The mouse eye: ocular phentyping

36
The Mouse Eye: Ocular Phenotyping (in 15 minutes or less) Gillian C. Shaw, DVM, MS September 28, 2013 [email protected]

Transcript of The mouse eye: ocular phentyping

Page 1: The mouse eye: ocular phentyping

The  Mouse  Eye:  Ocular  Phenotyping  (in  15  minutes  or  less)  

Gillian  C.  Shaw,  DVM,  MS  September  28,  2013  

[email protected]  

Page 2: The mouse eye: ocular phentyping

Disclaimer  

•  Probably  people  in  the  room  are  more  qualified  than  me  to  give  this  lecture!  

•  Please  speak  up  and  correct  me  if  I  say  something  that  is  inaccurate  

•  Or  add  Rdbits  where  you  feel  they’re  needed  

Page 3: The mouse eye: ocular phentyping

Mouse  models  of  eye  disease  

•  Can  be  used  to  model  many  (but  not  all)  eye  diseases  that  are  relevant  to  humans  

•  They  lack  a  macula  &  fovea,  so  exact  macular  diseases  can’t  be  modeled  – Can  induce  lesions  in  the  mouse  reRnas  that  are  relevant  to  various  macular  diseases  in  humans  (ex.  choroidal  neovascularizaRon)  

•  Large  lens  &  small  globe  size  make  treatment  tesRng  difficult  (injecRons,  implants)  

Page 4: The mouse eye: ocular phentyping

Mouse  models  of  eye  disease  

•  Spontaneous  &  induced  geneRc  models  – Rd1  mouse,  knock-­‐out/knock-­‐in/transgenic  

•  Induced/environmental  disease  models  

– O]en  combined  with  geneRc  models  to  discern  pathogenesis  of  a  disease  

Page 5: The mouse eye: ocular phentyping

EvaluaRon  Methods  

•  Antemortem  –  Morphological:  

•  Gross  exam  •  Slit  lamp  exam  •  Fundus  exam  

–  Indirect  ophthalmoscopy  –  OpRcal  Coherence  

Tomography  

•  MRI/CT  scan  

–  FuncRonal  •  OptokineRc  device  •  ElectroreRnogram,  VEPs  •  Fluorescein  angiography  

•  Postmortem/Morphology  –  H&E  –  EM  –  IHC  –  ReRnal  flat-­‐mount  

•  Cell  specific  markers  •  Vascular  lesions  

–  Dissociated  whole  reRnal  cultures  or  immuno-­‐selected  cells  

Page 6: The mouse eye: ocular phentyping

ReRnal    Analysis  

•  ReRnal  Imaging  Microscopy  System  allows  ‘in-­‐vivo  microscopy’  •  White  light  imaging  mice  and  rats,  fluorescein  angiography,  

diabeRc  reRnopathy,  reRnoblastoma,  reRniRs  pigmentosa,  choroidal  neovascularizaRon  &  anterior  segment  slit-­‐lamp  

•  Live  animal  GFP  &  YFP  fluorescent  studies  also  possible  

Page 7: The mouse eye: ocular phentyping

R-4300 for Greatest Depth, R-2200 for Greatest Resolution

R4300  Whole  Eye   R2200  Posterior   R2200  Anterior   R2200  Periphery  

Histology  

SD-­‐OCT  

7  

Mouse  

Page 8: The mouse eye: ocular phentyping

MagneRc  Resonance  Imaging  (MRI)  

Bogom  images:  Analysis  of  postnatal  eye  development  in  the  mouse  with  high-­‐resoluRon  small  animal  magneRc  resonance  imaging.  Tkatchenko  TV,  Shen  Y,  Tkatchenko  AV.  Invest  Ophthalmol  Vis  Sci.  2010  Jan;51(1):21-­‐7.  

Page 9: The mouse eye: ocular phentyping

ReRnal  FuncRon:  ElectroreRnogram  

(ERG)  

ON  ON  

3rd  order  neurons  

Cone  Rod  

Bipolar  cells  OFF  

Page 10: The mouse eye: ocular phentyping

Visual  funcRon:  OptokineRc  Device  

Cell  transplantaRon  as  a  treatment  for  reRnal  disease.  Lund  RD,  Kwan  AS,  Keegan  DJ,  Sauvé  Y,  Coffey  PJ,  Lawrence  JM.  Prog  ReRn  Eye  Res.  2001  Jul;20(4):415-­‐49.  

