التقييمات الهيكلية في الجسم الحي لأمراض العين في نماذج القوارض باستخدام التصوير المقطعي للتماسك البصري
Summary
هنا ، نصف استخدام التصوير المقطعي للتماسك البصري للمجال الطيفي (SD-OCT) لتصور هياكل الشبكية والعين في الجسم الحي في نماذج تنكس الشبكية ، والزرق ، واعتلال الشبكية السكري ، وقصر النظر.
Abstract
التصوير المقطعي للتماسك البصري الطيفي (SD-OCT) مفيد لتصور هياكل الشبكية والعين في الجسم الحي. في مجال البحث ، يعد SD-OCT أداة قيمة لتقييم وتوصيف التغيرات في مجموعة متنوعة من نماذج أمراض وإصابات الشبكية والعين. في نماذج تنكس الشبكية الناجم عن الضوء ، يمكن استخدام SD-OCT لتتبع ترقق طبقة المستقبلات الضوئية بمرور الوقت. في نماذج الجلوكوما ، يمكن استخدام SD-OCT لمراقبة انخفاض طبقة الألياف العصبية في شبكية العين وسمك الشبكية الكلي ومراقبة حجامة العصب البصري بعد إحداث ارتفاع ضغط الدم في العين. في القوارض المصابة بالسكري ، ساعد SD-OCT الباحثين على ملاحظة انخفاض سمك الشبكية الكلي وكذلك انخفاض سمك طبقات شبكية معينة ، وخاصة طبقة الألياف العصبية في شبكية العين مع تطور المرض. في نماذج الماوس من قصر النظر ، يمكن استخدام SD-OCT لتقييم المعلمات المحورية ، مثل تغيرات الطول المحوري. تشمل مزايا SD-OCT التصوير في الجسم الحي لهياكل العين ، والقدرة على تتبع التغيرات الكمية في أبعاد العين بمرور الوقت ، وسرعة المسح السريع والدقة العالية. هنا ، نقوم بتفصيل طرق SD-OCT ونعرض أمثلة على استخدامه في مختبرنا في نماذج تنكس الشبكية ، والزرق ، واعتلال الشبكية السكري ، وقصر النظر. تشمل الطرق التخدير وتصوير SD-OCT ومعالجة الصور لقياسات السماكة.
Introduction
التصوير المقطعي للتماسك البصري الطيفي (SD-OCT) هو طريقة تصوير دقيقة وعالية الدقة تسمح للأطباء والباحثين بفحص هياكل العين بشكل غير جراحي. تعتمد تقنية التصوير هذه على قياس التداخل لالتقاط صور شبكية ثلاثية الأبعاد في الجسم الحي بمقياس ميكرومتر 1,2. لقد أصبحت واحدة من أكثر طرق التصوير استخداما في أبحاث الرؤية وفي العيادة بسبب سهولة اكتشاف ودقة السمات المرضية مثل العيوب الهيكلية و / أو ترقق طبقات الشبكية والسائل تحت الشبكية3. في البحث باستخدام النماذج الحيوانية للاضطرابات المرتبطة بالرؤية ، قدمت SD-OCT تحليلات أساسية غير جراحية للعلاقات بين البنية والوظيفة وأصولها النسيجية المرضية4. نظرا لدقتها (حتى 2-3 ميكرون ، اعتمادا على العمق في العين5) ، فإن SD-OCT لديها القدرة على اكتشاف حتى التغيرات الصغيرة في سمك طبقة الشبكية. يمكن أن يوفر هذا النوع من التحليل معلومات أساسية لتطور المرض وتقييم فعالية طرق الحماية العصبية والعلاجات للاضطرابات المرتبطة بالرؤية.
