Summary

Retinal vaskulær reaktivitet som vurderet af optisk kohærens Tomografi Angiografi

Published: March 26, 2020
doi:

Summary

Denne artikel beskriver en metode til måling af retinal vaskulatur reaktivitet in vivo med mennesker ved hjælp af en gas vejrtrækning provokation teknik til at levere vasoaktive stimuli mens erhverve retinale billeder.

Abstract

Den vaskulære forsyning til nethinden har vist sig dynamisk at tilpasse sig gennem vasokonstriktion og vasodilation for at imødekomme de metaboliske krav i nethinden. Denne proces, benævnt retinal vaskulær reaktivitet (RVR), er medieret af neurovaskulær kobling, som er nedsat meget tidligt i retinale vaskulære sygdomme som diabetisk retinopati. Derfor kan en klinisk gennemførlig metode til vurdering af vaskulær funktion være af betydelig interesse i både forskning og kliniske miljøer. For nylig, in vivo billeddannelse af retinal vaskulatur på kapillær niveau er blevet muliggjort af FDA godkendelse af optisk sammenhæng tomografi angiografi (OCTA), en noninvasive, minimal risiko og farveløs angiografi metode med kapillær niveau opløsning. Samtidig har flere efterforskere påvist fysiologiske og patologiske ændringer i RVR. Metoden i dette manuskript er designet til at undersøge RVR ved hjælp af OCTA uden behov for ændringer af de kliniske billedbehandlingsprocedurer eller -udstyr. Det viser realtid serkogning af nethinden og retinal vaskulatur under eksponering for hypercaponiske eller hyperoxiske forhold. Eksamen er let udføres med to medarbejdere på under 30 min med minimal emne ubehag eller risiko. Denne metode kan tilpasses andre oftalmologiske billeddannelsesanordninger, og applikationerne kan variere afhængigt af sammensætningen af gasblandingen og patientpopulationen. En styrke af denne metode er, at det giver mulighed for en undersøgelse af retinal vaskulær funktion på kapillær niveau hos mennesker in vivo. Begrænsninger af denne metode er i vid udstrækning dem af OCTA og andre retinale billeddannelse metoder, herunder billeddannelse artefakter og et begrænset dynamisk område. Resultaterne fra metoden er OCT og OCTA billeder af nethinden. Disse billeder er modtagelige for enhver analyse, der er mulig på kommercielt tilgængelige OCT eller OCTA enheder. Den generelle metode, dog, kan tilpasses til enhver form for oftalmologiske billeddannelse.

Introduction

Den metaboliske efterspørgsel af nethinden er afhængig af en tilstrækkelig og konstant forsyning af ilt fra et velreguleret system af arterioler, kapillærer og venuler1. Flere undersøgelser har vist, at funktionen af større kaliber menneskelige retinale fartøjer kan vurderes in vivo med forskellige fysiologiske2,3,,4,5 og farmakologiske6,7 stimuli. Desuden er unormal funktion af dette vaskulære system almindelig i retinale vaskulære sygdomme såsom diabetisk retinopati, hvor retinal vaskulær reaktivitet (RVR) har vist sig at være svækket selv i sin tidligste stadier8,9 gennem både gas provokation9 og flimrende lys eksperimenter5,10,11. Retinale vaskulære risikofaktorer såsom rygning er også blevet korreleret med nedsat RVR12 og retinal blodgennemstrømning13. Disse fund er vigtige, da de kliniske symptomer på retinal vaskulær sygdom forekommer relativt sent i sygdomsprocessen, og dokumenterede tidlige kliniske sygdomsmarkører mangler14. Således kan vurdering RVR give nyttige foranstaltninger af vaskulær integritet til tidlig vurdering af abnormiteter, der kan indlede eller forværre retinale degenerative sygdomme.

Tidligere RVR eksperimenter har normalt påberåbt sig enheder såsom en laser blod flowmeter9 eller fundus kameraer udstyret med særlige filtre15 for retinal billede erhvervelse. Men disse teknologier er optimeret til større diameter fartøjer såsom arterioler16 og venuler15, som ikke er, hvor gas, mikronæringsstoffer og molekylær udveksling forekomme. En nyere undersøgelse var i stand til at kvantificere RVR af kapillærer ved hjælp af adaptive optik imaging17, men på trods af den forbedrede rumlige opløsning, disse billeder har en mindre felt størrelse og er ikke FDA godkendt til klinisk brug18.