Page 11: The mouse eye: ocular phentyping

Normal  Mouse  Eye  

hgp://www.deltagen.com/target/histologyatlas/HistologyAtlas.html  

Page 12: The mouse eye: ocular phentyping

Whole  Globe:  GeneRc  Models  

•  Buphthalmos  (whole  eye)  

•  Axial  myopia  (single  axis)  •  Anophthalmos  

•  Microphthalmos  Increased  ocular  levels  of  IGF-­‐1  in  transgenic  mice  lead  to  diabetes-­‐like  eye  disease.  Jesús  Ruberte,  Eduard  Ayuso,  Marc  Navarro,  Ana  Carretero,  Víctor  Nacher,  Virginia  Haurigot,  Mónica  George,  CrisRna  Llombart,  Alba  Casellas,  CrisRna  Costa,  Assumpció  Bosch,  FaRma  Bosch.  J  Clin  Invest.  2004;  113(8):1149–1157.  

Cataracts  and  microphthalmia  caused  by  a  Gja8  mutaRon  in  extracellular  loop  2.  Xia  CH,  Chang  B,  Derosa  AM,  Cheng  C,  White  TW,  Gong  X.  PLoS  One.  2012;7(12):e52894.  

IGF-­‐1  ocular  overexpression  

Gja8  (connexin)  mutant  

Page 13: The mouse eye: ocular phentyping

Anophthalmia  &  Microphthalmia  •  C57BL  mice  known  for  small  or  absent  eyes  •  Frequency  varies  from  1  to  10%  depending  on  background  strain  –  Females  and  right  eyes  affected  more  o]en  than  males  &  le]  eyes  

•  Gene(s)  have  not  been  idenRfied  •  Also  more  suscepRble  to  ocular  infecRons  because  of  abnormal  flushing  of  ocular  surface  

•  Microphthalmia  and  associated  abnormaliRes  in  inbred    black  mice.  Smith  RS,  Roderick  TH,  Sundberg  JP.  Lab                                                                                  

Anim  Sci.  1994  Dec;44(6):551-­‐60.      

hgps://database.riken.jp/sw/en/microphthalmia_model_mouse/crib16s27rib16s2i/  

Page 14: The mouse eye: ocular phentyping

Induced  Corneal  Injury  •  Alkali  burn  

– Bugon  of  filter  paper  soaked  with  1N  NaOH  applied  to  cornea  of  anestheRzed  mice  

hgp://www.deltagen.com/target/histologyatla

s/HistologyAtlas.html  

Effects  of  topical  administraRon  of  12-­‐methyl  tetradecanoic  acid  (12-­‐MTA)  on  the  development  of  corneal  angiogenesis.  Cole  N,  Hume  EB,  Jalbert  I,  Vijay  AK,  Krishnan  R,  Willcox  MD.  Angiogenesis.  2007;10:47–54.  

Normal  Cornea  

Page 15: The mouse eye: ocular phentyping

Induced  Corneal  Injury  •  Fusarium  keraRRs  model  

– Contact  lens  with  adherent  Fusarium  applied  to  abraded  mouse  eye  

hgp://www.deltagen.com/target/histologyatla

s/HistologyAtlas.html  

A  murine  model  of  contact  lens-­‐associated  Fusarium  keraRRs.  Sun  Y,  Chandra  J,  Mukherjee  P,  Szczotka-­‐Flynn  L,  Ghannoum  MA,  et  al.  Invest  Ophthalmol  Vis  Sci.  2009;51:1511–1516.  

Normal  Cornea  

Page 16: The mouse eye: ocular phentyping

Modeling  Dry  Eye    (keratoconjuncRviRs  sicca)  

•  Experimental  reduced  lacrimaRon  –  Scopolamine  patch  applied  to  tail  

–  Botulinum  toxin  injecRon  into  lacrimal  gland  

–  with  or  without  environmental  change  (low  humidity,  increased  air  movement)   Inflammatory  cytokine  expression  on  the  ocular  surface  in  the  Botulium  toxin  

B  induced  murine  dry  eye  model.  Zhu  L,  Shen  J,  Zhang  C,  Park  CY,  Kohanim  S,  Yew  M,  Parker  JS,  Chuck  RS.  Mol  Vis.  2009;15:250-­‐8.  

