Djup kärlavbildning i ögat med flödesförbättrat ultraljud

Summary

Vi presenterar en icke-invasiv ultraljud teknik för att generera tredimensionella angiografier i ögat utan användning av kontrastmedel.

Abstract

Näthinnan i ögat är en av de mest energikrävande vävnaderna i kroppen och kräver därför hög syretillförsel från en rik blodtillförsel. Kapillär lamina av choroid linjer den yttre ytan av näthinnan och är den dominerande källan till syre i de flesta ryggradsdjur näthinnor. Denna vaskulär säng är dock utmanande att avbilda med traditionella optiska tekniker på grund av sin position bakom den mycket ljusabsorberande näthinnan. Här beskriver vi en högfrekvent ultraljud teknik med efterföljande flöde-förbättring att bild djupa vaskulär sängar (0,5-3 cm) av ögat med en hög spatiotemporal upplösning. Denna icke-invasiva metod fungerar bra hos arter med nukleära röda blodkroppar (icke-däggdjurs- och fosterdjurmodeller). Det möjliggör generering av icke-invasiva tredimensionella angiografier utan användning av kontrastmedel, och det är oberoende av blodflödesvinklar med högre känslighet än Doppler-baserade ultraljudsavbildningstekniker.

Introduction

Den höga ämnesomsättningen på ryggradsdjuret näthinnan medför en inneboende kompromiss mellan två kontrasterande behov; höga blodflöden och en lätt väg utan blodkärl. För att undvika synstörningar av perfusing röda blodkroppar får näthinnan hos alla ryggradsdjur syre och näringsämnen via ett ark kapillärer bakom fotoreceptorerna, choriocapillaris1,2,3. Denna enda källa till näringsämnen och syre medför dock en diffusionsbegränsning för tjockleken på ^{näthinnan4,5}, så många visuellt aktiva arter har en mängd utarbetade kärlnätverk för att ge ytterligare blodtillförsel till detta metaboliskt aktiva ^organ6. Dessa kärlbäddar inkluderar blodkärl som perfusar de inre näthinnans lager hos däggdjur och vissa fiskar4,7,8,9,10, blodkärl på den inre (ljusvända) sidan av näthinnan som finns i många fiskar, reptiler och fåglar4,11,12,13 och motströms vaskulär arrangemang av fisken choroid, choroid rete mirabil, som möjliggör generering av super-atmosfäriska syre partiella tryck14,15,16,17,18,19,20. Trots att dessa ytterligare icke-choroidal vägar för retinal näringstillförsel spelar en viktig roll för att driva de metaboliska kraven för överlägsen ^vision4, är den tredimensionella anatomin av dessa vaskulär strukturer dåligt förstådd, vilket begränsar vår förståelse av ryggradsdjurets morfologiska utveckling.

Traditionellt har retinal blodtillförsel studerats med hjälp av optiska tekniker, såsom fundus oftalmoskopi. Denna kategori av tekniker ger hög genomströmning icke-destruktiva information om icke-choroidal blodkärl anatomi i ^{högupplösta21} och används därför lätt i klinisk diagnos av avvikelser i retinal fartyg ^struktur22. Näthinnepigmentet epitel absorberar dock det överförda ljuset och begränsar synfältet i dessa optiska tekniker, vilket ger minskad information om choroidal struktur och funktion utan användning av ^{kontrastmedel21}. Liknande djupbegränsningar har erfarenhet av optisk koherenstomografi (OCT). Denna teknik kan generera högupplösta fundus angiographies med hjälp av ljusvågor på den tekniska kostnaden för djup ^{penetration23}, medan det förbättrade djupet imaging OCT kan visualisera choroid på bekostnad av retinal imaging ^kvalitet24. Magnetisk resonans imaging övervinner de optiska begränsningarna av oftalmoskopi och OCT och kan kartlägga vaskulär lager i näthinnan, om än med en låg ^{upplösning25}. Histologi och mikrokompatibel tomografi (μCT) upprätthåller den höga upplösningen av de optiska teknikerna och ger information om helögd vaskulär ^morfologi4, men båda teknikerna kräver okulär provtagning och är därför inte möjliga i kliniken eller sällsynta eller utrotningshotade arter. För att övervinna några av begränsningarna i dessa etablerade näthinneavbildningstekniker presenterar studien här ett ultraljudsprotokoll på sövda djur, där blodrörelser kartläggs i silico på en serie lika fördelade tvådimensionella ultraljudsundersökningar som spänner över ett helt öga genom att tillämpa en jämförbar teknik som tidigare beskrivits för embryonal och kardiovaskulär ^{avbildning26,27, 28} och i OCT ^angiografi29. Detta tillvägagångssätt möjliggör generering av icke-invasiva tredimensionella djup okulär angiografier utan att använda ett kontrastmedel och öppnar nya vägar för kartläggning av blodflödesfördelningen inom ögat över arter.

Protocol

Protokollet nedan utfördes med tillstånd från den danska inspektionen för djurförsök inom det danska ministeriet för livsmedel, jordbruk och fiske, Danska veterinär- och livsmedelsförvaltningen (tillståndsnummer 2016-15-0201-00835). 1. Anestesi och ultraljud medium Bedöva forskningsdjuret.OBS: Typ och dos av lämplig anestesi är mycket artberoende. I allmänhet är nedsänkningsbaserade anestetika som MS-222 (etyl 3-aminobensoatmetanol), bensokain (etyl 4-aminobensoat…

Representative Results

Den flödesförbättrade ultraljudstekniken för att avbilda kärlbäddar i ögat kan appliceras i en rad olika arter och har för närvarande använts i 46 olika ryggradsdjur (figur 1, tabell 1). Förekomsten av nukleära röda blodkroppar i ryggradsdjur som inte är vuxna och däggdjur ger positiv kontrast till strömmande blod jämfört med statisk vävnad i cine-inspelningar (Kompletterande fil 2). Men när den analyseras bildruta för bildruta är den t…

Discussion

Vaskulär bildbehandling med hjälp av flödesförbättrad ultraljud ger en ny metod för icke-invasiv avbildning av ögats vaskulatur som erbjuder flera fördelar jämfört med nuvarande tekniker men har sina inneboende begränsningar. Den främsta fördelen med flödesförbättrad ultraljud är förmågan att generera okulära angiografier med ett skärpedjup som överstiger näthinnepigmentet epitel, vilket begränsar skärpedjupet i optiska tekniker. Vid ultraljudsavbildning bestäms rumslig upplösning och skärpedj…

Materials

MS-222	Sigma	E10521-50G
Benzocaine	Sigma	E-1501
Propofol	B Braun	12260470_0320
Alfaxalon	Jurox	NA
Isoflurane	Zoetis	50019100
Ultrasound scanner	VisualSonics	Vevo 2100