Roman la microscopie photoacoustique et tomographie par cohérence optique Dual-modalité Chorio-rétinienne imagerie dans les yeux de lapin vivant
Summary
Ce manuscrit décrit la nouvelle configuration et consignes d’utilisation de la microscopie photoacoustique et système de double-modalité tomographie par cohérence optique pour l’imagerie non invasive et sans étiquette Chorio-rétinienne de grands animaux, tels que les lapins.
Abstract
Photoacoustique imagerie oculaire est une émergence ophtalmique technologie qui peut visualiser une façon non envahissante de tissus oculaires en convertissant l’énergie lumineuse en ondes sonores et est actuellement à l’étude intensive de l’image. Cependant, les plus signalés à ce jour se concentre sur l’imagerie du segment postérieur des yeux des petits animaux, comme les rats et les souris, qui pose des défis pour la traduction humaine clinique en raison des tailles petit globe oculaire. Ce manuscrit décrit une microscopie photoacoustique roman (PAM) et le système de double-modalité de tomographie par cohérence optique pour l’imagerie du segment postérieur des yeux des grands animaux, tels que des lapins. La configuration du système, alignement du système, préparation animaux et dual-modalité protocoles expérimentaux pour in vivo, non invasive et sans étiquette Chorio-rétinienne d’imagerie chez les lapins sont détaillées. L’efficacité de la méthode est démontrée par les résultats expérimentaux représentatifs, dont la vascularisation rétinienne et choroïdienne obtenue par le PAM et les PTOM. Ce manuscrit fournit un guide pratique pour reproduire les résultats de l’imagerie chez le lapin et l’avancement photoacoustique imagerie oculaire chez les animaux plus gros.
Introduction
Ces dernières décennies ont vu le développement explosif du champ de photoacoustique biomedical imagerie1,2,3,4,5,6,7 ,,8. Basé sur la conversion de l’énergie de la lumière en son, l’imagerie photoacoustique émergents peuvent visualiser des échantillons biologiques à échelles des organelles, cellules, tissus, organes de petits animaux tout le corps et peut révéler sa anatomiques, fonctionnelles, moléculaires, génétiques, et information métabolique1,2,9,10,11,12. L’imagerie photoacoustique a trouvé des applications dans une gamme de domaines biomédicaux, comme cell biology13,14, biologie vasculaire15,16, neurologie17,18 , oncologie19,20,21,22,23de la dermatologie, pharmacologie24et hématologie25,26. Son application en ophtalmologie, c’est-à-dire photoacoustique oculaire imaging, a attiré des intérêts substantiels à la fois scientifiques et cliniciens et est actuellement à l’étude active.
Contrairement aux couramment utilisé oculaire d’imagerie technologies27, tels que l’angiographie à la fluorescéine (FA) et angiographie de vert d’indocyanine (ICGA) (basé sur le contraste de fluorescence), tomographie à cohérence optique (OCT) (basé sur le contraste de la dispersion des optiques) et ses dérivé angiographie OCT (basé sur le contraste de la motion des globules rouges), photoacoustique oculaire d’imagerie d’absorption optique utilise le mécanisme de contraste. Cela diffère des technologies d’imagerie oculaires classiques et offre un outil unique pour l’étude des propriétés d’absorption optique de le œil, qui sont généralement associées à l’État physiopathologique des tissus oculaires28. À ce jour, significative, excellent travail a été fait dans photoacoustique oculaire d’imagerie29,30,31,32,33,34,35, 36,37, mais ces études se concentrent sur le segment postérieur des yeux des petits animaux, comme les rats et les souris. Le pionnier dans l’étude bien démontre la faisabilité de l’imagerie photoacoustique en ophtalmologie, mais il y a encore un long chemin à parcourir vers la traduction clinique de la technologie depuis tailles de globe oculaire des rats et des souris sont beaucoup plus petits (moins d’un tiers) à celle de l’homme. En raison de la propagation des ondes ultrasoniques sur une beaucoup plus longues distances, signal intensité et qualité d’image peut grandement souffrir lorsque la technique est utilisée pour l’imagerie du segment postérieur de plus grands yeux.
Pour atteindre cet objectif, nous avons récemment rapporté les non invasive, imagerie exempte d’étiquette Chorio-rétinienne chez les lapins vivants à l’aide intégrée microscopie photoacoustique (PAM) et le domaine spectral OCT (SD-OCT)38. Le système a d’excellentes performances et peut visualiser la rétine et la choroïde des yeux des animaux plus gros absorption endogène et contrastes de diffusion des tissus oculaires. Chez les lapins, les résultats préliminaires montrent que la PAM pourrait distinguer non invasive de vaisseaux sanguins rétiniens et choroïdienne individuels à l’aide d’une dose d’exposition laser (80 ~ nJ) significativement inférieures à la limite de sécurité American National Standards Institute (ANSI) (160 nJ) à 570 nm39; et l’outil OPO pourrait résoudre clairement la sclérotique, la choroïde et différentes couches rétiniennes. C’est la toute première démonstration de l’imagerie du segment postérieur de plus grands animaux à l’aide du PAM et pourrait être une étape importante vers la traduction clinique de cette technologie étant donné que la taille du globe oculaire de lapins (18,1 mm)40 est près de 80 % de la longueur axiale de humains (23,9 mm).
