Summary

Retinal vaskulær reaktivitet som vurdert av optisk coherence tomografi angiografi

Published: March 26, 2020
doi:

Summary

Denne artikkelen beskriver en metode for måling av retinal vaskulatur reaktivitet in vivo med menneskelige personer ved hjelp av en gass puste provokasjon teknikk for å levere vasoaktive stimuli mens du anskaffenetthinne bilder.

Abstract

Den vaskulære tilførselen til netthinnen har vist seg å dynamisk tilpasse seg gjennom vasokonstriksjon og vasodilatasjon for å imøtekomme de metabolske kravene til netthinnen. Denne prosessen, referert til som retinal vaskulær reaktivitet (RVR), medieres av nevrovaskulær kobling, som er svekket veldig tidlig i retinal vaskulære sykdommer som diabetisk retinopati. Derfor kan en klinisk mulig metode for å vurdere vaskulær funksjon være av betydelig interesse for både forskning og kliniske miljøer. Nylig, in vivo imaging av retinal vaskulatur på kapillærnivå har blitt gjort mulig ved FDA godkjenning av optisk koherens tomografi angiografi (OCTA), en ikke-invasiv, minimal risiko og dyeless angiografi metode med kapillær nivå oppløsning. Samtidig har fysiologiske og patologiske forandringer i RVR blitt vist av flere etterforskere. Metoden som vises i dette manuskriptet er utformet for å undersøke RVR ved hjelp av OCTA uten behov for endringer i kliniske bildeprosedyrer eller enhet. Det demonstrerer sanntidsavbildning av netthinnen og retinal vaskulaturen under eksponering for hyperkapnisk eller hyperoktiske forhold. Eksamen utføres enkelt med to personer på under 30 minutter med minimalt ubehag eller risiko. Denne metoden kan tilpasses andre oftalmiske bildeenheter, og applikasjonene kan variere avhengig av sammensetningen av gassblandingen og pasientpopulasjonen. En styrke av denne metoden er at det tillater en undersøkelse av retinal vaskulær funksjon på kapillærnivå hos mennesker in vivo. Begrensninger av denne metoden er i stor grad de av OCTA og andre retinal imaging metoder inkludert bildeartefakter og et begrenset dynamisk område. Resultatene fra metoden er OCT- og OCTA-bilder av netthinnen. Disse bildene er mottagelige for enhver analyse som er mulig på kommersielt tilgjengelige OCT- eller OCTA-enheter. Den generelle metoden kan imidlertid tilpasses enhver form for oftalmisk avbildning.

Introduction

Den metabolske etterspørselen av netthinnen er avhengig av en tilstrekkelig og konstant tilførsel av oksygen gitt av et godt regulert system av arterioler, kapillærer og venules1. Flere studier har vist at funksjonen til større kaliber menneskelige retinal fartøy kan vurderes in vivo med ulike fysiologiske2,3,4,5 og farmakologisk6,7 stimuli. I tillegg er unormal funksjon av dette vaskulære systemet vanlig i retinal vaskulære sykdommer som diabetisk retinopati der retinal vaskulær reaktivitet (RVR) har vist seg å være fortenuated selv i sine tidligste stadier8,9 gjennom både gass provokasjon9 og flimrende lyseksperimenter5,10,11. Retinal vaskulære risikofaktorer som røyking har også vært korrelert med nedsatt RVR12 og retinal blodstrøm13. Disse funnene er viktige siden de kliniske symptomene på retinal vaskulær sykdom oppstår relativt sent i sykdomsprosessen og bevist tidlig kliniske markører for sykdom mangler14. Dermed kan vurdering av RVR gi nyttige tiltak for vaskulær integritet for tidlig vurdering av abnormiteter som kan initiere eller forverre retinale degenerative sykdommer.

Tidligere RVR eksperimenter har vanligvis stolt på enheter som en laser blodstrømmeter 9 eller fundus kameraer utstyrt med spesielle filtre15 for retinal bilde oppkjøp. Disse teknologiene er imidlertid optimalisert for større diameter fartøy som arterioler16 og venules15, som ikke er der gass, mikronæringsstoff og molekylær utveksling oppstår. En nyere studie var i stand til å kvantifisere RVR av kapillærer ved hjelp av adaptiv optikk imaging17, men til tross for forbedret romlig oppløsning, disse bildene har en mindre feltstørrelse og er ikke FDA godkjent for klinisk bruk18.