SD-OCT هو بديل غير جراحي لفحص البنية نسيجيا ، وقد ثبت أن الاثنين مرتبطان6. في حين أن SD-OCT لا يصل إلى الدقة الخلوية ، إلا أنه يسمح بإجراء دراسات طولية على الحيوانات. هذا مفيد لأنه يمكن تتبع تطور المرض في الحيوانات الفردية بمرور الوقت بدلا من الاضطرار إلى القتل الرحيم للحيوانات في نقاط زمنية محددة. ومع استمرار تحسن تقنيات التصوير، ستتقدم تقنية SD-OCT أيضا، مما يوفر جودة صورة محسنة بالإضافة إلى القدرة على تقييم العمليات البيولوجية مثل وظيفة الأوعية الدموية في شبكية العين بتفاصيل دقيقة. حتى منذ ظهورها في عام 1991 ، شهدت تقنية SD-OCT تقدما هائلا في الدقة والسرعة والحساسية7.
تستخدم الدراسة الحالية نظام SD-OCT لقياس التغيرات في طبقات الشبكية في نماذج القوارض لتنكس الشبكية والزرق واعتلال الشبكية السكري. نظام SD-OCT المستخدم هنا هو نظام OCT بمجال فورييه يستخدم ضوءا منخفضا للطاقة وقريبا من الأشعة تحت الحمراء للحصول على الصور التي تم حلها بعمق ومعالجتها وتخزينها في الوقت الفعلي. يتمتع نظام SD-OCT بقدرة تصوير عمق ممتدة في نطاق الطول الموجي 800 نانومتر ، مما يوفر عمقا 8 مم ودقة 4 ميكرومتر. في اكتشاف مجال فورييه ، يتم تحويل إشارة التداخل بين الضوء المتناثر من الأنسجة والمسار المرجعي إلى فورييه لإنشاء عمليات مسح محورية و / أو ملامح عمق محورية ذات كثافة مبعثرة8. بالنسبة للدراسات هنا ، يتم فحص شعاع OCT على بنية الشبكية المطلوبة أثناء الحصول على مسح محوري بشكل متسلسل. عادة ، يكتسب نمط المسح الشبكة ثنائية الأبعاد (B-Scans) كمجموعة من خطوط المسح الخطي أحادي البعد (A-Scans) ، والتي تتوافق مع صور مقطعية 2D باستخدام نمط المسح النقطية. بالنسبة للدراسات التي تركز على قصر النظر في الفئران ، يستخدم هذا النظام أيضا لقياس أبعاد هياكل العين (على سبيل المثال ، سمك القرنية ، وسمك العدسة ، وعمق الغرفة الزجاجية ، والطول المحوري).
يسمح النظام الحالي للمستخدمين بتصميم بروتوكولاتهم الخاصة ، وإنشاء عمليات مسح يمكن تخصيصها واختيارها بناء على الهياكل العينية ذات الاهتمام. تجعل عمليات الفحص الرئيسية الواردة في هذه البروتوكولات المحددة من قبل المستخدم تقنية التصوير هذه سهلة الاستخدام. بالنسبة لتحليلات الصور ، قمنا بتطوير برمجة مخصصة في برنامج نمذجة رياضية. SD-OCT هي أداة قوية لتحديد التغيرات المرضية في هياكل العين وقياسها بشكل غير جراحي ومراقبة تطور الأمراض المرتبطة بالرؤية.
Protocol
Representative Results
Discussion
يسمح التصوير عالي الدقة لهياكل العين في الجسم الحي بتقييم تغيرات الشبكية والعين بمرور الوقت. في هذا البروتوكول ، تم إثبات SD-OCT لالتقاط الاختلافات في هياكل العين في الجسم الحي في نماذج تنكس الشبكية ، الجلوكوما ، اعتلال الشبكية السكري ، وقصر النظر.
الجانب الأكثر أهمية عند إجر?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
تم دعم هذا العمل من خلال جوائز التطوير الوظيفي لخدمة إعادة التأهيل في خدمة إعادة التأهيل التابعة لوزارة شؤون المحاربين القدامى (CDA-1, RX002111; CDA-2 ؛ RX002928) إلى RSA ، وجائزة الاستحقاق (RX002615) وجائزة عالم البحث الوظيفي (RX003134) إلى MTP ، وجائزة التطوير الوظيفي (CDA-2 ، RX002342) إلى AJF ، و EY028859 إلى MTP ، و NEI Core Grant P30EY006360 ، وأبحاث الوقاية من العمى ، ومؤسسة مكافحة العمى.
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 |
References
- 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).