Dans ce travail, nous fournir une description détaillée du système dual-modalité d’imagerie et des protocoles expérimentaux utilisés pour l’imagerie non invasive et sans étiquette Chorio-rétinienne chez les lapins vivants et démontrer les performances du système par le biais de rétine représentatif et résultats de l’imagerie choroïdienne.
Protocol
Representative Results
Discussion
Un film de larme intact et régulier est essentiel pour des images de haute qualité du fond de œil. Un cinéma de déchirure irrégulière et détériorés peut dégrader significativement image qualité42. Pour préserver l’intégrité du film lacrymal et empêcher la cornée kératopathie ponctuée superficielle, il est essentiel pour lubrifier la cornée à l’aide de douche oculaire très fréquemment, environ toutes les deux minutes. S’il n’y a aucune préoccupation au sujet de l’o…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ce travail a été soutenu par le généreux soutien de la 4K12EY022299 de l’Institut National d’oeil (PMJ), lutte pour Sight-International rétinienne Research Foundation FFS GIA16002 (PMJ), sans restriction soutien du ministère de la recherche pour prévenir la cécité et les Département d’ophtalmologie de l’Université du Michigan et Sciences de la vision. Ce travail a utilisé le Centre Core for Vision Research financé par P30 EY007003 du National Eye Institute.
Materials
| Dual-modality imaging system | |||
| OPO laser | Ekspla (Vilnius, Lithuania) | NT-242 | |
| Beam attenuator | Thorlabs, Inc. (Newton, NJ, USA) | AHWP10M-600 | |
| Motorized rotation stage | Thorlabs, Inc. (Newton, NJ, USA) | PRM1/MZ8 | |
| Motorized rotation stage controller | Thorlabs, Inc. (Newton, NJ, USA) | TDC001 | |
| Focusing lens | Thorlabs, Inc. (Newton, NJ, USA) | AC254-250-B | |
| Pinhole | Thorlabs, Inc. (Newton, NJ, USA) | P50S | |
| Collimating lens | Thorlabs, Inc. (Newton, NJ, USA) | AC127-030-B | |
| Photodiode | Thorlabs, Inc. (Newton, NJ, USA) | PDA36A | |
| Laser shutter | Vincent Associates Inc. (Toronto, Canada) | LS6S2T0 | |
| Laser shutter driver | Vincent Associates Inc. (Toronto, Canada) | VCM-D1 | |
| Dichroic mirror | Semrock, Inc. (Rochester, NY, USA) | Di03-R785-t3-25×36 | |
| Scan lens | Thorlabs, Inc. (Newton, NJ, USA) | OCT-LK3-BB | |
| Ophthalmic lens | Thorlabs, Inc. (Newton, NJ, USA) | AC080-010-B-ML | |
| Ultrasonic transducer | Optosonic Inc. (Arcadia, CA, USA) | Custom | |
| Amplifier | L3 Narda-MITEQ (Hauppauge, NY, USA) | AU-1647 | |
| Band-pass filter | Mini-Circuits (Brooklyn, NY, USA) | BLP-30+ | |
| Digitizer | DynamicSignals LLC (Lockport, IL, USA) | PX1500-4 | |
| Synchronization electronics | National Instruments Corporation (Austin, TX, USA) | USB-6353 | |
| OCT module | Thorlabs, Inc. (Newton, NJ, USA) | Ganymede-II-HR | |
| Dispersion compensation glass | Thorlabs, Inc. (Newton, NJ, USA) | LSM03DC | |
| Illumination LED light | Thorlabs, Inc. (Newton, NJ, USA) | MCWHF2 | |
| Power meter | Thorlabs, Inc. (Newton, NJ, USA) | S121C | |
| Power meter interface | Thorlabs, Inc. (Newton, NJ, USA) | PM100USB | |
| Height measurement tool | Thorlabs, Inc. (Newton, NJ, USA) | BHM1 | |
| Fundus camera | Topcon Corporation (Tokyo, Japan) | TRC 50EX | |
| Matlab | MathWorks (Natick, MA, USA) | 2017a | |
| Oscilloscope | Teledyne LeCroy (Chestnut Ridge, NY, USA) | WaveJet 354T | |
| Animal experiment | |||
| Water-circulating blanket | Stryker Corporation (Kalamazoo, MI, USA) | TP-700 | |
| Ketamine hydrochloride injection | Par pharmaceutical, Inc. (Woodcliff Lake, NJ, USA) | NDC code 42023-115-10 | |