Den nylige bruk av optisk sammenheng tomografi angiografi (OCTA) har gitt en FDA godkjent, ikke-invasiv og fargeløs angiografisk metode for å vurdere kapillær nivå endringer i menneskelige pasienter og forsøkspersoner i vivo. OCTA er allment akseptert i klinisk praksis som et effektivt verktøy for å vurdere svekkelse i kapillær perfusjon i retinal vaskulære sykdommer som diabetisk retinopati19, retinal venøse okklusjoner20, vaskulitt21 og mange andre22. OCTA gir derfor en utmerket mulighet for evaluering av endringer i kapillærnivå, som kan ha betydelig romlig og temporal heterogenitet23 samt patologiske endringer, i en klinisk setting. Vår gruppe viste nylig at OCTA kan brukes til å kvantifisere responsen til retinale kar på kapillærnivå2 til fysiologiske endringer i inspirert oksygen, som er en retinal vasokonstriktiv stimulans16,,24og karbondioksid, som er en retinal vasodilattory stimulus3,5.

Målet med denne artikkelen er å beskrive en protokoll som vil tillate leseren å vurdere retinal vaskulær reaktivitet av de mindre arterioler og kapillær seng ved hjelp av OCTA. Metodene er tilpasset fra de som presenteres i Lu et al.25 som beskrev målingen av cerebrovaskulær reaktivitet med magnetisk resonansavbildning. Selv om dagens metoder ble utviklet og brukt under OCTA imaging2, gjelder de for andre retinal bildeenheter med relativt enkle og åpenbare modifikasjoner.

Protocol

Denne studien ble godkjent av University of Southern California Institutional Review Board og overholdt tenets av erklæringen av Helsinki. 1. Oppsett av gassikke-repustende apparat Figur 1: Diagram over ikke-repustende apparat. Hele oppsettet er delt inn i tre separate enheter i henhold til deres funksjon og frekvensen som de behandl…

Representative Results

Utgangen fra dette eksperimentet består av de manuelle avlesningene hentet fra pulsoksimeteret, timingen som er angitt for gasseksponering eller OCTA-skanning og de rå OCTA-bildedataene. Et OCTA-bilde består av OCT B-skanninger og dekorrelasjonssignalet som er knyttet til hver B-skanning. Dataparametrene er gitt av spesifikasjonene til enheten. En feid kilde laser plattform OCTA maskin med en sentral bølgelengde på 1040-1060 nm ble brukt. Bildene gir en tverrgående oppløsning på 20 μm og optisk aksial oppløsnin…

Discussion

Metodikken som nettopp er beskrevet er den komplette protokollen for et gasspusteprovokasjonseksperiment som gjør det mulig å måle et motivs RVR i et kontrollert miljø på bestemte tidspunkter uten endringer i OCTA-bildeenheten og minimalt ubehag eller risiko for motivet. Dette oppsettet er beskrevet på en måte som gjør det mulig for enkle modifikasjoner for å passe til forskernes behov. Det kan romme ekstra rør for å passe forskjellige klinikkrom og visse elementer som in-house rør eller albueledd kan utelate…

Declarações

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Dette arbeidet ble støttet av NIH K08EY027006, R01EY030564, UH3NS100614, Research Grants fra Carl Zeiss Meditec Inc (Dublin, CA) og Unrestricted Department Funding fra Research to Prevent Blindness (New York, NY).

