Summary

In vivo strukturelle vurderinger av okulær sykdom i gnagermodeller ved bruk av optisk koherenstomografi

Published: July 24, 2020
doi:

Summary

Her beskriver vi bruken av spektral-domene optisk koherenstomografi (SD-OCT) for å visualisere retinale og okulære strukturer in vivo i modeller av retinal degenerasjon, glaukom, diabetisk retinopati og nærsynthet.

Abstract

Spektral-domene optisk koherens tomografi (SD-OCT) er nyttig for å visualisere retinale og okulære strukturer in vivo. I forskning er SD-OCT et verdifullt verktøy for å evaluere og karakterisere endringer i en rekke retinale og okulære sykdoms- og skademodeller. I lysinduserte retinal degenerasjonsmodeller kan SD-OCT brukes til å spore tynning av fotoreceptorlaget over tid. I DrDeramus-modeller kan SD-OCT brukes til å overvåke redusert retinal nervefiberlag og total retinal tykkelse og å observere optisk nervekopping etter å ha indusert okulær hypertensjon. Hos diabetiske gnagere har SD-OCT hjulpet forskere med å observere redusert total retinal tykkelse, samt redusert tykkelse av spesifikke retinale lag, spesielt retinal nervefiberlaget med sykdomsprogresjon. I musemodeller av nærsynthet kan SD-OCT brukes til å evaluere aksiale parametere, for eksempel aksiale lengdeendringer. Fordeler med SD-OCT inkluderer in vivo-avbildning av okulære strukturer, evnen til kvantitativt å spore endringer i okulære dimensjoner over tid, og dens raske skannehastighet og høye oppløsning. Her beskriver vi metodene for SD-OCT og viser eksempler på bruk i vårt laboratorium i modeller av retinal degenerasjon, glaukom, diabetisk retinopati og nærsynthet. Metoder inkluderer anestesi, SD-OCT-avbildning og behandling av bildene for tykkelsesmålinger.

Introduction

Spektral-domene optisk koherenstomografi (SD-OCT) er en presis, høyoppløselig bildebehandlingsmodalitet som gjør det mulig for klinikere og forskere å undersøke okulære strukturer ikke-invasivt. Denne avbildningsteknikken er basert på interferometri for å fange tredimensjonale retinale bilder in vivo på en mikrometerskala 1,2. Det har blitt en av de mest brukte bildebehandlingsmodalitetene i synsforskning og i klinikken på grunn av enkel påvisning og nøyaktighet av patologiske egenskaper som strukturelle defekter og / eller tynning av retinale lag og subretinalvæske3. I forskning ved hjelp av dyremodeller av synsrelaterte lidelser har SD-OCT gitt viktige ikke-invasive analyser av sammenhenger mellom struktur og funksjon og deres histopatologiske opprinnelse4. På grunn av oppløsningen (opptil 2-3 mikron, avhengig av dybden i øyet5), har SD-OCT evnen til å oppdage selv små endringer i retinallagtykkelsen. Denne typen analyse kan gi viktig informasjon for sykdomsprogresjon og vurdere effekten av nevrobeskyttende metoder og behandlinger for synsrelaterte lidelser.

SD-OCT er et ikke-invasivt alternativ til å undersøke struktur histologisk, og de to har vist seg å være korrelert6. Mens SD-OCT ikke når cellulær oppløsning, tillater det longitudinelle studier hos dyr. Dette er fordelaktig fordi sykdomsprogresjon kan spores hos individuelle dyr over tid i motsetning til å måtte avlive dyr på bestemte tidspunkter. Etter hvert som bildebehandlingsteknikkene fortsetter å forbedres, vil SD-OCT-teknologien også utvikle seg, noe som gir forbedret bildekvalitet, samt muligheten til å vurdere biologiske prosesser som retinal blodkarfunksjon i detalj. Selv siden adventen i 1991 har SD-OCT-teknologien sett store fremskritt innen oppløsning, hastighet og følsomhet7.

Denne studien benytter et SD-OCT-system for å kvantifisere endringer i retinale lag i gnagermodeller av retinal degenerasjon, glaukom og diabetisk retinopati. SD-OCT-systemet som brukes her er et Fourier-domene OCT-system som bruker laveffekt, nær-infrarødt lys for å anskaffe, behandle og lagre dybdeoppløste bilder i sanntid. SD-OCT-systemet har utvidet dybdeavbildningsevne i 800 nm bølgelengdebåndet, noe som gir 8 mm dybde og 4 μm oppløsning. I Fourier-domenedeteksjon blir interferenssignalet mellom spredt lys fra vevet og en referansebane Fourier transformert for å konstruere aksiale skanninger og/eller aksiale dybdeprofiler med spredt intensitet8. For studiene her skannes OCT-strålen over ønsket retinalstruktur mens man seriøst oppnår aksiale skanninger. Vanligvis får et skannemønster det todimensjonale rutenettet (B-skanninger) som en samling lineære endimensjonale skannelinjer (A-skanninger), som tilsvarer 2D-tverrsnittsbilder ved hjelp av et rasterskannemønster. For studier fokusert på nærsynthet hos mus, brukes dette systemet også til å måle dimensjoner av okulære strukturer (f.eks. Hornhindetykkelse, linsetykkelse, glasslegemedybde og aksial lengde).