Fluorescein  staining  (punctate  green)  on  damaged  corneal  surface  (A,  B,  C)  compared  to  normal  (D,  E,  F)  a]er  botulinum  toxin  induced  dry  eye  

Page 17: The mouse eye: ocular phentyping

Fuchs  Endothelial  Corneal  Dystrophy  Model  

•  Mice  with  knock-­‐in  mutaRon  of  the  alpha  2  collagen  8  gene    –  Progressive  alteraRons  in  

corneal  endothelial  morphology  

–  Cell  loss  &  basement  membrane  gugae  

An  alpha  2  collagen  VIII  transgenic  knock-­‐in  mouse  model  of  Fuchs  endothelial  corneal  dystrophy  shows  early  endothelial  cell  unfolded  protein  response  and  apoptosis.  Jun  AS,  Meng  H,  Ramanan  N,  Maghaei  M,  ChakravarR  S,  Bonshek  R,  et  al.  Hum  Mol  Genet.  2012;21:384–393.  

WT  WT  Mut  Mut  Corneal  orientaRon  

Page 18: The mouse eye: ocular phentyping

UnintenRonally  induced  cataracts  

Time  course  of  cold  cataract  development  in  anestheRzed  mice.  Bermudez  MA,  Vicente  AF,  Romero  MC,  Arcos  MD,  Abalo  JM,  Gonzalez  F.  Curr  Eye  Res.  2011  Mar;36(3):278-­‐84.  

Acute  reversible  cataract  induced  by  xylazine  and  by  ketamine-­‐xylazine  anesthesia  in  rats  and  mice.  Calderone  L,  Grimes  P,  Shalev  M.  Exp  Eye  Res.  1986  Apr;42(4):331-­‐7.  

CAN  be  unilateral.    ARE  reversible.  

Page 19: The mouse eye: ocular phentyping

•  N-­‐acetyl-­‐p-­‐benzoquinone  imine  (NAPQI)  =  acetaminophen  metabolite  –  Intracameral  (AC)  injecRon  of  

NAPQI  elicits  increase  in  free  Ca2+  in  lens  epithelium,  calpain  acRvaRon  &  lens  opacificaRon  

•  UVR-­‐B  induced  cataract  development  

Naphthoquinone-­‐Induced  cataract  in  mice:  possible  involvement  of  Ca2+  release  and  calpain  acRvaRon.  Qian  W,  Shichi  H.  J  Ocul  Pharmacol  Ther.  2001  Aug;17(4):383-­‐92.  

UVR-­‐B  induced  cataract  development  in  C57  mice.  Meyer  LM,  Söderberg  P,  Dong  X,  Wegener  A.  Exp  Eye  Res.  2005  Oct;81(4):389-­‐94.  

The  lens  is  prone  to  arRfact  in  processing  for  histologic  imaging,  so  imaging  the  lens  antemortem  with  a  slit  lamp    and/or  imaging  dissected  lenses  immediately  a]er  euthanasia  is  most  reliable.  

IntenRonally  induced  cataracts  

Page 20: The mouse eye: ocular phentyping

WT  

GeneRc  and  allelic  heterogeneity  of  Cryg  mutaRons  in  eight  disRnct  forms  of  dominant  cataract  in  the  mouse.  Graw  J,  Neuhäuser-­‐Klaus  A,  Klopp  N,  Selby  PB,  Löster  J,  Favor  J.  Invest  Ophthalmol  Vis  Sci.  2004  Apr;45(4):1202-­‐13.  

Cataract  Models  WT   Mut  

Page 21: The mouse eye: ocular phentyping

Glaucoma  

•  What  is  glaucoma?  – More  complicated  than  just  elevated  intraocular  pressure  

– Loss  of  reRnal  ganglion  cells  (RGCs)  with  opRc  nerve  degeneraRon/atrophy  

•  Induced  Models  – Bead  injecRon,  dexamethasone  injecRon  

•  GeneRc  Models  – DBA/2J  mouse,  MYOC  mutant  mouse  

Page 22: The mouse eye: ocular phentyping

IOP  Measurement    in  Mice  

•  AC  needle  vs  tonolab  •  AnestheRcs  affect  IOP  (inhalaRonal)  •  Hold  mouse  too  Rght  affects  IOP  

•  Corneal  issues  affect  Tonolab  CalibraRon  of  the  TonoLab  tonometer  in  mice  with  spontaneous  or  experimental  glaucoma.  Pease  ME,  Cone  FE,  Gelman  S,  Son  JL,  Quigley  HA.  Invest  Ophthalmol  Vis  Sci.  2011  Feb  22;52(2):858-­‐64.  

Page 23: The mouse eye: ocular phentyping

Induced  glaucoma:  bead  injecRon  

DifferenRal  suscepRbility  to  experimental  glaucoma  among  3  mouse  strains  using  bead  and  viscoelasRc  injecRon.  F.E.  Cone,  S.E.  Gelman,  J.L.  Son,  M.E.  Pease,  H.A.  Quigley.  Exp.  Eye  Res.,  91  (2010),  pp.  415–424.  