Materials

5% CO2 gas [5% CO2, 21% O2, 74% N2] (Compressed) Institution Dependent (Praxair)
Bacdown Disinfectant Detergent Decon Labs 8001 https://deconlabs.com/products/disinfectant-bdd/
Clean-Bor Tubes (35 mm Inner Diameter) Vacumed 1011-108 http://www.vacumed.com/zcom/product/Product.do?compid=27&skuid=1197
Cuff adapter for Douglas bag filling Vacumed 22254 http://www.vacumed.com/zcom/product/Product.do?compid=27&prodid=343
Douglas bag (200-liter capacity) Harvard Apparatus 500942 https://www.harvardapparatus.com/douglas-bag.html
Elbow Joint (Inner Diameter 19mm/ Outer Diameter 22 mm), Modified in House
Fingertip Pulse Oximeter (Pro-Series) CMS CMS 500DL https://www.walmart.com/ip/Pro-Series-CMS-500DL-Fingertip-Pulse-Oximeter-Blood-Oxygen-Saturation-Monitor-with-silicon-cover-batteries-and-lanyard/479049154
Gas Delivery Tube (22 mm Inner Diameter) Modified in House
Gas filling tube (1/8" for compressed gas)
Hydrogen Peroxide Cleaner Disinfectant Wipes Clorox Healthcare 30824 https://www.cloroxpro.com/products/clorox-healthcare/hydrogen-peroxide-cleaner-disinfectants/?gclid=EAIaIQobChMIk-KG4vi15QIVcRh9Ch0NNwLPEAAYASAAEgJIa_D_BwE&gclsrc=aw.ds
Lubricant Eye Drops Refresh Refresh Plus https://www.refreshbrand.com/Products/refresh-plus
Manual Directional Control Valves: Three-Way T-Shape Stopcock Type (Inner Diameter 28.6 mm, Outer Diameter 35 mm) Hans Rudolph 2100C Series www.rudolphkc.com
Medical O2 (Compressed) Institution Dependent
Mouth piece (Silicone, Model #9061) Hans Rudolph 602076 www.rudolphkc.com
OCTA Imaging Device (PLEX Elite 9000) Carl Zeiss Meditec, Dublin, CA, USA https://www.zeiss.com/meditec/int/product-portfolio/optical-coherence-tomography-devices/plex-elite-9000-swept-source-oct.html
Phenylephrine Hydrochloride Ophthalmic Solution, USP 2.5% Paragon Bioteck, Inc NDC 42702-102-15 https://paragonbioteck.com/products/diagnostics/phenylephrine-hydrochloride-ophthalmic-solution-usp-2-5/
Plastic Nose Clip Sterile Foam CS100 Sklar Sterile 96-2951 https://www.sklarcorp.com/disposables/plastic/plastic-nose-clip-sterile-foam-box-of-100.html
Proparacaine Hydrochloride Ophthalmic Solution, USP .5% Bausch + Lomb NDC 24208-730-06 https://www.bausch.com/ecp/our-products/rx-pharmaceuticals/generics
Regulator (tank dependent- 5% CO2: Fisherbrand Mulitstage Gas Cylinder Regulators) Genstar Technologies Company 10575150 https://www.fishersci.com/shop/products/fisherbrand-multistage-cylinder-regulators-22/10575150?keyword=true
Regulator (tank dependent- Oxygen: Fisherbrand Multistage Gas Cylinder Regulators) Genstar Technologies Company 10575145 https://www.fishersci.com/shop/products/fisherbrand-multistage-cylinder-regulators-22/10575145?keyword=true
Rubber Tubing (Inner diameter 19 mm, Outer diameter 27 mm), Made in House
Sealing tape- Parafilm Wrap (2" Wide) Cole Parmer PM992 https://www.coleparmer.com/i/parafilm-pm992-wrap-2-wide-250-ft-roll/0672050?PubID=VV&persist=True&ip=no&gclid=EAIaIQobChMInY3vqomz5QIVfyCtBh1VSg64EAAYASAAEgJ9n_D_BwE
Sterile Alcohol Prep Pads Medline MDS090670 https://www.medline.com/product/Sterile-Alcohol-Prep-Pads/Swab-Pads/Z05-PF03816
Tropicamide Ophthalmic Solution, USP 1% Akorn NDC 17478-102-12 http://www.akorn.com/prod_detail.php?ndc=17478-102-12
Tubing Adapter, Made in House
Two-way non-rebreathing valve (2600 Series- Inner Diameter 28.6 mm, Outer Diameter 35 mm) Hans Rudolph 2600 Series, UM-112078 www.rudolphkc.com

