小鼠视网膜作为不断演化的模型系统：从分层解剖到细胞类型分辨的再生修复

《Experimental Eye Research》：The Mouse Retina as an Evolving Model System: From Layered Anatomy to Cell-Type-Resolved Regenerative Repair

　　•三个方法论时代展示了小鼠视网膜如何成为因果模型。
•四个方法框将核心视网膜技术转化为实用指南。
•RGC轴突修复从存活到目标再连接进行评估。
•光感受器治疗与疾病阶段和残余回路相匹配。
•修复声明需要功能、安全性和跨物种证据。

引言

哺乳动物视网膜属于中枢神经系统，但特别易于进行光学成像、基因操作、手术和功能测试。在哺乳动物模型中，小鼠视网膜特别有用，因为可以结合成熟的基因工具、特征明确的疾病品系、病毒递送和定量生理学读数来研究层状解剖结构。本综述探讨了连续的方法如何改变了可解决的生物学和转化问题，以及该模型在哪些方面仍然不足（Carter-Dawson和LaVail，1979；Ivanova等，2010；Benchorin等，2017；Xia和Guo，2023）。

小鼠视网膜最早的作用是解剖学方面的。定量光学和电子显微镜确立了其视杆细胞主导的光感受器镶嵌结构和层状细胞组织，而比较形态学提供了将细胞位置、树突分层和突触区域与功能联系起来的词汇。这一遗产使小鼠特别适用于暗视觉和视杆细胞主导的退行性疾病研究，但缺乏黄斑和中央凹限制了直接外推至人类中枢视网膜疾病（Carter-Dawson和LaVail，1979）。

随后，解剖学发展为生理学。电子显微镜、微电极记录和视网膜电图（ERG）将视网膜层与信号传导通路联系起来。光感受器和双极细胞中的带状突触揭示了持续神经递质释放的特化机制（Heidelberger等，2005）。全视野ERG提供了一种非侵入性方法，将光感受器活性、感受器后信号传导和胶质细胞贡献与整个视网膜功能联系起来（Benchorin等，2017；Bhatt等，2023）。ERG还为该领域提供了比较突变、药物干预、基因治疗、光遗传学策略和再生尝试的共同基线。

基因模型随后增加了因果控制。自然发生的视网膜退行性突变体如rd1和rd10使光感受器死亡可重复且可实验分期（Chang等，2002；Han等，2013）。通过条件遗传学、Cre-LoxP策略、报告基因品系和腺相关病毒（AAV）递送，小鼠视网膜可用于将基因与特定细胞类型、疾病窗口、功能缺陷和治疗挽救联系起来（Ivanova等，2010；Xia和Guo，2023）。这本身并未使该模型具有临床预测性，但确实允许在定义的视网膜回路中测试分子扰动和靶向干预。

进一步的转变来自对 intrinsically photosensitive retinal ganglion cells（ipRGCs）和光遗传学的研究。ipRGCs的发现表明，哺乳动物的光检测不限于视杆和视锥细胞。表达黑视素的神经节细胞支配参与昼夜节律同步和其他非成像反应的脑区，并能内在响应光照（Berson等，2002；Hattar等，2002）。光遗传学恢复策略通过将微生物或工程视蛋白引入存活的视网膜内神经元，在治疗上扩展了这一概念（Bi等，2006；Lagali等，2008）。在本综述中，“可编程视觉接口”仅指将光敏性工程性重新分配给存活的视网膜神经元；不意味着完全重建天然光感受器介导的计算。

单细胞和空间分析为这一解剖学和生理学传统增添了分子分辨率。基于液滴的单细胞RNA测序实现了大规模无偏细胞采样；类别特异性和全视网膜图谱随后将分子程序与形态学、发育、连接性、功能和损伤反应联系起来（Macosko等，2015；Shekhar等，2016；Tran等，2019；Hahn等，2023；Li等，2024）。基于MERFISH的空间分析将这些身份放回层状坐标系中，并揭示了单独解离无法保留的区域和邻域结构（Choi等，2023）。

