Avaliações estruturais in vivo de doenças oculares em modelos de roedores utilizando tomografia de coerência óptica
Summary
Aqui, descrevemos o uso da tomografia de coerência óptica de domínio espectral (SD-OCT) para visualizar estruturas retinianas e oculares in vivo em modelos de degeneração da retina, glaucoma, retinopatia diabética e miopia.
Abstract
A tomografia de coerência óptica de domínio espectral (SD-OCT) é útil para visualizar estruturas retinianas e oculares in vivo. Em pesquisa, o SD-OCT é uma ferramenta valiosa para avaliar e caracterizar alterações em uma variedade de modelos de doenças e lesões retinianas e oculares. Em modelos de degeneração retiniana induzida pela luz, o SD-OCT pode ser usado para rastrear o afinamento da camada fotorreceptora ao longo do tempo. Em modelos de glaucoma, o SD-OCT pode ser usado para monitorar a diminuição da camada de fibras nervosas da retina e da espessura total da retina e para observar a ventosa do nervo óptico após a indução da hipertensão ocular. Em roedores diabéticos, o SD-OCT ajudou os pesquisadores a observar a diminuição da espessura total da retina, bem como a diminuição da espessura de camadas específicas da retina, particularmente a camada de fibras nervosas da retina com a progressão da doença. Em modelos de miopia em camundongos, o SD-OCT pode ser usado para avaliar parâmetros axiais, como alterações de comprimento axial. As vantagens do SD-OCT incluem imagens in vivo de estruturas oculares, a capacidade de rastrear quantitativamente as mudanças nas dimensões oculares ao longo do tempo e sua rápida velocidade de varredura e alta resolução. Aqui, detalhamos os métodos do SD-OCT e mostramos exemplos de seu uso em nosso laboratório em modelos de degeneração da retina, glaucoma, retinopatia diabética e miopia. Os métodos incluem anestesia, imagens SD-OCT e processamento das imagens para medições de espessura.
Introduction
A tomografia de coerência óptica de domínio espectral (SD-OCT) é uma modalidade de imagem precisa e de alta resolução que permite que clínicos e pesquisadores examinem estruturas oculares de forma não invasiva. Essa técnica de imagem baseia-se na interferometria para capturar imagens tridimensionais da retina in vivo em escala microscópica 1,2. Tornou-se uma das modalidades de imagem mais utilizadas na pesquisa da visão e na clínica, devido à fácil detecção e precisão de características patológicas, como defeitos estruturais e/ou afinamento das camadas retinianas e do líquido sub-retiniano3. Em pesquisas utilizando modelos animais de distúrbios relacionados à visão, a SD-OCT forneceu análises não invasivas essenciais das relações entre estrutura e função e suas origens histopatológicas4. Devido à sua resolução (até 2-3 mícrons, dependendo da profundidade no olho5), o SD-OCT tem a capacidade de detectar até mesmo pequenas alterações na espessura da camada da retina. Esse tipo de análise pode fornecer informações essenciais para a progressão da doença e avaliar a eficácia de métodos e tratamentos neuroprotetores para distúrbios relacionados à visão.
O DS-OCT é uma alternativa não invasiva ao exame histológico da estrutura, e os dois demonstraram estar correlacionados6. Embora o SD-OCT não atinja a resolução celular, ele permite estudos longitudinais em animais. Isso é vantajoso porque a progressão da doença pode ser rastreada em animais individuais ao longo do tempo, em vez de ter que sacrificar animais em pontos de tempo específicos. À medida que as técnicas de imagem continuam a melhorar, a tecnologia SD-OCT também progredirá, proporcionando melhor qualidade de imagem, bem como a capacidade de avaliar processos biológicos, como a função dos vasos sanguíneos da retina, em detalhes. Mesmo desde o seu advento em 1991, a tecnologia SD-OCT tem visto enormes avanços em resolução, velocidade e sensibilidade7.
O presente estudo utiliza um sistema SD-OCT para quantificar alterações nas camadas da retina em modelos de roedores de degeneração da retina, glaucoma e retinopatia diabética. O sistema SD-OCT usado aqui é um sistema OCT de domínio Fourier que utiliza luz infravermelha próxima de baixa potência para adquirir, processar e armazenar imagens resolvidas em profundidade em tempo real. O sistema SD-OCT tem capacidade de imagem de profundidade estendida na faixa de comprimento de onda de 800 nm, fornecendo 8 mm de profundidade e resolução de 4 μm. Na detecção do domínio de Fourier, o sinal de interferência entre a luz dispersa do tecido e um caminho de referência é transformado de Fourier para construir varreduras axiais e/ou perfis de profundidade axial de intensidade dispersa8. Para os estudos aqui, o feixe OCT é escaneado sobre a estrutura da retina desejada enquanto adquire varreduras axiais em série. Normalmente, um padrão de varredura adquire a grade bidimensional (B-Scans) como uma coleção de linhas de varredura unidimensionais lineares (A-Scans), que correspondem a imagens transversais 2D usando um padrão de varredura raster. Para estudos focados na miopia em camundongos, esse sistema também é usado para medir as dimensões das estruturas oculares (por exemplo, espessura da córnea, espessura da lente, profundidade da câmara vítrea e comprimento axial).
