Roman Photoacoustic mikroskopi och optisk koherenstomografi Dual-modalitet korioretinal Imaging i levande kanin ögon
Summary
Detta manuskript beskriver romanen setup och handhavande av en photoacoustic mikroskopi och optisk koherens tomografi dual-modalitet system för noninvasiv, etikett-fri korioretinal avbildning av större djur såsom kaniner.
Abstract
Photoacoustic okulär bildbehandling är en framväxande oftalmologiska bildteknik som noninvasivt kan visualisera okulär vävnad genom att omvandla ljusenergi till ljudvågor och är för närvarande under intensiv undersökning. De flesta rapporterade dock hittills är inriktad på avbildning av bakre segment ögonen på små djur, som råttor och möss, som innebär utmaningar för kliniska mänsklig översättning på grund av små ögongloben storlekar. Detta manuskript beskriver en roman photoacoustic mikroskopi (PAM) och optisk koherens tomografi (ULT) dual-modalitet system för bakre segment avbildning av ögonen av större djur såsom kaniner. Systemkonfiguration, system justering, djur förberedelse och dual-modalitet experimentella protokoll för i vivo, icke-invasiv, etikett-fri korioretinal imaging hos kaniner är detaljerade. Effektiviteten i metoden demonstreras genom representativa experimentella resultat, inklusive näthinnan och koroidal vaskulatur erhålls av PAM och OCT. Detta manuskript ger en praktisk guide till reproducera de bildbehandling resultat hos kaniner och främja photoacoustic okulär imaging i större djur.
Introduction
Senaste decennierna har bevittnat den explosiva utvecklingen av området för biomedicinsk photoacoustic imaging1,2,3,4,5,6,7 ,8. Baserat på energi omvandlingen av ljus till ljud, den framväxande photoacoustic imaging kan visualisera biologiska prover på skalor från organeller, celler, vävnader och organ till små djur hela kroppen och kan avslöja dess anatomiska, funktionella, molekylär, genetisk, och metaboliska information1,2,9,10,11,12. Photoacoustic imaging har funnit unika tillämpningar i en rad biomedicinska forskningsområden, exempelvis cellbiologi13,14, vaskulärbiologi15,16, neurologi17,18 , onkologi19,20,21,22, dermatologi23, farmakologi24och hematologi25,26. Dess tillämpning i oftalmologi, d.v.s. photoacoustic okulär imaging, har rönt betydande intressen från både forskare och kliniker och är för tillfället under aktiv utredning.
I kontrast till används rutinmässigt okulär imaging teknik27, såsom fluoresceinangiografi (FA) och indocyaningrönt angiografi (ICGA) (baserat på fluorescens kontrast), optisk koherenstomografi (OCT) (baserat på optisk scattering kontrast) , och dess derivat OCT angiografi (baserat på rörelse kontrast av röda blodkroppar), photoacoustic okulär imaging använder optisk absorption som mekanismen för kontrast. Detta skiljer sig från konventionella okulär avbildningstekniker och ger ett unikt verktyg för att studera optisk absorption boenden i ögat, som vanligtvis förknippas med okulär vävnad28patofysiologisk status. Hittills har betydande har utmärkta arbete gjorts i photoacoustic okulär imaging29,30,31,32,33,34,35, 36,37, men dessa studier fokuserar på det bakre segmentet ögonen på små djur, som råttor och möss. De banbrytande studierna väl demonstrera genomförbarheten av photoacoustic imaging i oftalmologi men det finns fortfarande en lång väg att gå mot kliniska översättning av tekniken sedan ögongloben storlekar av möss och råttor är mycket mindre (mindre än en tredjedel) än som av människor. På grund av förökningen av ultraljudsvågor en betydligt längre sträckor, kan signalens intensitet och bild kvalitet kraftigt lida när tekniken används för imaging bakre segment av större ögon.
Mot detta mål, vi nyligen rapporterade den noninvasiv, etikett-fri korioretinal imaging i levande kaniner med hjälp av integrerade photoacoustic mikroskopi (PAM) och spektral-domän okt (SD-okt)38. Systemet har utmärkta prestanda och kan visualisera näthinnan och åderhinnan ögonen på större djur baserat på endogena absorption och spridning kontrasten i okulära vävnader. Preliminära resultat i kaniner visar att PAM noninvasivt kunde urskilja enskilda blodkärl på näthinnan och koroidal som använder en laser exponeringsdos (~ 80 nJ) betydligt under ANSI American National Standards Institute () säkerhet gräns (160 nJ) på 570 nm39; och ULT kunde tydligt lösa olika retinala lagren, åderhinnan och sklera. Det är den första demonstrationen av bakre segment avbildning av större djur med PAM och kan vara ett stort steg mot klinisk översättning av tekniken med tanke på att ögongloben storleken på kaniner (18,1 mm)40 är nästan 80% av axiell längd människor (23,9 mm).
I detta arbete, vi ger en detaljerad beskrivning av dual-modalitet bildsystem och experimentella protokoll som används för icke-invasiv, etikett-fri korioretinal imaging i levande kaniner och visar systemets prestanda genom representativa retinal och koroidal bildbehandling resultat.
Protocol
Representative Results
Discussion
En intakt och regelbundna tårfilmen är nödvändig för hög kvalitet fundus bilder. En oregelbunden och försämrade tår filmer kan avsevärt försämra bilden kvalitet42. För att bevara integriteten i tårfilmen och förebygga korneal ytlig punktat keratopati, är det viktigt att smörja hornhinnan med ögondusch mycket ofta, ungefär varje två min. Om det finns någon oro opaciteten för ögat, använder en spaltlampa och fluorescein remsor för att kontrollera hornhinnan villkoren.
<p…Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Detta arbete stöds av generöst stöd av den National Eye Institute 4K12EY022299 (YMP), kampen för syn-International Retinal forskning stiftelsen FFS GIA16002 (YMP), obegränsad avdelnings stöd från forskning till förhindra blindhet, och den University of Michigan Department of Ophthalmology och Visual Sciences. Detta arbete utnyttjas stadens kärna för Vision forskning finansieras av P30 EY007003 från 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).