Bead  injected,  axon  loss  in  opRc  nerve  

Non-­‐injected  eye,  normal  axon  density  in  opRc  nerve  

CalibraRon  of  the  TonoLab  tonometer  in  mice  with  spontaneous  or  experimental  glaucoma.  Pease  ME,  Cone  FE,  Gelman  S,  Son  JL,  Quigley  HA.  Invest  Ophthalmol  Vis  Sci.  2011  Feb  22;52(2):858-­‐64.  

Page 24: The mouse eye: ocular phentyping

ReRnal  Disease  

•  Neural  reRna  (reRnal  degeneraRon,  RD)  –  Direct  effect  on  

reRnal  neurons  –  ReRnal  pigmented  

epithelium  (RPE)  with  secondary  effects  on  neural  reRna  

•  Vascular  diseases    –  DiabeRc  reRnopathy  

(DR)  –  Age-­‐related  macular                                                                                    

degeneraRon  (AMD)  

hgp://www.bio.miami.edu/tom/courses/protected/bil265/reRna.jpg  

Page 25: The mouse eye: ocular phentyping

(Neural)  ReRnal  DegeneraRons  

•  Induced  – Light  induced  reRnal  degeneraRon  – N-­‐methyl-­‐N-­‐nitrosurea  (MNU)  

•  GeneRc  Models  – Spontaneous  – Transgenic  – Many  examples  of  both  

Page 26: The mouse eye: ocular phentyping

Induced  ReRnal  DegeneraRons  •  Light  induced  reRnal  degeneraRon  

– Bright  light  exposure  with  dilated  pupils  

The  Rpe65  Leu450Met  variaRon  increases  reRnal  resistance  against  light-­‐induced  degeneraRon  by  slowing  rhodopsin  regeneraRon.  Wenzel  A,  Reme  CE,  Williams  TP,  Hafezi  F,  Grimm  C.  J  Neurosci.  2001;21:53–58.  

Balb/C  No  exposure  

Balb/C  8  hrs  light  exposure  

Page 27: The mouse eye: ocular phentyping

Induced  ReRnal  DegeneraRons  •  N-­‐methyl-­‐N-­‐nitrosurea  (MNU)  

–  Single  systemic  dose  causes  photoreceptor  apoptosis  and  reRnal  degeneraRon  within  days  

Animal  models  for  reRniRs  pigmentosa  induced  by  MNU;  disease  progression,  mechanisms  and  therapeuRc  trials.  Tsubura  A,  Yoshizawa  K,  Kuwata  M,  Uehara  N.  Histol  Histopathol.  2010  Jul;25(7):933-­‐44.  

Page 28: The mouse eye: ocular phentyping

GeneRc  reRnal  degeneraRon:  Rd1  (Pde6brd1)  mutaRon  

•  Develop  normal  photoreceptors  that  then  rapidly  degenerate  in  the  3rd  post-­‐natal  week  –  Complete  blindness  by  4  weeks  of  age  

•  C3H/HeJ,  CBA/J,  FVB/NJ,  SJL/J,  SWR/J  – Many  others  –  FVB/N  of  parRcular  concern  because  they  are  o]en  used  to  make  targeted  mutants  because  of  their  large  pronucleus  

•  hgp://eyemutant.jax.org/index.html  –  Complete  list  of  strains  carrying  the  rd1  mutaRon  

Page 29: The mouse eye: ocular phentyping

ReRnal  DegeneraRon  Models  

ReRnal  degeneraRon  mutants  in  the  mouse.  Chang  B,  Hawes  NL,  Hurd  RE,  Davisson  MT,  Nusinowitz  S,  Heckenlively  JR.  Vision  Res.  2002  Feb;42(4):517-­‐25.  

Page 30: The mouse eye: ocular phentyping

Vascular  eye  disease  models  

•  Age-­‐related  macular  degeneraRon  – Dry  =  drusen  deposiRon  between  choroid  &  RPE  

– Wet  =  vascular  problem  caused  by  unhappy  (hypoxic)  cell  signalling  

•  DiabeRc  reRnopathy  &  ReRnopathy  of  prematurity  –  Pathogenesis  similar  to  wet  AMD  

hgp://jirehdesign.com/eye-­‐illustraRons/eye-­‐condiRons-­‐illustraRons/co0069.html  

Page 31: The mouse eye: ocular phentyping

Age-­‐related  “Macular”  degeneraRon    (AMD)  models  

•  Mice  make  imperfect  animal  models  of  AMD  because  they  lack  a  macula  –  i.e.  no  perfect  single  model  available  

