,角膜浊度值减小,而SOD相对含量升高,结果与阳性对照组维生素C相似。有研究表明海藻糖具有保护蛋白质和稳定SOD的作用,与本研究通过分析海藻糖在紫外暴露下角膜的浑浊度和SOD含量,结果表明,海藻糖对光损伤后的角膜具有一定的保护作用。
Claims (8)
1.一种采用离体角膜器官评价光损伤的体外方法,其特征是包括以下步骤:
(1)离体角膜的制备和维持
无菌环境下分离动物离体眼球完整角膜,并固定于生物膜夹持器中,生物膜夹持器填充相应的培养液,置于培养箱中孵育;
(2)光损伤模型的制备
卸下生物膜夹持器前室玻璃片,暴露角膜上皮;
(3)药物干预
根据研究目的和药物作用,选择受试物干预的模式和时间;
(4)评价指标的测量
根据研究目的和药物作用,选择指标包括测量角膜厚度、角膜浑浊度、角膜上皮渗透性、氧化应激或炎症相关指标,还包括对角膜进行组织学分析;
(5)结果分析
根据暴露模式,对所选指标进行处理,并做数据分析。
2.根据权利要求1所述的采用离体角膜器官评价光损伤的体外方法,其特征是:所述的步骤(1)中的动物离体眼球组织为牛眼球、猪眼球或羊眼球之类畜牧业或养殖业中废弃的动物眼球组织,动物的年龄范围在12个月至60个月内,在动物死亡2h内进行眼球摘取,短暂保存于4℃、含抗生素的无菌HBSS缓冲液中,6h内运输回实验室进行试验;培养箱温度32±1℃,湿度40-70%,孵育1-2h,培养液为含1%小牛血清的MEM培养基。
3.根据权利要求1所述的采用离体角膜器官评价光损伤的体外方法,其特征是:所述的步骤(2)具体为:采用太阳光模拟仪或紫外辐照仪,优先选择紫外光(UV)进行暴露,同时监测UVA、UVB的强度,暴露时间30分钟到240分钟;暴露环境温度32±1℃,湿度40-70%。
4.根据权利要求1所述的采用离体角膜器官评价光损伤的体外方法,其特征是:所述的步骤(3)受试物应在原始状态下进行测试,或者采用应用液或浓缩液进行,或根据实际要求选择合适的测试浓度,要求浓度>0,且≤100%;前提是需要保证受试物并不直接对角膜产生有害作用;如需要用到相应的溶剂,应选为无菌水/生理盐水、培养液或其他可以证明对角膜无损伤的溶剂,受试物加样体积为0.5-2mL。
5.根据权利要求1所述的采用离体角膜器官评价光损伤的体外方法,其特征是:所述的步骤(3)中的受试物暴露模式有3种:光损伤前,光损伤中和光损伤后;暴露时间10分钟至240分钟,优选进行1-5个浓度的暴露,每次评价至少进行3次独立测试。
6.根据权利要求1所述的采用离体角膜器官评价光损伤的体外方法,其特征是:所述的步骤(4)评价指标的测量,角膜厚度选用A型超声测量,角膜基质选用浊度仪测量,角膜上皮渗透性选用荧光素漏出法测量,其中荧光素钠浓度0.5-5%,作为光刺激性评价指标。
7.根据权利要求1所述的采用离体角膜器官评价光损伤的体外方法,其特征是:所述的步骤(4)评价指标的测量,氧化应激指标选择SOD、MDA、ROS、GSH-Px或过氧化氢酶,炎症指选择IL-1α、IL-1β或TNF-α炎症因子或促炎症因子;收集生物膜夹持器后室液体或者角膜组织匀浆液,根据商品化的检测试剂盒说明书进行相应指标的分析。
8.根据权利要求1所述的采用离体角膜器官评价光损伤的体外方法,其特征是:所述的步骤(5)最终数据采用均数±标准差表示,试验组与空白组/对照组进行比较,差异在2倍或以上,或者经统计学单因素方差分析差异具有统计学意义者,判定为指标阳性结果;每个类型的指标出现2种或以上阳性结果时,具有阳性作用效应,包括抗氧化、抗炎和抗光刺激,参考化学物或类似化学物的理化信息已知信息,权重评价指标,获得更加可靠的预测。
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