在体成像在此被视为纵向工具，而非独立的模型类别。光学相干断层扫描（OCT）、OCT血管成像（OCTA）和双光子成像允许在同一动物中反复追踪视网膜层、血管网络、退行性变化和细胞行为（Kim等，2008；Huber等，2009；Shah等，2016；Wang等，2021）。这种时间信息对于解释疾病进展、治疗挽救和修复持久性尤为有用。

再生工作将这些线索汇集在一起。替换光感受器、保留残余回路、重编程米勒胶质细胞或恢复工程光敏性的策略都需要解剖定位、分子身份、功能整合、基因控制和纵向评估。在小鼠中证明米勒胶质细胞可被实验性重编程以产生视杆光感受器的工作提供了有用的原理验证，但应将其解读为哺乳动物再生屏障可被扰动的证据，而非成年人类视网膜中可实现类似内源性再生的证据。剩余障碍包括稳定的命运转换、正确的层状定位、突触特异性、长期安全性以及在人类相关系统中的验证（Yao等，2018）。

本综述面向三类重叠的读者。进入视网膜研究的研究生和研究者可以阅读第2节“小鼠视网膜研究的三个方法论时代”、第3节“层状解剖作为视网膜研究的第一个坐标系”、第4节“从解剖学到生理学：小鼠视网膜作为功能性神经回路”，作为解剖学如何成为可测量的回路功能的编年史和概念图。方法使用者可以使用第3节、第4节、第5节“基因可操作性和疾病建模：小鼠视网膜作为因果实验系统”和第8节“小鼠视网膜的在体成像与纵向评估”中的四个方法框，作为实验设计、报告和解释的检查清单。转化研究者可以直接进入第5节、第6节“扩展视觉定义：ipRGCs、光遗传学和视网膜输出的功能重分配”以及第9节“再生修复与分期匹配治疗设计”，其中递送、细胞状态定义、RGC轴突再生和分期匹配的光感受器治疗根据明确的证据阶梯进行评估。因此，目标既是历史的也是实用的：解释方法如何改变了该领域，以及其输出应如何结合。

范围和文献方法。这是一篇选择性叙述性综述，而非系统综述或荟萃分析。我们优先考虑改变了实验逻辑、建立了可重复小鼠范式或实质性改变了治疗证据解释的研究。基础性论文在定义持久概念时保留；后期原始研究用于细胞类型分辨率、当前能力和未解决的局限性。RPE、脉络膜、免疫、血管和神经血管工作在其改变神经视网膜损伤、递送、退行性变化、成像或修复解释时被纳入，但全面覆盖这些部分超出了范围。

图1和表1总结了小鼠视网膜的这六种实验用途。图1提供概述，而表1将每种用途与其核心问题、代表性方法、主要见解、领域级影响和代表性文献联系起来。再生修复身份现在包括细胞导向策略和视神经损伤后的RGC轴突再生。在体成像被视为横切纵向方法，加强功能评估、疾病建模和再生修复。

章节摘录

小鼠视网膜研究的三个方法论时代

只有能解释实验推断的变化，编年史才有用。小鼠视网膜的历史可分为三个重叠时代，每个时代由一个新的坐标系定义：组织架构、因果基因可及性以及细胞解析状态加纵向观察。边界是近似的，因为较老的方法在较新的方法到来后仍然至关重要。

层状解剖作为视网膜研究的第一个坐标系

经典解剖学为小鼠视网膜研究提供了第一个坐标系。在视网膜可以作为回路、疾病模型、分子图谱或修复靶点研究之前，必须将其映射为有组织的神经组织。细胞体、突触区和轴突输出排列成层状序列，遵循视觉处理方向：光感受器在外层视网膜捕获光，中间神经元在中间层转换信号，视网膜神经节细胞

从解剖学到生理学：小鼠视网膜作为功能性神经回路

电生理学和超微结构分析将视网膜解剖与信号流联系起来。视网膜层不再仅仅是解剖区室；它们可以作为神经回路中的功能站进行研究。ONL标记光子捕获，OPL标记第一次突触传递，INL标记信号发散和中间神经元计算，IPL标记平行通路整合，GCL标记向大脑的输出。这一转变使研究者不仅能问视网膜细胞位于何处，还能