Referências

  1. Country, M. W. Retinal metabolism: A comparative look at energetics in the retina. Brain Research. 1672, 50-57 (2017).
  2. Ashimatey, B. S., Green, K. M., Chu, Z., Wang, R. K., Kashani, A. H. Impaired Retinal Vascular Reactivity in Diabetic Retinopathy as Assessed by Optical Coherence Tomography Angiography. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 60 (7), 2468 (2019).
  3. Hickam, J. B. M. D., Frayser, R. P. D. Studies of the Retinal Circulation in Man: Observations on Vessel Diameter, Arteriovenous Oxygen Difference, and Mean Circulation Time. Circulation. 33 (2), 302-316 (1966).
  4. Dorner, G. T., Garhoefer, G., Zawinka, C., Kiss, B., Schmetterer, L. Response of Retinal Blood Flow to CO2 -Breathing in Humans. European Journal of Ophthalmology. 12 (6), 459-466 (2002).
  5. Linsenmeier, R. A., Zhang, H. F. Retinal oxygen: from animals to humans. Progress in Retinal and Eye Research. 58, 115-151 (2017).
  6. Eliakim, M., Mor, I., Michaelson, I. C. Assessment of pharmacologic effects on the retinal circulation of hypertensive subjects by a quantitative method. Microvascular Research. 4 (4), 374-383 (1972).
  7. Gilmore, E. D., et al. Retinal arteriolar hemodynamic response to an acute hyperglycemic provocation in early and sight-threatening diabetic retinopathy. Microvascular Research. 73 (3), 191-197 (2007).
  8. Hickam, J. B., Sieker, H. O. Retinal Vascular Reactivity in Patients with Diabetes Mellitus and with Atherosclerosis. Circulation. 22 (2), 243-246 (1960).
  9. Gilmore, E. D., et al. Retinal Arteriolar Diameter, Blood Velocity, and Blood Flow Response to an Isocapnic Hyperoxic Provocation in Early Sight-Threatening Diabetic Retinopathy. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 48 (4), 1744 (2007).
  10. Garhofer, G. Reduced response of retinal vessel diameters to flicker stimulation in patients with diabetes. British Journal of Ophthalmology. 88 (7), 887-891 (2004).
  11. Felder, A. E., Wanek, J., Blair, N. P., Shahidi, M. Inner Retinal Oxygen Extraction Fraction in Response to Light Flicker Stimulation in Humans. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 56 (11), 6633-6637 (2015).
  12. Rose, K., Flanagan, J. G., Patel, S. R., Cheng, R., Hudson, C. Retinal Blood Flow and Vascular Reactivity in Chronic Smokers. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 55 (7), 4266 (2014).
  13. Omae, T., Nagaoka, T., Yoshida, A. Effects of Habitual Cigarette Smoking on Retinal Circulation in Patients With Type 2 Diabetes. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 57 (3), 1345 (2016).
  14. Pusparajah, P., Lee, L. H., Abdul Kadir, K. Molecular Markers of Diabetic Retinopathy: Potential Screening Tool of the Future. Frontiers in Physiology. 7, (2016).
  15. Hammer, M., Vilser, W., Riemer, T., Schweitzer, D. Retinal vessel oximetry-calibration, compensation for vessel diameter and fundus pigmentation, and reproducibility. Journal of Biomedical Optics. 13 (5), 054015 (2008).
  16. Gilmore, E. D., Hudson, C., Preiss, D., Fisher, J. Retinal arteriolar diameter, blood velocity, and blood flow response to an isocapnic hyperoxic provocation. American Journal of Physiology-Heart and Circulatory Physiology. 288 (6), 2912-2917 (2005).
  17. Duan, A., Bedggood, P. A., Metha, A. B., Bui, B. V. Reactivity in the human retinal microvasculature measured during acute gas breathing provocations. Scientific Reports. 7 (1), 2113 (2017).
  18. Burns, S. A., Elsner, A. E., Sapoznik, K. A., Warner, R. L., Gast, T. J. Adaptive optics imaging of the human retina. Progress in Retinal and Eye Research. 68, 1-30 (2019).