Det nåværende systemet lar brukerne designe sine egne protokoller, lage skanninger som kan skreddersys og velges basert på de okulære strukturene av interesse. De viktigste skanningene i disse brukerdefinerte protokollene gjør denne bildebehandlingsteknikken brukervennlig. For bildeanalyser har vi utviklet tilpasset programmering i et matematisk modelleringsprogram. SD-OCT er et kraftig verktøy for ikke-invasivt å identifisere og kvantifisere patomorfologiske endringer i okulære strukturer og overvåke synsrelatert sykdomsprogresjon.

Protocol

Alle beskrevne prosedyrer ble godkjent av Atlanta Veterans Affairs Institutional Animal Care and Use Committee og i samsvar med National Institutes of Health guide for omsorg og bruk av forsøksdyr (NIH Publications, 8. utgave, oppdatert 2011). MERK: SD-OCT-systemet som brukes til å utvikle protokollen nedenfor, er beskrevet i materialfortegnelsen. Mens noen av prosedyrene er spesifikke for dette bestemte systemet, kan den generelle tilnærmingen tilpasses andre OC…

Representative Results

SD-OCT anses som vellykket hvis bilder av høy kvalitet oppnås slik at okulære dimensjoner kan måles pålitelig. Her er en rekke bruksområder av SD-OCT illustrert ved hjelp av modeller av retinal degenerasjon, glaukom, diabetisk retinopati og nærsynthet. I en lysindusert retinal degenerasjon (LIRD) -modell induserer eksponering for sterkt lys (10.000 lux) degenerasjon av fotoreceptorceller i netthinnen9. Representative SD-OCT-bilder viser et tynnere ytre kjernelag,…

Discussion

Høyoppløselig avbildning av okulære strukturer in vivo muliggjør vurdering av retinale og okulære endringer over tid. I denne protokollen ble SD-OCT vist å fange forskjeller i okulære strukturer in vivo i modeller av retinal degenerasjon, glaukom, diabetisk retinopati og nærsynthet.

Det mest kritiske aspektet ved utførelse av SD-OCT er å få et klart bilde av netthinnen eller annen okulær struktur av interesse. Det er viktig å ta deg tid til å sørge for at netthinnen er perfekt s…

Divulgazioni

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Dette arbeidet ble støttet av Department of Veterans Affairs Rehab R&ampD Service Career Development Awards (CDA-1, RX002111; CDA-2; RX002928) til RSA, Merit Award (RX002615) og Research Career Scientist Award (RX003134) til MTP, Career Development Award (CDA-2, RX002342) til AJF, EY028859 til MTP, NEI Core Grant P30EY006360, Research to Prevent Blindness, og Foundation Fighting Blindness.

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

  1. 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).
  2. 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).
  3. Theelen, T., Teussink, M. M. Inspection of the Human Retina by Optical Coherence Tomography. Methods in Molecular Biology. 1715, 351-358 (2018).
  4. 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).
  5. Drexler, W., et al. Ultrahigh-resolution ophthalmic optical coherence tomography. Nature Medicine. 7 (4), 502-507 (2001).
  6. 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).
  7. Tian, J., et al. Performance evaluation of automated segmentation software on optical coherence tomography volume data. Journal of Biophotonics. 9 (5), 478-489 (2016).
  8. 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).
  9. Boatright, J. H., et al. Tool from ancient pharmacopoeia prevents vision loss. Molecular Vision. 12, 1706-1714 (2006).
  10. Morrison, J. C., et al. A rat model of chronic pressure-induced optic nerve damage. Experimental Eye Research. 64 (1), 85-96 (1997).
  11. Feola, A. J., et al. Menopause exacerbates visual dysfunction in experimental glaucoma. Experimental Eye Research. 186, 107706 (2019).
  12. 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).
  13. 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).
  14. Stone, R. A., et al. Altered ocular parameters from circadian clock gene disruptions. PLoS One. 14 (6), 0217111 (2019).
  15. Chakraborty, R., et al. Circadian rhythms, refractive development, and myopia. Ophthalmic & Physiological Optics. 38 (3), 217-245 (2018).
  16. 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).
  17. 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).
  18. 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).
  19. 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).
  20. 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).
  21. Schmucker, C., Schaeffel, F. A paraxial schematic eye model for the growing C57BL/6 mouse. Vision Research. 44 (16), 1857-1867 (2004).
  22. 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).
  23. Puzyeyeva, O., et al. High-Resolution Optical Coherence Tomography Retinal Imaging: A Case Series Illustrating Potential and Limitations. Journal of Ophthalmology. 2011, 764183 (2011).
  24. Liu, A. S., et al. Topography and pachymetry maps for mouse corneas using optical coherence tomography. Experimental Eye Research. 190, 107868 (2020).
  25. 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).
  26. 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).
  27. Zhang, M., et al. Advanced image processing for optical coherence tomographic angiography of macular diseases. Biomedical Optics Express. 6 (12), 4661-4675 (2015).
  28. Muhlfriedel, R., et al. Optimized Subretinal Injection Technique for Gene Therapy Approaches. Methods in Molecular Biology. 1834, 405-412 (2019).
  29. Adekunle, A. N., et al. Integration of Perforated Subretinal Prostheses With Retinal Tissue. Translational Vision Science & Technology. 4 (4), 5 (2015).
  30. 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).
  31. 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).
  32. 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).
  33. 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).
check_url/it/61588?article_type=t

Play Video

Citazione di questo articolo
Allen, R. S., Bales, K., Feola, A., Pardue, M. T. In vivo Structural Assessments of Ocular Disease in Rodent Models using Optical Coherence Tomography. J. Vis. Exp. (161), e61588, doi:10.3791/61588 (2020).

View Video