O sistema atual permite que os usuários projetem seus próprios protocolos, criando varreduras que podem ser adaptadas e selecionadas com base nas estruturas oculares de interesse. As principais varreduras apresentadas nesses protocolos definidos pelo usuário tornam essa técnica de imagem fácil de usar. Para análises de imagens, desenvolvemos programação personalizada em um programa de modelagem matemática. O SD-OCT é uma ferramenta poderosa para identificar e quantificar de forma não invasiva as alterações patomorfológicas nas estruturas oculares e monitorar a progressão da doença relacionada à visão.
Protocol
Representative Results
Discussion
A imagem de alta resolução de estruturas oculares in vivo permite a avaliação das alterações retinianas e oculares ao longo do tempo. Neste protocolo, a SD-OCT demonstrou capturar diferenças nas estruturas oculares in vivo em modelos de degeneração da retina, glaucoma, retinopatia diabética e miopia.
O aspecto mais crítico ao realizar o SD-OCT é a obtenção de uma imagem clara da retina ou de outra estrutura ocular de interesse. É importante ter tempo para se certificar de que a …
Divulgaciones
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabalho foi apoiado pelo Department of Veterans Affairs Rehab R&D Service Career Development Awards (CDA-1, RX002111; CDA-2; RX002928) para RSA, Prêmio de Mérito (RX002615) e Prêmio de Cientista de Carreira de Pesquisa (RX003134) para MTP, Prêmio de Desenvolvimento de Carreira (CDA-2, RX002342) para AJF, EY028859 para MTP, NEI Core Grant P30EY006360, Pesquisa para Prevenir a Cegueira e Fundação de Combate à Cegueira.
Materials
| 1% tropicamide | Sandoz | Sandoz #6131403550; NDC- 24208-585-59 | |
| 0.5% tetracaine | Alcon | NDC 0065-0741-12 | |
| AIM-RAS G3 120 V | Leica Bioptigen | 90-AIMRAS-G3-120 | Specialized platform to hold the OCT Scanner Head for mice |
| Celluvisc gel | REFRESH CELLUVISC | #4554; NDC-0023-4554-30 | |
| G3 18 mm Telecentric Lens | Leica Bioptigen | 90-BORE-G3-18 | |
| G3 Mouse Lens | Leica Bioptigen | 90-BORE-G3-M | |
| G3 Rat Lens | Leica Bioptigen | 90-BORE-G3-R | |
| heating pad | Fabrication | 11-1130 | |
| InVivoVue software | Leica Bioptigen | Specialized software that pairs with the Leica Bioptigen SD-OCT system | |
| MATLAB | Mathworks | mathematical modeling program | |
| Mouse/Rat Kit | Leica Bioptigen | 90-KIT-M/R | Mouse/rat rodent alignment system |
| saline | ADDIPAK | 200-39 | |
| System Envisu R4300 VHR 120 V | Leica Bioptigen | 90-R4300-V1-120 | SD-OCT system |
Referencias
- Wojtkowski, M., et al. Ultrahigh-resolution, high-speed, Fourier domain optical coherence tomography and methods for dispersion compensation. Optics Express. 12 (11), 2404-2422 (2004).
- Nassif, N., et al. In vivo high-resolution video-rate spectral-domain optical coherence tomography of the human retina and optic nerve. Optics Express. 12 (3), 367-376 (2004).
- Theelen, T., Teussink, M. M. Inspection of the Human Retina by Optical Coherence Tomography. Methods in Molecular Biology. 1715, 351-358 (2018).
- Nakazawa, M., Hara, A., Ishiguro, S. I. Optical Coherence Tomography of Animal Models of Retinitis Pigmentosa: From Animal Studies to Clinical Applications. Biomed Research International. 2019, 8276140 (2019).
- Drexler, W., et al. Ultrahigh-resolution ophthalmic optical coherence tomography. Nature Medicine. 7 (4), 502-507 (2001).
- VanLeeuwen, J. E., et al. Altered AMPA receptor expression with treadmill exercise in the 1-methyl-4-phenyl-1,2,3,6-tetrahydropyridine-lesioned mouse model of basal ganglia injury. Journal of Neuroscience Research. 88 (3), 650-668 (2010).
- Tian, J., et al. Performance evaluation of automated segmentation software on optical coherence tomography volume data. Journal of Biophotonics. 9 (5), 478-489 (2016).
- Kraus, M. F., et al. Motion correction in optical coherence tomography volumes on a per A-scan basis using orthogonal scan patterns. Biomedical Optics Express. 3 (6), 1182-1199 (2012).