| Xylazine hydrochloride | VetOne (Boise, ID, USA) | NDC code 13985-704-10 | |
| Tropicamide ophthalmic | Akorn Pharmaceuticals Inc. (Lake Forest, IL, USA) | NDC code 17478-102-12 | |
| Phenylephrine hydrochloride ophthalmic | Paragon BioTeck, Inc. (Portland, OR, USA) | NDC code 42702-102-15 | |
| Eye lubricant | Hub Pharmaceuticals LLC (Rancho Cucamonga, CA, USA) | NDC code 17238-610-15 | |
| Eyewash | Altaire Pharmaceuticals, Inc. (Aquebogue, NY, USA) | NDC code 59390-175-18 | |
| Tetracaine hydrochloride ophthalmic solution | Bausch & Lomb, Inc. (Rochester, NY, USA) | NDC code 24208-920-64 | |
| Flurbiprofen sodium ophthalmic solution | Bausch & Lomb, Inc. (Rochester, NY, USA) | NDC code 24208-314-25 | |
| Neomycin and Polymyxin B Sulfates and Dexamethasone Ophthalmic Ointment | Bausch & Lomb, Inc. (Rochester, NY, USA) | NDC code 24208-795-35 | |
| Meloxicam injection | Henry Schein Inc. (Queens, NY, USA) | NDC code 11695-6925-1 |
Riferimenti
- Wang, L. V., Hu, S. Photoacoustic tomography: in vivo imaging from organelles to organs. Science. 335 (6075), 1458-1462 (2012).
- Beard, P. Biomedical photoacoustic imaging. Interface Focus. , (2011).
- Taruttis, A., Ntziachristos, V. Advances in real-time multispectral optoacoustic imaging and its applications. Nat Photonics. 9 (4), 219-227 (2015).
- Tian, C., Xie, Z., Fabiilli, M. L., Wang, X. Imaging and sensing based on dual-pulse nonlinear photoacoustic contrast: a preliminary study on fatty liver. Opt Lett. 40 (10), 2253-2256 (2015).
- Tian, C., et al. Dual-pulse nonlinear photoacoustic technique: a practical investigation. Biomed Opt Express. 6 (8), 2923-2933 (2015).
- Tian, C., et al. Non-Contact Photoacoustic Imaging Using a Commercial Heterodyne Interferometer. IEEE Sens J. 16 (23), 8381-8388 (2016).
- Kim, K. H., et al. Air-coupled ultrasound detection using capillary-based optical ring resonators. Sci Rep. 7, 1 (2017).
- Feng, T., et al. Bone assessment via thermal photo-acoustic measurements. Opt Lett. 40 (8), 1721-1724 (2015).
- Chen, S. -. L., Xie, Z., Carson, P. L., Wang, X., Guo, L. J. In vivo flow speed measurement of capillaries by photoacoustic correlation spectroscopy. Opt Lett. 36 (20), 4017-4019 (2011).
- Dean-Ben, X., Fehm, T. F., Razansky, D. Universal Hand-held Three-dimensional Optoacoustic Imaging Probe for Deep Tissue Human Angiography and Functional Preclinical Studies in Real Time. J Vis Exp. (93), e51864 (2014).
- Galanzha, E. I., et al. In vivo magnetic enrichment and multiplex photoacoustic detection of circulating tumour cells. Nat Nanotechnol. 4 (12), 855-860 (2009).
- Xiang, L., Wang, B., Ji, L., Jiang, H. 4-D photoacoustic tomography. Sci Rep. 3, (2013).
- Tian, C., et al. Plasmonic nanoparticles with quantitatively controlled bioconjugation for photoacoustic imaging of live cancer cells. Adv Sci. 3 (12), (2016).
- Zhou, F., Wu, S., Yuan, Y., Chen, W. R., Xing, D. Mitochondria-Targeting Photoacoustic Therapy Using Single-Walled Carbon Nanotubes. Small. 8 (10), 1543-1550 (2012).
- Maslov, K., Zhang, H. F., Hu, S., Wang, L. V. Optical-resolution photoacoustic microscopy for in vivo imaging of single capillaries. Opt Lett. 33 (9), 929-931 (2008).
- Hu, S., Maslov, K., Wang, L. V. Three-dimensional Optical-resolution Photoacoustic Microscopy. J Vis Exp. (51), e2729 (2011).
- Yao, J., et al. High-speed label-free functional photoacoustic microscopy of mouse brain in action. Nat Methods. 12 (5), 407-410 (2015).