  19. Kim, A. Y., Chu, Z., Shahidzadeh, A., Wang, R. K., Puliafito, C. A., Kashani, A. H. Quantifying Microvascular Density and Morphology in Diabetic Retinopathy Using Spectral-Domain Optical Coherence Tomography Angiography. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 57 (9), (2016).
  20. Koulisis, N., et al. Quantitative microvascular analysis of retinal venous occlusions by spectral domain optical coherence tomography angiography. PLOS ONE. 12 (4), 0176404 (2017).
  21. Kim, A. Y., et al. Quantifying Retinal Microvascular Changes in Uveitis Using Spectral-Domain Optical Coherence Tomography Angiography. American Journal of Ophthalmology. 171, 101-112 (2016).
  22. Kashani, A. H., et al. Optical coherence tomography angiography: A comprehensive review of current methods and clinical applications. Progress in Retinal and Eye Research. 60, 66-100 (2017).
  23. Yu, D. Y., et al. Retinal capillary perfusion: Spatial and temporal heterogeneity. Progress in Retinal and Eye Research. 70, 23-54 (2019).
  24. Tayyari, F., et al. The Relationship between Retinal Vascular Reactivity and Arteriolar Diameter in Response to Metabolic Provocation. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 50 (10), 4814 (2009).
  25. Lu, H., Liu, P., Yezhuvath, U., Cheng, Y., Marshall, O., Ge, Y. MRI Mapping of Cerebrovascular Reactivity via Gas Inhalation Challenges. Journal of Visualized Experiments. (94), e52306 (2014).
  26. Reif, R., Qin, J., An, L., Zhi, Z., Dziennis, S., Wang, R. Quantifying Optical Microangiography Images Obtained from a Spectral Domain Optical Coherence Tomography System. International Journal of Biomedical Imaging. 2012, 1-11 (2012).
  27. Olafsdottir, O. B., Eliasdottir, T. S., Kristjansdottir, J. V., Hardarson, S. H., Stefánsson, E. Retinal Vessel Oxygen Saturation during 100% Oxygen Breathing in Healthy Individuals. PLOS ONE. 10 (6), 0128780 (2015).
  28. Kiss, B., et al. Retinal Blood Flow during Hyperoxia in Humans Revisited: Concerted Results Using Different Measurement Techniques. Microvascular Research. 64 (1), 75-85 (2002).
  29. Yezhuvath, U. S., Lewis-Amezcua, K., Varghese, R., Xiao, G., Lu, H. On the assessment of cerebrovascular reactivity using hypercapnia BOLD MRI. NMR in biomedicine. 22 (7), 779-786 (2009).
  30. Hardarson, S. H., et al. Automatic Retinal Oximetry. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 47 (11), 5011 (2006).
  31. Sousa, D. C., Leal, I., Moreira, S., Dionísio, P., Abegão Pinto, L., Marques-Neves, C. Hypoxia challenge test and retinal circulation changes – a study using ocular coherence tomography angiography. Acta Ophthalmologica. 96 (3), 315-319 (2018).
  32. Slessarev, M., Somogyi, R., Preiss, D., Vesely, A., Sasano, H., Fisher, J. A. Efficiency of oxygen administration: Sequential gas delivery versus “flow into a cone” methods. Critical Care Medicine. 34 (3), 829-834 (2006).
  33. Gilmore, E. D., Hudson, C., Venkataraman, S. T., Preiss, D., Fisher, J. Comparison of Different Hyperoxic Paradigms to Induce Vasoconstriction: Implications for the Investigation of Retinal Vascular Reactivity. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 45 (9), 3207 (2004).
  34. Shahidi, A. M., Patel, S. R., Huang, D., Tan, O., Flanagan, J. G., Hudson, C. Assessment of total retinal blood flow using Doppler Fourier Domain Optical Coherence Tomography during systemic hypercapnia and hypocapnia. Physiological Reports. 2 (7), 12046 (2014).
  35. Maleki, N., et al. The Effect of Hypercarbia and Hyperoxia on the Total Blood Flow to the Retina as Assessed by Magnetic Resonance Imaging. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 52 (9), 6867 (2011).