Den seneste fremkomsten af optisk sammenhæng tomografi angiografi (OCTA) har givet en FDA godkendt, noninvasive og farveløs angiografisk metode til vurdering af kapillær niveau ændringer i humane patienter og forsøgspersoner in vivo. OCTA er bredt accepteret i klinisk praksis som et effektivt redskab til vurdering af svækkelse i kapillær perfusion i retinale vaskulære sygdomme som diabetisk retinopati19, retinal venøs okklusioner20, vaskulitis21 og mange andre22. OCTA giver derfor en glimrende mulighed for evaluering af kapillær niveau ændringer, som kan have betydelige rumlige og tidsmæssige heterogenitet23 samt patologiske ændringer, i en klinisk indstilling. Vores gruppe for nylig vist, at OCTA kan bruges til at kvantificere reaktionsevne af retinale fartøjer på kapillær niveau2 til fysiologiske ændringer i inspireret ilt, som er en retinal vasokonstriktive stimulus16,,24,og kuldioxid, som er en retinal vasodilatoriske stimulus3,5.

Målet med denne artikel er at beskrive en protokol, der vil gøre det muligt for læseren at vurdere retinal vaskulær reaktivitet af de mindre arterioler og kapillær seng ved hjælp af OCTA. Metoderne er tilpasset fra dem, der præsenteres i Lu et al.25, der beskrev målingen af cerebrovaskulær reaktivitet med magnetisk resonansbilleddannelse. Selv om de nuværende metoder blev udviklet og anvendt under OCTA billeddannelse2, de gælder for andre retinale imaging enheder med relativt enkle og indlysende ændringer.

Protocol

Denne undersøgelse blev godkendt af University of Southern California Institutional Review Board og overholdt principperne i Helsinki-erklæringen. 1. Opsætning af gas ikke-rebreathing apparater Figur 1: Diagram over det ikke-genåndede apparat. Den fulde opsætning er blevet opdelt i tre separate enheder i henhold til deres funktio…

Representative Results

Resultatet fra dette eksperiment består af manuelle aflæsninger taget fra pulsoximeteret, den timing, der er kendt for gaseksponering eller OCTA-scanning, og de rå OCTA-billeddannelsesdata. Et OCTA-billede består af OCT B-scanninger og det dekorrelationssignal, der er forbundet med hver B-scanning. Dataparametrene er angivet ved enhedens specifikationer. En fejet kilde laser platform OCTA maskine med en central bølgelængde på 1040-1060 nm blev brugt. Billederne giver en tværgående opløsning på 20 μm og en opt…

Discussion

Den netop beskrevne metode er den komplette protokol for et gasvejrtrækningsprovokationseksperiment, der gør det muligt at måle et forsøgsmotivs RVR i et kontrolleret miljø på bestemte tidspunkter uden ændringer af OCTA-billedbehandlingsanordningen og minimal ubehag eller risiko for forsøgspersonen. Denne opsætning er beskrevet på en måde, der giver mulighed for nemme ændringer, der passer til forskerens behov. Det kan rumme yderligere slanger til at passe forskellige klinik værelser og visse elementer såso…

Divulgations

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Dette arbejde blev støttet af NIH K08EY027006, R01EY030564, UH3NS100614, Research Grants fra Carl Zeiss Meditec Inc (Dublin, CA) og Ubegrænset Institut Finansiering fra Forskning for at forhindre blindhed (New York, NY).

