Optik Koherens Tomografi Kullanılarak Kemirgen Modellerinde Oküler Hastalığın İn vivo Yapısal Değerlendirmeleri
Summary
Burada, retinal dejenerasyon, glokom, diyabetik retinopati ve miyopi modellerinde retinal ve oküler yapıları in vivo olarak görselleştirmek için spektral-alan optik koherens tomografinin (SD-OCT) kullanımını açıklamaktayız.
Abstract
Spektral-alan optik koherens tomografi (SD-OCT), retinal ve oküler yapıları in vivo olarak görselleştirmek için yararlıdır. Araştırmada, SD-OCT, çeşitli retinal ve oküler hastalık ve yaralanma modellerindeki değişiklikleri değerlendirmek ve karakterize etmek için değerli bir araçtır. Işık kaynaklı retinal dejenerasyon modellerinde, SD-OCT, fotoreseptör tabakasının zamanla incelmesini izlemek için kullanılabilir. Glokom modellerinde SD-OCT, azalmış retina sinir lifi tabakasını ve toplam retina kalınlığını izlemek ve oküler hipertansiyonu indükledikten sonra optik sinir kapanmasını gözlemlemek için kullanılabilir. Diyabetik kemirgenlerde, SD-OCT, araştırmacıların toplam retina kalınlığının azalmasının yanı sıra spesifik retina tabakalarının, özellikle de hastalık progresyonu ile retinal sinir lifi tabakasının kalınlığının azaldığını gözlemlemelerine yardımcı olmuştur. Miyopinin fare modellerinde, SD-OCT, eksenel uzunluk değişiklikleri gibi eksenel parametreleri değerlendirmek için kullanılabilir. SD-OCT’nin avantajları arasında oküler yapıların in vivo görüntülenmesi, zaman içinde oküler boyutlardaki değişiklikleri kantitatif olarak izleme yeteneği ve hızlı tarama hızı ve yüksek çözünürlüğü sayılabilir. Burada, SD-OCT yöntemlerini detaylandırdık ve retinal dejenerasyon, glokom, diyabetik retinopati ve miyopi modellerinde laboratuvarımızda kullanım örneklerini gösterdik. Yöntemler anestezi, SD-OCT görüntüleme ve kalınlık ölçümleri için görüntülerin işlenmesini içerir.
Introduction
Spektral-alan optik koherens tomografi (SD-OCT), klinisyenlerin ve araştırmacıların oküler yapıları noninvaziv olarak incelemelerini sağlayan hassas, yüksek çözünürlüklü bir görüntüleme yöntemidir. Bu görüntüleme tekniği, mikrometre ölçeğinde 1,2 inç vivo üç boyutlu retinal görüntüler yakalamak için interferometriye dayanmaktadır. Yapısal defektler ve/veya retina tabakaları ve subretinal sıvının incelmesi gibi patolojik özelliklerin kolay saptanması ve doğruluğu nedeniyle görme araştırmalarında ve klinikte en sık kullanılan görüntüleme yöntemlerinden biri haline gelmiştir3. SD-OCT, görme ile ilişkili bozuklukların hayvan modellerini kullanan araştırmalarda, yapı ve fonksiyon arasındaki ilişkilerin ve histopatolojik kökenlerinin temel noninvaziv analizlerini sağlamıştır4. SD-OCT, çözünürlüğü nedeniyle (gözün derinliğine bağlı olarak 2-3 mikrona kadar5), retina tabakası kalınlığındaki küçük değişiklikleri bile tespit etme yeteneğine sahiptir. Bu tür bir analiz, hastalığın ilerlemesi için gerekli bilgileri sağlayabilir ve görme ile ilgili bozukluklar için nöroprotektif yöntemlerin ve tedavilerin etkinliğini değerlendirebilir.
