광학 간섭 단층 촬영을 사용한 설치류 모델에서 안구 질환의 생체 내 구조 평가
Summary
여기에서는 망막 변성, 녹내장, 당뇨병 성 망막증 및 근시 모델에서 생체 내 망막 및 안구 구조를 시각화하기 위해 스펙트럼 도메인 광학 간섭 단층 촬영 (SD-OCT)을 사용하는 방법을 설명합니다.
Abstract
스펙트럼 영역 광학 간섭 단층 촬영 (SD-OCT)은 생체 내에서 망막 및 안구 구조를 시각화하는 데 유용합니다. 연구에서 SD-OCT는 다양한 망막 및 안구 질환 및 손상 모델의 변화를 평가하고 특성화하는 데 유용한 도구입니다. 광 유도 망막 변성 모델에서 SD-OCT는 시간 경과에 따른 광수용체 층의 얇아짐을 추적하는 데 사용할 수 있습니다. 녹내장 모델에서 SD-OCT는 감소된 망막 신경 섬유층과 총 망막 두께를 모니터링하고 안구 고혈압을 유도한 후 시신경 부항을 관찰하는 데 사용할 수 있습니다. 당뇨병 설치류에서 SD-OCT는 연구자들이 총 망막 두께 감소와 특정 망막 층, 특히 질병 진행에 따른 망막 신경 섬유층의 두께 감소를 관찰하는 데 도움이 되었습니다. 근시의 마우스 모델에서 SD-OCT는 축 방향 길이 변화와 같은 축 방향 매개 변수를 평가하는 데 사용할 수 있습니다. SD-OCT의 장점에는 안구 구조의 생체 내 이미징, 시간 경과에 따른 안구 치수의 변화를 정량적으로 추적하는 기능, 빠른 스캔 속도 및 고해상도가 포함됩니다. 여기에서는 SD-OCT의 방법을 자세히 설명하고 망막 변성, 녹내장, 당뇨병 성 망막증 및 근시 모델에서 실험실에서 사용 된 예를 보여줍니다. 방법에는 마취, SD-OCT 이미징 및 두께 측정을 위한 이미지 처리가 포함됩니다.
Introduction
스펙트럼 영역 광학 간섭 단층 촬영(SD-OCT)은 임상의와 연구자가 안구 구조를 비침습적으로 검사할 수 있는 정밀한 고해상도 이미징 방식입니다. 이 이미징 기술은 간섭계를 기반으로 하여 마이크로미터 규모의 생체 내 3차원 망막 이미지를 캡처합니다.1,2. 망막층 및 망막하 액의 구조적 결함 및/또는 얇아짐과 같은 병리학적 특징의 쉬운 감지 및 정확성으로 인해 시력 연구 및 클리닉에서 가장 자주 사용되는 영상 양식중 하나가 되었습니다3. 시각 관련 장애의 동물 모델을 사용한 연구에서 SD-OCT는 구조와 기능 간의 관계와 조직 병리학 적 기원에 대한 필수적인 비 침습적 분석을 제공했습니다4. 해상도 (눈의 깊이에 따라 최대 2-3 미크론5)로 인해 SD-OCT는 망막 층 두께의 작은 변화도 감지 할 수 있습니다. 이러한 유형의 분석은 질병 진행에 필수적인 정보를 제공하고 시력 관련 장애에 대한 신경 보호 방법 및 치료의 효능을 평가할 수 있습니다.
SD-OCT는 조직 학적으로 구조를 검사하는 비 침습적 대안이며, 둘은 상관 관계가있는 것으로 나타났습니다6. SD-OCT는 세포 분해능에 도달하지 않지만 동물에 대한 종단 연구를 허용합니다. 이는 특정 시점에서 동물을 안락사시키는 것과는 대조적으로 시간이 지남에 따라 개별 동물에서 질병 진행을 추적 할 수 있기 때문에 유리합니다. 이미징 기술이 계속 향상됨에 따라 SD-OCT 기술도 발전하여 향상된 이미지 품질과 망막 혈관 기능과 같은 생물학적 과정을 세부적으로 평가할 수 있는 기능을 제공할 것입니다. 1991년 등장 이래에도 SD-OCT 기술은 해상도, 속도 및 감도7에서 엄청난 발전을 이루었습니다.
본 연구는 SD-OCT 시스템을 활용하여 망막 변성, 녹내장 및 당뇨병 성 망막증의 설치류 모델에서 망막 층의 변화를 정량화합니다. 여기에 사용된 SD-OCT 시스템은 저전력, 근적외선을 활용하여 깊이 해상도 이미지를 실시간으로 획득, 처리 및 저장하는 푸리에 영역 OCT 시스템입니다. SD-OCT 시스템은 800nm 파장 대역에서 확장된 깊이 이미징 기능을 제공하여 8mm 깊이 및 4μm 해상도를 제공합니다. 푸리에 도메인 검출에서, 조직으로부터의 산란광과 기준 경로 사이의 간섭 신호는 산란 강도8의 축 방향 스캔 및 / 또는 축 방향 깊이 프로파일을 구성하기 위해 푸리에 변환된다. 여기의 연구를 위해 OCT 빔은 축 방향 스캔을 연속적으로 획득하면서 원하는 망막 구조 위로 스캔됩니다. 일반적으로 스캔 패턴은 래스터 스캔 패턴을 사용하여 2D 단면 이미지에 해당하는 선형 1차원 스캔 라인(A-스캔)의 모음으로 2차원 그리드(B-스캔)를 획득합니다. 마우스의 근시에 초점을 맞춘 연구의 경우이 시스템은 안구 구조의 차원 (예 : 각막 두께, 렌즈 두께, 유리체 챔버 깊이 및 축 길이)을 측정하는 데에도 사용됩니다.
현재 시스템을 통해 사용자는 자신의 프로토콜을 설계하여 관심 있는 안구 구조에 따라 맞춤화하고 선택할 수 있는 스캔을 생성할 수 있습니다. 이러한 사용자 정의 프로토콜에 포함된 주요 스캔은 이 이미징 기술을 사용자 친화적으로 만듭니다. 이미지 분석을 위해 우리는 수학적 모델링 프로그램에서 맞춤형 프로그래밍을 개발했습니다. SD-OCT는 안구 구조의 병리학적 변화를 비침습적으로 식별 및 정량화하고 시력 관련 질병 진행을 모니터링하는 강력한 도구입니다.
Protocol
Representative Results
Discussion
생체 내 안구 구조의 고해상도 이미징을 통해 시간 경과에 따른 망막 및 안구 변화를 평가할 수 있습니다. 이 프로토콜에서 SD-OCT는 망막 변성, 녹내장, 당뇨병 성 망막증 및 근시 모델에서 생체 내 안구 구조의 차이를 포착하는 것으로 입증되었습니다.
SD-OCT를 수행할 때 가장 중요한 측면은 망막 또는 기타 관심 있는 안구 구조의 선명한 이미지를 얻는 것입니다. 망막이 완벽하…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
이 작업은 재향 군인회 재활 R&D 서비스 경력 개발 상(CDA-1, RX002111; CDA-2; RX002928)을 RSA로, 공로상(RX002615) 및 연구 경력 과학자상(RX003134)을 MTP로, AJF에 경력 개발 상(CDA-2, RX002342), MTP에 EY028859, NEI 코어 보조금 P30EY006360, 실명 예방 연구 및 실명 퇴치를 위한 재단.
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 |
Riferimenti
- 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).