Materials

5% CO2 gas [5% CO2, 21% O2, 74% N2] (Compressed) Institution Dependent (Praxair)
Bacdown Disinfectant Detergent Decon Labs 8001 https://deconlabs.com/products/disinfectant-bdd/
Clean-Bor Tubes (35 mm Inner Diameter) Vacumed 1011-108 http://www.vacumed.com/zcom/product/Product.do?compid=27&skuid=1197
Cuff adapter for Douglas bag filling Vacumed 22254 http://www.vacumed.com/zcom/product/Product.do?compid=27&prodid=343
Douglas bag (200-liter capacity) Harvard Apparatus 500942 https://www.harvardapparatus.com/douglas-bag.html
Elbow Joint (Inner Diameter 19mm/ Outer Diameter 22 mm), Modified in House
Fingertip Pulse Oximeter (Pro-Series) CMS CMS 500DL https://www.walmart.com/ip/Pro-Series-CMS-500DL-Fingertip-Pulse-Oximeter-Blood-Oxygen-Saturation-Monitor-with-silicon-cover-batteries-and-lanyard/479049154
Gas Delivery Tube (22 mm Inner Diameter) Modified in House
Gas filling tube (1/8" for compressed gas)
Hydrogen Peroxide Cleaner Disinfectant Wipes Clorox Healthcare 30824 https://www.cloroxpro.com/products/clorox-healthcare/hydrogen-peroxide-cleaner-disinfectants/?gclid=EAIaIQobChMIk-KG4vi15QIVcRh9Ch0NNwLPEAAYASAAEgJIa_D_BwE&gclsrc=aw.ds
Lubricant Eye Drops Refresh Refresh Plus https://www.refreshbrand.com/Products/refresh-plus
Manual Directional Control Valves: Three-Way T-Shape Stopcock Type (Inner Diameter 28.6 mm, Outer Diameter 35 mm) Hans Rudolph 2100C Series www.rudolphkc.com
Medical O2 (Compressed) Institution Dependent
Mouth piece (Silicone, Model #9061) Hans Rudolph 602076 www.rudolphkc.com
OCTA Imaging Device (PLEX Elite 9000) Carl Zeiss Meditec, Dublin, CA, USA https://www.zeiss.com/meditec/int/product-portfolio/optical-coherence-tomography-devices/plex-elite-9000-swept-source-oct.html
Phenylephrine Hydrochloride Ophthalmic Solution, USP 2.5% Paragon Bioteck, Inc NDC 42702-102-15 https://paragonbioteck.com/products/diagnostics/phenylephrine-hydrochloride-ophthalmic-solution-usp-2-5/
Plastic Nose Clip Sterile Foam CS100 Sklar Sterile 96-2951 https://www.sklarcorp.com/disposables/plastic/plastic-nose-clip-sterile-foam-box-of-100.html
Proparacaine Hydrochloride Ophthalmic Solution, USP .5% Bausch + Lomb NDC 24208-730-06 https://www.bausch.com/ecp/our-products/rx-pharmaceuticals/generics
Regulator (tank dependent- 5% CO2: Fisherbrand Mulitstage Gas Cylinder Regulators) Genstar Technologies Company 10575150 https://www.fishersci.com/shop/products/fisherbrand-multistage-cylinder-regulators-22/10575150?keyword=true
Regulator (tank dependent- Oxygen: Fisherbrand Multistage Gas Cylinder Regulators) Genstar Technologies Company 10575145 https://www.fishersci.com/shop/products/fisherbrand-multistage-cylinder-regulators-22/10575145?keyword=true
Rubber Tubing (Inner diameter 19 mm, Outer diameter 27 mm), Made in House
Sealing tape- Parafilm Wrap (2" Wide) Cole Parmer PM992 https://www.coleparmer.com/i/parafilm-pm992-wrap-2-wide-250-ft-roll/0672050?PubID=VV&persist=True&ip=no&gclid=EAIaIQobChMInY3vqomz5QIVfyCtBh1VSg64EAAYASAAEgJ9n_D_BwE
Sterile Alcohol Prep Pads Medline MDS090670 https://www.medline.com/product/Sterile-Alcohol-Prep-Pads/Swab-Pads/Z05-PF03816
Tropicamide Ophthalmic Solution, USP 1% Akorn NDC 17478-102-12 http://www.akorn.com/prod_detail.php?ndc=17478-102-12
Tubing Adapter, Made in House
Two-way non-rebreathing valve (2600 Series- Inner Diameter 28.6 mm, Outer Diameter 35 mm) Hans Rudolph 2600 Series, UM-112078 www.rudolphkc.com