- Boatright, J. H., et al. Tool from ancient pharmacopoeia prevents vision loss. Molecular Vision. 12, 1706-1714 (2006).
- Morrison, J. C., et al. A rat model of chronic pressure-induced optic nerve damage. Experimental Eye Research. 64 (1), 85-96 (1997).
- Feola, A. J., et al. Menopause exacerbates visual dysfunction in experimental glaucoma. Experimental Eye Research. 186, 107706 (2019).
- Goto, Y., Kakizaki, M., Masaki, N. Production of spontaneous diabetic rats by repetition of selective breeding. The Tohoku Journal of Experimental Medicine. 119 (1), 85-90 (1976).
- Allen, R. S., et al. Retinal Deficits Precede Cognitive and Motor Deficits in a Rat Model of Type II Diabetes. Investigative Ophthalmolology & Visual Science. 60 (1), 123-133 (2019).
- Stone, R. A., et al. Altered ocular parameters from circadian clock gene disruptions. PLoS One. 14 (6), 0217111 (2019).
- Chakraborty, R., et al. Circadian rhythms, refractive development, and myopia. Ophthalmic & Physiological Optics. 38 (3), 217-245 (2018).
- Davies, E. C., et al. Retinal ganglion cell layer volumetric assessment by spectral-domain optical coherence tomography in multiple sclerosis: application of a high-precision manual estimation technique. Journal of Neuro-ophthalmology. 31 (3), 260-264 (2011).
- Carnevali, A., et al. Optical coherence tomography angiography analysis of retinal vascular plexuses and choriocapillaris in patients with type 1 diabetes without diabetic retinopathy. Acta Diabetologica. 54 (7), 695-702 (2017).
- Springelkamp, H., et al. Population-based evaluation of retinal nerve fiber layer, retinal ganglion cell layer, and inner plexiform layer as a diagnostic tool for glaucoma. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 55 (12), 8428-8438 (2014).
- Allen, R. S., et al. Long-Term Functional and Structural Consequences of Primary Blast Overpressure to the Eye. Journal of Neurotrauma. 35 (17), 2104-2116 (2018).
- Zhao, D., et al. Age-related changes in the response of retinal structure, function and blood flow to pressure modification in rats. Scientific Reports. 8 (1), 2947 (2018).
- Schmucker, C., Schaeffel, F. A paraxial schematic eye model for the growing C57BL/6 mouse. Vision Research. 44 (16), 1857-1867 (2004).
- Aung, M. H., Kim, M. K., Olson, D. E., Thule, P. M., Pardue, M. T. Early visual deficits in streptozotocin-induced diabetic long evans rats. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 54 (2), 1370-1377 (2013).
- Puzyeyeva, O., et al. High-Resolution Optical Coherence Tomography Retinal Imaging: A Case Series Illustrating Potential and Limitations. Journal of Ophthalmology. 2011, 764183 (2011).
- Liu, A. S., et al. Topography and pachymetry maps for mouse corneas using optical coherence tomography. Experimental Eye Research. 190, 107868 (2020).
- Mohan, K., Kecova, H., Hernandez-Merino, E., Kardon, R. H., Harper, M. M. Retinal ganglion cell damage in an experimental rodent model of blast-mediated traumatic brain injury. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 54 (5), 3440-3450 (2013).
- Harper, M. M., et al. Blast-Mediated Traumatic Brain Injury Exacerbates Retinal Damage and Amyloidosis in the APPswePSENd19e Mouse Model of Alzheimer’s Disease. Investigative Ophthalmology Visual Science. 60 (7), 2716-2725 (2019).
- Zhang, M., et al. Advanced image processing for optical coherence tomographic angiography of macular diseases. Biomedical Optics Express. 6 (12), 4661-4675 (2015).
- Muhlfriedel, R., et al. Optimized Subretinal Injection Technique for Gene Therapy Approaches. Methods in Molecular Biology. 1834, 405-412 (2019).
- Adekunle, A. N., et al. Integration of Perforated Subretinal Prostheses With Retinal Tissue. Translational Vision Science & Technology. 4 (4), 5 (2015).
- Sajdak, B. S., et al. Noninvasive imaging of the tree shrew eye: Wavefront analysis and retinal imaging with correlative histology. Experimental Eye Research. 185, 107683 (2019).
- Dominik Fischer, M., et al. Detailed functional and structural characterization of a macular lesion in a rhesus macaque. Documenta Ophthalmologica. 125 (3), 179-194 (2012).
- Hagag, A. M., Gao, S. S., Jia, Y., Huang, D. Optical coherence tomography angiography: Technical principles and clinical applications in ophthalmology. Taiwan Journal of Ophthalmology. 7 (3), 115-129 (2017).
- Treister, A. D., et al. Prevalence of Subclinical CNV and Choriocapillaris Nonperfusion in Fellow Eyes of Unilateral Exudative AMD on OCT Angiography. Translational Vision Science & Technology. 7 (5), 19 (2018).
