Romanen Photoacoustic mikroskopi og Optical Coherence tomografi Dual-modalitet Chorioretinal Imaging i levende kaninøyne
Summary
Dette manuskriptet beskriver romanen oppsettet og opererer prosedyren av en photoacoustic mikroskopi og optical coherence tomografi dual-modalitet system for noninvasive, etikett-fri chorioretinal imaging større dyr, som kaniner.
Abstract
Photoacoustic okulær imaging er en voksende ophthalmica bildeteknologi som noninvasively kan visualisere okulær vev ved å konvertere lysenergi til lydbølger og er under intensiv etterforskning. Men de fleste rapportert arbeid er fokusert på avbilding av bakre segmentet i øynene til små dyr, som rotter og mus, som gir utfordringer for klinisk human oversettelse på grunn av liten øyeeplet størrelser. Dette manuskriptet beskriver en roman photoacoustic mikroskopi (PAM) og optical coherence tomografi (OCT) dual-modalitet system for bakre segmentet bildebehandling i øynene større dyr, som kaniner. Av Systemkonfigurasjon, systemet justering, dyr forberedelse og dual-modalitet eksperimentelle protokoller for i vivo, noninvasive, etikett-fri chorioretinal imaging i kaniner er detaljerte. Effektiviteten av metoden demonstrert ved representant eksperimentelle resultater, inkludert netthinnen og choroidal blodkar innhentet av PAM og OCT. Dette manuskriptet gir en praktisk guide til gjengivelse tenkelig resultatene i kaniner og fremme photoacoustic okulær imaging i større dyrene.
Introduction
De siste tiårene har sett eksplosive utviklingen av feltet biomedisinsk photoacoustic tenkelig1,2,3,4,5,6,7 ,8. Basert på energi konvertering av lys i lyd, den nye photoacoustic bildebehandling kan visualisere biologiske prøver på skalerer fra organeller, celler, vev, organer til liten-dyr hele kroppen og kan avsløre dens anatomiske, funksjonell, molekylær, genetiske, og metabolske informasjon1,2,9,10,11,12. Photoacoustic bildebehandling har funnet unike programmer i en rekke biomedisinsk felt, for eksempel celle biologi13,14, vaskulære biologi15,16, nevrologi17,18 , onkologi19,20,21,22, Dermatologi23, farmakologi24og hematologi25,26. Anvendelsen i Oftalmologi, dvs photoacoustic okulær imaging og har tiltrukket seg betydelige interesser fra både forskere og klinikere er nå aktiv.
I motsetning til brukes rutinemessig okulær bildebehandling teknologier27, som fluorescein angiography (FA) og indocyanine grønne angiography (ICGA) (basert på fluorescens kontrast), optical coherence tomografi (OCT) (basert på optiske spredning kontrast) , og dens avledede OCT angiography (basert på bevegelse kontrast av røde blodlegemer), photoacoustic okulær imaging bruker optisk absorpsjon som kontrast mekanismen. Dette er forskjellig fra konvensjonelle okulær bildeteknologi og gir et unikt verktøy for å studere optisk absorpsjonen egenskaper øyet, som vanligvis er assosiert med statusen patofysiologiske okulær vev28. Dato betydelig har utmerket arbeid blitt gjort i photoacoustic okulær imaging29,30,31,32,33,34,35, 36,37, men disse studiene fokuserer på den bakre delen av øynene til små dyr, som rotter og mus. Banebrytende studier viser også muligheten for photoacoustic imaging i Oftalmologi, men det er fortsatt en lang vei å gå mot klinisk oversettelse av teknologien siden øyeeplet størrelser av rotter og mus er mye mindre (mindre enn en tredjedel) enn av mennesker. På grunn av spredning av ultralyd bølger over en betydelig lengre avstander, kan signalet intensitet og bildekvalitet sterkt lide når teknikken brukes for imaging den bakre delen av større øyne.
Mot dette målet, vi nylig rapportert noninvasive, etikett-fri chorioretinal imaging i levende kanin med integrert photoacoustic mikroskopi (PAM) og spectral domener OCT (SD-oktober)38. Systemet har utmerket ytelse og kan visualisere netthinnen og akkord i øynene til større dyrene basert på endogene absorpsjon og spredning kontrast av okulære vev. Foreløpige resultatene i kaniner viser at PAM noninvasively kunne skille personlige netthinnen og choroidal blodkar benytter en laser eksponering dose (~ 80 nJ) betydelig under American National Standards Institute (ANSI) sikkerhet grensen (160 nJ) på 570 NM39; og Tilpasningsverktøy kan tydelig løse ulike retinal lag, akkord og sclera. Det er den aller første demonstrasjonen av bakre segmentet avbilding av større dyrene med PAM og kan være et stort skritt mot klinisk oversettelse av teknologien vurderer at øyeeplet kanin (18.1 mm)40 er nesten 80% av aksial lengde mennesker (23.9 mm).
I dette arbeidet vi gi en detaljert beskrivelse av dual-modalitet tenkelig system og eksperimentelle protokollsettet for noninvasive, etikett-fri chorioretinal imaging i levende kaniner og demonstrere systemytelse gjennom representant retinal og choroidal imaging resultater.
Protocol
Representative Results
Discussion
En intakt og vanlig rive film er viktig for høykvalitets fundus bilder. En uregelmessig og forverret tåre-filmer kan betydelig redusere bildet kvalitet42. For å opprettholde dataintegriteten tåre filmen og hindre hornhinnen overfladisk vises punctate keratopathy, er det avgjørende å smøre hornhinnen bruker eyewash veldig ofte, omtrent hvert to min. Hvis det er spørsmål angående ugjennomsiktigheten av øyet, bruk en slit lampe og fluorescein strimler Undersøk hornhinnen betingelsene.
…Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbeidet ble støttet av sjenerøs støtte fra National Eye Institute-4K12EY022299 (YMP), kampen for Sight-International Retinal Research Foundation FFS GIA16002 (YMP), ubegrenset avdelinger støtte fra forskning til forhindre blindhet, og University of Michigan Department of Ophthalmology og Visual Sciences. Dette arbeidet utnyttet kjernen sentrum for visjon forskning finansiert av P30 EY007003 fra 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).