References

  1. Country, M. W. Retinal metabolism: A comparative look at energetics in the retina. Brain Research. 1672, 50-57 (2017).
  2. Ashimatey, B. S., Green, K. M., Chu, Z., Wang, R. K., Kashani, A. H. Impaired Retinal Vascular Reactivity in Diabetic Retinopathy as Assessed by Optical Coherence Tomography Angiography. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 60 (7), 2468 (2019).
  3. Hickam, J. B. M. D., Frayser, R. P. D. Studies of the Retinal Circulation in Man: Observations on Vessel Diameter, Arteriovenous Oxygen Difference, and Mean Circulation Time. Circulation. 33 (2), 302-316 (1966).
  4. Dorner, G. T., Garhoefer, G., Zawinka, C., Kiss, B., Schmetterer, L. Response of Retinal Blood Flow to CO2 -Breathing in Humans. European Journal of Ophthalmology. 12 (6), 459-466 (2002).
  5. Linsenmeier, R. A., Zhang, H. F. Retinal oxygen: from animals to humans. Progress in Retinal and Eye Research. 58, 115-151 (2017).
  6. Eliakim, M., Mor, I., Michaelson, I. C. Assessment of pharmacologic effects on the retinal circulation of hypertensive subjects by a quantitative method. Microvascular Research. 4 (4), 374-383 (1972).
  7. Gilmore, E. D., et al. Retinal arteriolar hemodynamic response to an acute hyperglycemic provocation in early and sight-threatening diabetic retinopathy. Microvascular Research. 73 (3), 191-197 (2007).
  8. Hickam, J. B., Sieker, H. O. Retinal Vascular Reactivity in Patients with Diabetes Mellitus and with Atherosclerosis. Circulation. 22 (2), 243-246 (1960).
  9. Gilmore, E. D., et al. Retinal Arteriolar Diameter, Blood Velocity, and Blood Flow Response to an Isocapnic Hyperoxic Provocation in Early Sight-Threatening Diabetic Retinopathy. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 48 (4), 1744 (2007).
  10. Garhofer, G. Reduced response of retinal vessel diameters to flicker stimulation in patients with diabetes. British Journal of Ophthalmology. 88 (7), 887-891 (2004).
  11. Felder, A. E., Wanek, J., Blair, N. P., Shahidi, M. Inner Retinal Oxygen Extraction Fraction in Response to Light Flicker Stimulation in Humans. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 56 (11), 6633-6637 (2015).
  12. Rose, K., Flanagan, J. G., Patel, S. R., Cheng, R., Hudson, C. Retinal Blood Flow and Vascular Reactivity in Chronic Smokers. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 55 (7), 4266 (2014).
  13. Omae, T., Nagaoka, T., Yoshida, A. Effects of Habitual Cigarette Smoking on Retinal Circulation in Patients With Type 2 Diabetes. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 57 (3), 1345 (2016).
  14. Pusparajah, P., Lee, L. H., Abdul Kadir, K. Molecular Markers of Diabetic Retinopathy: Potential Screening Tool of the Future. Frontiers in Physiology. 7, (2016).
  15. Hammer, M., Vilser, W., Riemer, T., Schweitzer, D. Retinal vessel oximetry-calibration, compensation for vessel diameter and fundus pigmentation, and reproducibility. Journal of Biomedical Optics. 13 (5), 054015 (2008).
  16. Gilmore, E. D., Hudson, C., Preiss, D., Fisher, J. Retinal arteriolar diameter, blood velocity, and blood flow response to an isocapnic hyperoxic provocation. American Journal of Physiology-Heart and Circulatory Physiology. 288 (6), 2912-2917 (2005).
  17. Duan, A., Bedggood, P. A., Metha, A. B., Bui, B. V. Reactivity in the human retinal microvasculature measured during acute gas breathing provocations. Scientific Reports. 7 (1), 2113 (2017).
  18. Burns, S. A., Elsner, A. E., Sapoznik, K. A., Warner, R. L., Gast, T. J. Adaptive optics imaging of the human retina. Progress in Retinal and Eye Research. 68, 1-30 (2019).