基因可操作性和疾病建模：小鼠视网膜作为因果实验系统

视网膜遗传学改变了可在小鼠眼中测试的内容。一旦视觉功能可测量，研究者就可以问为什么特定的视网膜细胞会失败，哪些基因启动退行性变化，疾病如何通过层状回路传播，以及靶向干预是否改变该轨迹。自然发生的退行性突变体、条件遗传学、报告基因品系和病毒递送使得连接基因、细胞类型、疾病阶段、回路失败和治疗

扩展视觉定义：ipRGCs、光遗传学和视网膜输出的功能重分配

基因模型使视网膜退行性变化在实验上可操作。对ipRGCs和视网膜光遗传学的研究通过拓宽光感受的生物学定义和残余视网膜回路的治疗用途，以不同方式改变了该领域。ipRGCs表明哺乳动物的光检测不限于视杆和视锥细胞。光遗传学表明，在光感受器退行性变化后，存活的视网膜内神经元可以被赋予工程光敏性。这些发现并不

细胞类型解析图谱和视网膜细胞身份

单细胞和空间转录组学技术通过向解剖学、生理学、发育、连接性、功能和疾病易感性添加分子信息，改变了视网膜分类。经典形态学通过层、细胞形状和突触区域定义视网膜；电生理学将功能附加到这些层；连接组学和发育研究增加了进一步的标准。单细胞基因组学贡献了有助于指定、区分和维持细胞类型的分子程序。

小鼠视网膜的在体成像与纵向评估

经典组织学使小鼠视网膜作为层状结构可见，电生理学使其作为回路可测量，遗传学使其作为疾病模型可解释。在体成像增加了同一动物中的随访。OCT、OCTA、自适应光学成像和双光子显微镜允许在不依赖终点组织学的情况下研究视网膜结构、血管重塑、炎症、治疗挽救和再生整合（Kim等，2008；Huber等，2009；

再生修复与分期匹配治疗设计

再生修复汇集了上述许多标准。修复后的视网膜需要正确放置的细胞、稳定的分子身份、功能整合、基因或细胞控制，以及结构挽救随时间持续的证据。单一技术无法确立这一点。解剖学定义了新生或挽救细胞必须驻留的位置。电生理学测试它们是否有助于信号流。基因工具实现命运操作和治疗递送。

结论与展望

小鼠视网膜研究通过三个重叠的方法论时代发展。定量组织学确立了层状、视杆细胞主导的组织；生理学和遗传学将该图谱转化为因果、可测量的回路和可重复的损伤模型；细胞解析组学加上纵向成像现在连接身份、状态、空间和时间。当前的治疗挑战是整合这些方法，而不将不同结果合并为单一修复声明。

CRediT作者贡献声明

Gang Wang：方法论、调查、正式分析、数据管理。Zhijie Li：写作—审阅与编辑、监督、资源、项目管理、资金获取、概念化

未引用参考文献

Jo等，2022。

利益冲突声明

作者声明，他们没有已知的可能影响本论文所报告工作的竞争经济利益或个人关系。

利益冲突声明

所有作者声明无利益冲突。

提交声明与验证

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稿件准备过程中生成式AI和AI辅助技术的声明

在准备本工作期间，作者使用AI工具支持语言编辑、稿件组织和引用交叉检查，并使用OpenAI Image 2.0生成图1和图4的初始解释性概念。所有四张图随后在Figdraw中制备和定稿。使用这些工具后，作者根据需要对其内容进行了审阅、编辑和科学验证，并对出版物的内容承担全部责任。资金信息本研究得到国家自然科学基金（NSFC）资助，基金编号为82671346和82171014，并由河南省眼科研究所/河南省眼科医院基础科学项目资助，基金编号为21JCZD001（授予Z.L.）。资金来源本研究得到国家自然科学基金（NSFC）资助，基金编号为82671346、82171014，并由河南省眼科研究所/河南省眼科医院基础科学项目资助，基金编号为21JCZD001（授予Z.L.）。利益冲突声明? 作者声明，他们不存在已知的竞争性经济利益或个人关系，这些关系可能影响本文所报告的工作。Gang Wang|Zhijie Li