- Yang, X., Skrabalak, S. E., Li, Z. -. Y., Xia, Y., Wang, L. V. Photoacoustic tomography of a rat cerebral cortex in vivo with au nanocages as an optical contrast agent. Nano Lett. 7 (12), 3798-3802 (2007).
- Agarwal, A., et al. Targeted gold nanorod contrast agent for prostate cancer detection by photoacoustic imaging. J Appl Phys. 102 (6), 064701 (2007).
- Zackrisson, S., van de Ven, S., Gambhir, S. Light in and sound out: emerging translational strategies for photoacoustic imaging. Cancer Res. 74 (4), 979-1004 (2014).
- Ermilov, S. A., et al. Laser optoacoustic imaging system for detection of breast cancer. J Biomed Opt. 14 (2), 024007 (2009).
- Mallidi, S., Luke, G. P., Emelianov, S. Photoacoustic imaging in cancer detection, diagnosis, and treatment guidance. Trends Biotechnol. 29 (5), 213-221 (2011).
- Zhang, H. F., Maslov, K., Stoica, G., Wang, L. V. Functional photoacoustic microscopy for high-resolution and noninvasive in vivo imaging. Nat Biotechnol. 24 (7), 848 (2006).
- Keswani, R. K., et al. Repositioning Clofazimine as a Macrophage-Targeting Photoacoustic Contrast Agent. Sci Rep. 6, 23528 (2016).
- Strohm, E. M., Berndl, E. S., Kolios, M. C. Probing red blood cell morphology using high-frequency photoacoustics. Biophys J. 105 (1), 59-67 (2013).
- Nguyen, V. P., Kim, J., Ha, K. -. l., Oh, J., Kang, H. W. Feasibility study on photoacoustic guidance for high-intensity focused ultrasound-induced hemostasis. J Biomed Opt. 19 (10), 105010 (2014).
- Keane, P. A., Sadda, S. R. Retinal imaging in the twenty-first century: state of the art and future directions. Ophthalmology. 121 (12), 2489-2500 (2014).
- Keane, P., Sadda, S. Imaging chorioretinal vascular disease. Eye. 24 (3), 422-427 (2010).
- Jiao, S., et al. Photoacoustic ophthalmoscopy for in vivo retinal imaging. Opt Express. 18 (4), 3967-3972 (2010).
- Liu, T., et al. Near-infrared light photoacoustic ophthalmoscopy. Biomed Opt Express. 3 (4), 792-799 (2012).
- Song, W., et al. A combined method to quantify the retinal metabolic rate of oxygen using photoacoustic ophthalmoscopy and optical coherence tomography. Sci Rep. 4, 6525 (2014).
- Liu, W., Zhang, H. F. Photoacoustic imaging of the eye: a mini review. Photoacoustics. 4 (3), 112-123 (2016).
- de La Zerda, A., et al. Photoacoustic ocular imaging. Opt Lett. 35 (3), 270-272 (2010).
- Hu, S., Rao, B., Maslov, K., Wang, L. V. Label-free photoacoustic ophthalmic angiography. Opt Lett. 35 (1), 1-3 (2010).
- Silverman, R. H., et al. High-resolution photoacoustic imaging of ocular tissues. Ultrasound Med Biol. 36 (5), 733-742 (2010).
- Wu, N., Ye, S., Ren, Q., Li, C. High-resolution dual-modality photoacoustic ocular imaging. Opt Lett. 39 (8), 2451-2454 (2014).
- Hennen, S. N., et al. Photoacoustic tomography imaging and estimation of oxygen saturation of hemoglobin in ocular tissue of rabbits. Exp Eye Res. 138, 153-158 (2015).
- Tian, C., Zhang, W., Mordovanakis, A., Wang, X., Paulus, Y. M. Noninvasive chorioretinal imaging in living rabbits using integrated photoacoustic microscopy and optical coherence tomography. Opt Express. 25 (14), 15947-15955 (2017).
- Laser Institute of America. American National Standard for Safe Use of Lasers ANSI Z136.1 – 2007. American National Standards Institute, Inc. , (2007).
- Hughes, A. A schematic eye for the rabbit. Vision Res. 12 (1), 123 (1972).
- Ma, T., et al. Systematic study of high-frequency ultrasonic transducer design for laser-scanning photoacoustic ophthalmoscopy. J Biomed Opt. 19 (1), 016015 (2014).
- Song, W., Wei, Q., Jiao, S., Zhang, H. F. Integrated photoacoustic ophthalmoscopy and spectral-domain optical coherence tomography. J Vis Exp. (71), (2013).
- Mattison, S., Kim, W., Park, J., Applegate, B. Molecular Imaging in Optical Coherence Tomography. Curr Mol Imaging. 3 (2), 88-105 (2014).