  19. Kim, A. Y., Chu, Z., Shahidzadeh, A., Wang, R. K., Puliafito, C. A., Kashani, A. H. Quantifying Microvascular Density and Morphology in Diabetic Retinopathy Using Spectral-Domain Optical Coherence Tomography Angiography. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 57 (9), (2016).
  20. Koulisis, N., et al. Quantitative microvascular analysis of retinal venous occlusions by spectral domain optical coherence tomography angiography. PLOS ONE. 12 (4), 0176404 (2017).
  21. Kim, A. Y., et al. Quantifying Retinal Microvascular Changes in Uveitis Using Spectral-Domain Optical Coherence Tomography Angiography. American Journal of Ophthalmology. 171, 101-112 (2016).
  22. Kashani, A. H., et al. Optical coherence tomography angiography: A comprehensive review of current methods and clinical applications. Progress in Retinal and Eye Research. 60, 66-100 (2017).
  23. Yu, D. Y., et al. Retinal capillary perfusion: Spatial and temporal heterogeneity. Progress in Retinal and Eye Research. 70, 23-54 (2019).
  24. Tayyari, F., et al. The Relationship between Retinal Vascular Reactivity and Arteriolar Diameter in Response to Metabolic Provocation. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 50 (10), 4814 (2009).
  25. Lu, H., Liu, P., Yezhuvath, U., Cheng, Y., Marshall, O., Ge, Y. MRI Mapping of Cerebrovascular Reactivity via Gas Inhalation Challenges. Journal of Visualized Experiments. (94), e52306 (2014).
  26. Reif, R., Qin, J., An, L., Zhi, Z., Dziennis, S., Wang, R. Quantifying Optical Microangiography Images Obtained from a Spectral Domain Optical Coherence Tomography System. International Journal of Biomedical Imaging. 2012, 1-11 (2012).
  27. Olafsdottir, O. B., Eliasdottir, T. S., Kristjansdottir, J. V., Hardarson, S. H., Stefánsson, E. Retinal Vessel Oxygen Saturation during 100% Oxygen Breathing in Healthy Individuals. PLOS ONE. 10 (6), 0128780 (2015).
  28. Kiss, B., et al. Retinal Blood Flow during Hyperoxia in Humans Revisited: Concerted Results Using Different Measurement Techniques. Microvascular Research. 64 (1), 75-85 (2002).
  29. Yezhuvath, U. S., Lewis-Amezcua, K., Varghese, R., Xiao, G., Lu, H. On the assessment of cerebrovascular reactivity using hypercapnia BOLD MRI. NMR in biomedicine. 22 (7), 779-786 (2009).
  30. Hardarson, S. H., et al. Automatic Retinal Oximetry. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 47 (11), 5011 (2006).
  31. Sousa, D. C., Leal, I., Moreira, S., Dionísio, P., Abegão Pinto, L., Marques-Neves, C. Hypoxia challenge test and retinal circulation changes – a study using ocular coherence tomography angiography. Acta Ophthalmologica. 96 (3), 315-319 (2018).
  32. Slessarev, M., Somogyi, R., Preiss, D., Vesely, A., Sasano, H., Fisher, J. A. Efficiency of oxygen administration: Sequential gas delivery versus “flow into a cone” methods. Critical Care Medicine. 34 (3), 829-834 (2006).
  33. Gilmore, E. D., Hudson, C., Venkataraman, S. T., Preiss, D., Fisher, J. Comparison of Different Hyperoxic Paradigms to Induce Vasoconstriction: Implications for the Investigation of Retinal Vascular Reactivity. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 45 (9), 3207 (2004).
  34. Shahidi, A. M., Patel, S. R., Huang, D., Tan, O., Flanagan, J. G., Hudson, C. Assessment of total retinal blood flow using Doppler Fourier Domain Optical Coherence Tomography during systemic hypercapnia and hypocapnia. Physiological Reports. 2 (7), 12046 (2014).
  35. Maleki, N., et al. The Effect of Hypercarbia and Hyperoxia on the Total Blood Flow to the Retina as Assessed by Magnetic Resonance Imaging. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 52 (9), 6867 (2011).