SD-OCT, yapının histolojik olarak incelenmesine noninvaziv bir alternatiftir ve ikisinin korelasyon gösterdiği gösterilmiştir6. SD-OCT hücresel çözünürlüğe ulaşmazken, hayvanlarda uzunlamasına çalışmalara izin verir. Bu avantajlıdır, çünkü belirli zaman noktalarında hayvanları ötenazi yapmak zorunda kalmanın aksine, zaman içinde bireysel hayvanlarda hastalık ilerlemesi izlenebilir. Görüntüleme teknikleri gelişmeye devam ettikçe, SD-OCT teknolojisi de ilerleyecek ve gelişmiş görüntü kalitesinin yanı sıra retinal kan damarı fonksiyonu gibi biyolojik süreçleri ince ayrıntılarla değerlendirme yeteneği sağlayacaktır. SD-OCT teknolojisi, 1991 yılında ortaya çıkışından bu yana bile çözünürlük, hız ve hassasiyette büyük ilerlemelerkaydetmiştir 7.
Bu çalışmada, retinal dejenerasyon, glokom ve diyabetik retinopatinin kemirgen modellerinde retina tabakalarındaki değişiklikleri ölçmek için bir SD-OCT sistemi kullanılmaktadır. Burada kullanılan SD-OCT sistemi, derinliği çözümlenmiş görüntüleri gerçek zamanlı olarak elde etmek, işlemek ve depolamak için düşük güçlü, yakın kızılötesi ışık kullanan bir Fourier etki alanı OCT sistemidir. SD-OCT sistemi, 800 nm dalga boyu bandında genişletilmiş derinlik görüntüleme kapasitesine sahiptir ve 8 mm derinlik ve 4 μm çözünürlük sağlar. Fourier etki alanı tespitinde, dokudan gelen dağınık ışık ile bir referans yolu arasındaki girişim sinyali, Fourier’in eksenel taramalar ve/veya dağınık yoğunlukta eksenel derinlik profilleri oluşturmak üzere dönüştürülmesi8. Buradaki çalışmalar için OCT ışını istenilen retinal yapı üzerinden taranırken, seri olarak eksenel taramalar elde edilir. Tipik olarak, bir tarama deseni, iki boyutlu ızgarayı (B-Taramalar), bir raster tarama deseni kullanarak 2B kesitsel görüntülere karşılık gelen doğrusal tek boyutlu tarama çizgilerinin (A-Taramalar) bir koleksiyonu olarak alır. Farelerde miyopiye odaklanan çalışmalar için, bu sistem aynı zamanda oküler yapıların boyutlarını ölçmek için de kullanılır (örneğin, kornea kalınlığı, lens kalınlığı, vitreus odası derinliği ve eksenel uzunluk).
Mevcut sistem, kullanıcıların kendi protokollerini tasarlamalarına, ilgilendikleri oküler yapılara göre uyarlanabilen ve seçilebilen taramalar oluşturmalarına olanak tanır. Bu kullanıcı tanımlı protokollerde yer alan temel taramalar, bu görüntüleme tekniğini kullanıcı dostu hale getirir. Görüntü analizleri için, matematiksel modelleme programında özelleştirilmiş programlama geliştirdik. SD-OCT, oküler yapılardaki patomorfolojik değişiklikleri non-invaziv olarak tanımlamak ve ölçmek ve görme ile ilişkili hastalık progresyonunu izlemek için güçlü bir araçtır.
Protocol
Representative Results
Discussion
Oküler yapıların in vivo yüksek çözünürlüklü görüntülenmesi, zaman içinde retina ve oküler değişikliklerin değerlendirilmesine olanak sağlar. Bu protokolde SD-OCT’nin retinal dejenerasyon, glokom, diyabetik retinopati ve miyopi modellerinde in vivo oküler yapılardaki farklılıkları yakaladığı gösterilmiştir.
SD-OCT yaparken en kritik husus, retinanın veya ilgilenilen diğer oküler yapının net bir görüntüsünü elde etmektir. Retinanın mükemmel bir şekilde …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu çalışma, Gazi İşleri Bakanlığı Rehabilitasyon Ar-Ge Hizmeti Kariyer Geliştirme Ödülleri (CDA-1, RX002111; CDA-2; RSA’ya RX002928), MTP’ye Liyakat Ödülü (RX002615) ve Araştırma Kariyer Bilim İnsanı Ödülü (RX003134), AJF’ye Kariyer Geliştirme Ödülü (CDA-2, RX002342), MTP’ye EY028859, NEI Core Grant P30EY006360, Körlüğü Önleme Araştırması ve Körlükle Mücadele Vakfı.
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 |
References
- 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).