  36. Smit, B., Smulders, Y. M., vander Wouden, J. C., Oudemans-van Straaten, H. M., Spoelstra-de Man, A. M. E. Hemodynamic effects of acute hyperoxia: systematic review and meta-analysis. Critical Care. 22 (1), 45 (2018).
  37. Piccolino, F. P., Cagini, C., Fruttini, D., Nicolò, M., Eandi, C. M., Tito, S. Retinal Vascular Reactivity in Central Serous Chorioretinopathy. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 59 (11), 4425 (2018).
  38. Sousa, D. C., et al. A Protocol to Evaluate Retinal Vascular Response Using Optical Coherence Tomography Angiography. Frontiers in Neuroscience. 13, 566 (2019).
  39. Robinson, F., Riva, C. E., Grunwald, J. E., Petrig, B. L., Sinclair, S. H. Retinal Blood Flow Autoregulation in Response to on Acute Increase in Blood Pressure. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 27 (5), 5 (1986).
  40. Gherghel, D., Hosking, S. L., Cunliffe, I. A. Abnormal Systemic and Ocular Vascular Response to Temperature Provocation in Primary Open-Angle Glaucoma Patients: A Case for Autonomic Failure. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 45 (10), 3546 (2004).
  41. You, Q., et al. Reproducibility of vessel density measurement with Optical Coherence Tomography Angiography in eyes with and without retinopathy. Retina. 37 (8), 1475-1482 (2017).
  42. Lei, J., et al. Repeatability and Reproducibility of Superficial Macular Retinal Vessel Density Measurements Using Optical Coherence Tomography Angiography En Face Images. JAMA Ophthalmology. 135 (10), 1092 (2017).
  43. Czakó, C., et al. Intrasession and Between-Visit Variability of Retinal Vessel Density Values Measured with OCT Angiography in Diabetic Patients. Scientific Reports. 8 (1), 10598 (2018).
  44. Field, A. S., Laurienti, P. J., Yen, Y. F., Burdette, J. H., Moody, D. M. Dietary Caffeine Consumption and Withdrawal: Confounding Variables in Quantitative Cerebral Perfusion Studies. Radiology. 227 (1), 129-135 (2003).
  45. Baek, S. U., et al. Diurnal change of retinal vessel density and mean ocular perfusion pressure in patients with open-angle glaucoma. PLOS ONE. 14 (4), 0215684 (2019).
  46. Müller, V. C., Storp, J. J., Kerschke, L., Nelis, P., Eter, N., Alnawaiseh, M. Diurnal variations in flow density measured using optical coherence tomography angiography and the impact of heart rate, mean arterial pressure and intraocular pressure on flow density in primary open-angle glaucoma patients. Acta Ophthalmologica. 97 (6), (2019).
  47. Sarwar, S., et al. Diurnal variation of choriocapillaris vessel flow density in normal subjects measured using optical coherence tomography angiography. International Journal of Retina and Vitreous. 4 (1), 37 (2018).
  48. Liu, P., De Vis, J. B., Lu, H. Cerebrovascular reactivity (CVR) MRI with CO2 challenge: A technical review. NeuroImage. 187, 104-115 (2019).
  49. Ting, D. S. W., et al. Optical Coherence Tomographic Angiography in Type 2 Diabetes and Diabetic Retinopathy. JAMA Ophthalmology. 135 (4), 306 (2017).
  50. Spaide, R. F., Fujimoto, J. G., Waheed, N. K., Sadda, S. R., Staurenghi, G. Optical coherence tomography angiography. Progress in retinal and eye research. 64, 1-55 (2018).
  51. An, D., et al. Quantitative comparisons between optical coherence tomography angiography and matched histology in the human eye. Experimental Eye Research. 170, 13-19 (2018).
check_url/pt/60948?article_type=t

Play Video

Citar este artigo
Kushner-Lenhoff, S., Ashimatey, B. S., Kashani, A. H. Retinal Vascular Reactivity as Assessed by Optical Coherence Tomography Angiography. J. Vis. Exp. (157), e60948, doi:10.3791/60948 (2020).

View Video