•  But  many  hallmarks  of  AMD  in  humans  can  be  modeled  in  various  mouse  models  

•  There  are  many  examples  of  geneRc  and  induced  (and  combinaRons  of  the  two)  models    

•  Example:  –  SOD1  -­‐/-­‐  mouse  (superoxide  dismutase)  [wet  AMD]  

Page 32: The mouse eye: ocular phentyping

SOD1  deficient  mice  

Drusen,  choroidal  neovascularizaRon,  and  reRnal  pigment  epithelium  dysfuncRon  in  SOD1-­‐deficient  mice:  a  model  of  age-­‐related  macular  degeneraRon.  Imamura  Y,  Noda  S,  Hashizume  K,  Shinoda  K,  Yamaguchi  M,  Uchiyama  S,  Shimizu  T,  Mizushima  Y,  Shirasawa  T,  Tsubota  K.  Proc  Natl  Acad  Sci  U  S  A.  2006  Jul  25;103(30):11282-­‐7.  

Choroidal  neovascularizaRon  (CNV)    =  vessels  invade  through  Bruch’s  membrane  and  into  the  RPE  &  reRna.    CNV  vessels  are  abnormal  and  leaky.  

Page 33: The mouse eye: ocular phentyping

DiabeRc  ReRnopathy  

•  C57BL/6JIns2Akita  mice  (mutn  in  insulin  2  gene)  •  diffusion  of  fluorescently  labeled  BSA  into  the  adjacent  

parenchyma  of  a  blood  vessel    •  (le]  image  =  cross  secRon,  2  right  images  =  reRnal  flat  mounts)  

Pigment  epithelium-­‐derived  factor  (PEDF)  pepRde  eye  drops  reduce  inflammaRon,  cell  death  and  vascular  leakage  in  diabeRc  reRnopathy  in  Ins2(Akita)  mice.  Liu  Y,  Leo  LF,  McGregor  C,  GriviRshvili  A,  Barnstable  CJ,  Tombran-­‐Tink  J.  Mol  Med.  2012  Dec  20;18:1387-­‐401.    

Untreated  Akita  mouse   Untreated  Akita  mouse   Treated  Akita  mouse  

Page 34: The mouse eye: ocular phentyping

Oxygen-­‐induced  ReRnopathy  (OIR)  Netrin-­‐1  overexpression  in  oxygen-­‐induced  reRnopathy  correlates  with  breakdown  of  the  blood-­‐reRna  barrier  and  reRnal  neovascularizaRon.  Tian  XF,  Xia  XB,  Xiong  SQ,  Jiang  J,  Liu  D,  Liu  JL.  Ophthalmologica.  2011;226(2):37-­‐44.    

The  mouse  reRna  as  an  angiogenesis  model.  Stahl  A,  Connor  KM,  Sapieha  P,  Chen  J,  Dennison  RJ,  Krah  NM,  Seaward  MR,  Willeg  KL,  Aderman  CM,  Guerin  KI,  Hua  J,  Löfqvist  C,  Hellström  A,  Smith  LE.  Invest  Ophthalmol  Vis  Sci.  2010  Jun;51(6):2813-­‐26.  

P7  mice  are  exposed  to  75%  oxygen,  which  induces  loss  of  immature  reRnal  vessels  and  slows  development  of  the  normal  reRnal  vasculature,  leading  to  a  central  zone  of  vaso-­‐obliteraRon  (VO).  A]er  returning  mice  to  room  air  at  P12,  the  central  avascular  reRna  becomes  hypoxic,  triggering  both  normal  vessel  regrowth  and  a  pathologic  formaRon  of  extrareRnal  neovascularizaRon  (NV).  

Page 35: The mouse eye: ocular phentyping

Strain  Differences  

•  Inbred  mice  can  carry  background  disease  that  can  influence  ocular  phenotype:  – 1.  Systemic  disease  can  affect  the  eye  – 2.  Known  geneRc  defects  (such  as  Pde6brd1)  – 3.  Congenital  abnormaliRes  that  may  be  polygenic  (microphthalmia  in  black  mice)  

– 4.  SuscepRbility  genes  that  alter  the  response  to  an  external  sRmulus  

Richard  S.  Smith  (2001).  SystemaGc  EvaluaGon  of  the  Mouse  Eye:  Anatomy,  Pathology,  and  Biomethods  (Research  Methods  For  Mutant  Mice).  (Simon  W.  M.  John,  Patsy  M.  Nishina,  John  P.  Sundberg,  Eds).  New  York:  CRC  Press.  

Page 36: The mouse eye: ocular phentyping

QuesRons?