In vivo strukturelle vurderinger af okulær sygdom i gnavermodeller ved hjælp af optisk kohærenstomografi
Summary
Her beskriver vi brugen af spektraldomæne optisk kohærenstomografi (SD-OCT) til at visualisere retinale og okulære strukturer in vivo i modeller af retinal degeneration, glaukom, diabetisk retinopati og nærsynethed.
Abstract
Spektraldomæne optisk kohærenstomografi (SD-OCT) er nyttig til visualisering af retinale og okulære strukturer in vivo. I forskning er SD-OCT et værdifuldt værktøj til at evaluere og karakterisere ændringer i en række retinale og okulære sygdoms- og skademodeller. I lysinducerede retinale degenerationsmodeller kan SD-OCT bruges til at spore udtynding af fotoreceptorlaget over tid. I glaukom modeller, SD-OCT kan bruges til at overvåge nedsat retinal nerve fiber lag og total retinal tykkelse og til at observere optisk nerve cupping efter inducering okulær hypertension. Hos diabetiske gnavere har SD-OCT hjulpet forskere med at observere nedsat total retinal tykkelse samt nedsat tykkelse af specifikke retinale lag, især retinal nervefiberlag med sygdomsprogression. I musemodeller af nærsynethed kan SD-OCT bruges til at evaluere aksiale parametre, såsom aksiale længdeændringer. Fordelene ved SD-OCT inkluderer in vivo-billeddannelse af okulære strukturer, evnen til kvantitativt at spore ændringer i okulære dimensioner over tid og dens hurtige scanningshastighed og høje opløsning. Her beskriver vi metoderne til SD-OCT og viser eksempler på dets anvendelse i vores laboratorium i modeller af retinal degeneration, glaukom, diabetisk retinopati og nærsynethed. Metoder inkluderer anæstesi, SD-OCT-billeddannelse og behandling af billederne til tykkelsesmålinger.
Introduction
Spektraldomæne optisk kohærenstomografi (SD-OCT) er en præcis billeddannelsesmodalitet med høj opløsning, der gør det muligt for klinikere og forskere at undersøge okulære strukturer ikke-invasivt. Denne billeddannelsesteknik er baseret på interferometri til at optage tredimensionelle retinale billeder in vivo på en mikrometerskala 1,2. Det er blevet en af de hyppigst anvendte billeddannelsesmetoder i synsforskning og i klinikken på grund af den lette påvisning og nøjagtighed af patologiske træk såsom strukturelle defekter og / eller udtynding af retinale lag og subretinal væske3. I forskning ved hjælp af dyremodeller af synsrelaterede lidelser har SD-OCT leveret væsentlige ikke-invasive analyser af forholdet mellem struktur og funktion og deres histopatologiske oprindelse4. På grund af sin opløsning (op til 2-3 mikron, afhængigt af dybden i øjet5), SD-OCT har evnen til at detektere selv små ændringer i retinal lag tykkelse. Denne type analyse kan give vigtige oplysninger til sygdomsprogression og vurdere effektiviteten af neurobeskyttende metoder og behandlinger for synsrelaterede lidelser.
SD-OCT er et ikke-invasivt alternativ til at undersøge struktur histologisk, og de to har vist sig at være korreleret6. Mens SD-OCT ikke når cellulær opløsning, giver det mulighed for langsgående undersøgelser hos dyr. Dette er fordelagtigt, fordi sygdomsprogression kan spores hos individuelle dyr over tid i modsætning til at skulle aflive dyr på bestemte tidspunkter. Efterhånden som billeddannelsesteknikkerne forbedres, vil SD-OCT-teknologien også udvikle sig, hvilket giver forbedret billedkvalitet samt evnen til at vurdere biologiske processer såsom retinal blodkarfunktion i detaljer. Selv siden sin fremkomst i 1991 har SD-OCT-teknologien set enorme fremskridt inden for opløsning, hastighed og følsomhed7.
Denne undersøgelse anvender et SD-OCT-system til at kvantificere ændringer i retinale lag i gnavermodeller af retinal degeneration, glaukom og diabetisk retinopati. SD-OCT-systemet, der bruges her, er et Fourier-domæne OCT-system, der bruger laveffekt, nær-infrarødt lys til at erhverve, behandle og gemme dybdeopløste billeder i realtid. SD-OCT-systemet har udvidet dybdebilleddannelseskapacitet i 800 nm bølgelængdebåndet, hvilket giver 8 mm dybde og 4 μm opløsning. I Fourier-domænedetektion transformeres interferenssignalet mellem spredt lys fra vævet og en referencevej Fourier til at konstruere aksiale scanninger og / eller aksiale dybdeprofiler med spredt intensitet8. Til undersøgelserne her scannes OCT-strålen over den ønskede retinale struktur, mens den serielt erhverver aksiale scanninger. Typisk henter et scanningsmønster det todimensionelle gitter (B-scanninger) som en samling lineære endimensionelle scanningslinjer (A-scanninger), som svarer til 2D-tværsnitsbilleder ved hjælp af et rasterscanningsmønster. For undersøgelser med fokus på nærsynethed hos mus bruges dette system også til at måle dimensioner af okulære strukturer (f.eks. hornhindetykkelse, linsetykkelse, glaslegemedybde og aksial længde).
Det nuværende system giver brugerne mulighed for at designe deres egne protokoller og skabe scanninger, der kan skræddersys og vælges ud fra de okulære strukturer af interesse. De vigtigste scanninger i disse brugerdefinerede protokoller gør denne billedteknik brugervenlig. Til billedanalyser har vi udviklet skræddersyet programmering i et matematisk modelleringsprogram. SD-OCT er et kraftfuldt værktøj til ikke-invasivt at identificere og kvantificere patomorfologiske ændringer i okulære strukturer og overvåge synsrelateret sygdomsprogression.
Protocol
Representative Results
Discussion
Højopløsningsbilleddannelse af okulære strukturer in vivo muliggør vurdering af retinale og okulære ændringer over tid. I denne protokol blev SD-OCT påvist at fange forskelle i okulære strukturer in vivo i modeller af retinal degeneration, glaukom, diabetisk retinopati og nærsynethed.
Det mest kritiske aspekt ved udførelse af SD-OCT er at opnå et klart billede af nethinden eller anden okulær struktur af interesse. Det er vigtigt at tage sig tid til at sikre, at nethinden er perfekt…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbejde blev støttet af Department of Veterans Affairs Rehab R&D 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 |
Referências
- 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).