  36. Smit, B., Smulders, Y. M., vander Wouden, J. C., Oudemans-van Straaten, H. M., Spoelstra-de Man, A. M. E. Hemodynamic effects of acute hyperoxia: systematic review and meta-analysis. Critical Care. 22 (1), 45 (2018).
  37. Piccolino, F. P., Cagini, C., Fruttini, D., Nicolò, M., Eandi, C. M., Tito, S. Retinal Vascular Reactivity in Central Serous Chorioretinopathy. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 59 (11), 4425 (2018).
  38. Sousa, D. C., et al. A Protocol to Evaluate Retinal Vascular Response Using Optical Coherence Tomography Angiography. Frontiers in Neuroscience. 13, 566 (2019).
  39. Robinson, F., Riva, C. E., Grunwald, J. E., Petrig, B. L., Sinclair, S. H. Retinal Blood Flow Autoregulation in Response to on Acute Increase in Blood Pressure. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 27 (5), 5 (1986).
  40. Gherghel, D., Hosking, S. L., Cunliffe, I. A. Abnormal Systemic and Ocular Vascular Response to Temperature Provocation in Primary Open-Angle Glaucoma Patients: A Case for Autonomic Failure. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 45 (10), 3546 (2004).
  41. You, Q., et al. Reproducibility of vessel density measurement with Optical Coherence Tomography Angiography in eyes with and without retinopathy. Retina. 37 (8), 1475-1482 (2017).
  42. Lei, J., et al. Repeatability and Reproducibility of Superficial Macular Retinal Vessel Density Measurements Using Optical Coherence Tomography Angiography En Face Images. JAMA Ophthalmology. 135 (10), 1092 (2017).
  43. Czakó, C., et al. Intrasession and Between-Visit Variability of Retinal Vessel Density Values Measured with OCT Angiography in Diabetic Patients. Scientific Reports. 8 (1), 10598 (2018).
  44. Field, A. S., Laurienti, P. J., Yen, Y. F., Burdette, J. H., Moody, D. M. Dietary Caffeine Consumption and Withdrawal: Confounding Variables in Quantitative Cerebral Perfusion Studies. Radiology. 227 (1), 129-135 (2003).
  45. Baek, S. U., et al. Diurnal change of retinal vessel density and mean ocular perfusion pressure in patients with open-angle glaucoma. PLOS ONE. 14 (4), 0215684 (2019).
  46. Müller, V. C., Storp, J. J., Kerschke, L., Nelis, P., Eter, N., Alnawaiseh, M. Diurnal variations in flow density measured using optical coherence tomography angiography and the impact of heart rate, mean arterial pressure and intraocular pressure on flow density in primary open-angle glaucoma patients. Acta Ophthalmologica. 97 (6), (2019).
  47. Sarwar, S., et al. Diurnal variation of choriocapillaris vessel flow density in normal subjects measured using optical coherence tomography angiography. International Journal of Retina and Vitreous. 4 (1), 37 (2018).
  48. Liu, P., De Vis, J. B., Lu, H. Cerebrovascular reactivity (CVR) MRI with CO2 challenge: A technical review. NeuroImage. 187, 104-115 (2019).
  49. Ting, D. S. W., et al. Optical Coherence Tomographic Angiography in Type 2 Diabetes and Diabetic Retinopathy. JAMA Ophthalmology. 135 (4), 306 (2017).
  50. Spaide, R. F., Fujimoto, J. G., Waheed, N. K., Sadda, S. R., Staurenghi, G. Optical coherence tomography angiography. Progress in retinal and eye research. 64, 1-55 (2018).
  51. An, D., et al. Quantitative comparisons between optical coherence tomography angiography and matched histology in the human eye. Experimental Eye Research. 170, 13-19 (2018).

Play Video

Citer Cet Article
Kushner-Lenhoff, S., Ashimatey, B. S., Kashani, A. H. Retinal Vascular Reactivity as Assessed by Optical Coherence Tomography Angiography. J. Vis. Exp. (157), e60948, doi:10.3791/60948 (2020).

View Video