In vivo strukturella bedömningar av okulär sjukdom i gnagarmodeller med optisk koherenstomografi
Summary
Här beskriver vi användningen av spektraldomänoptisk koherenstomografi (SD-OCT) för att visualisera retinala och okulära strukturer in vivo i modeller av retinal degeneration, glaukom, diabetisk retinopati och myopi.
Abstract
Spektral-domän optisk koherens tomografi (SD-OCT) är användbar för att visualisera retinala och okulära strukturer in vivo. Inom forskning är SD-OCT ett värdefullt verktyg för att utvärdera och karakterisera förändringar i en mängd olika modeller av retinala och okulära sjukdomar och skador. I ljusinducerade retinala degenerationsmodeller kan SD-OCT användas för att spåra gallring av fotoreceptorskiktet över tid. I glaukommodeller kan SD-OCT användas för att övervaka minskat retinalt nervfiberskikt och total retinal tjocklek och för att observera optisk nervkoppning efter inducering av okulär hypertoni. Hos diabetiska gnagare har SD-OCT hjälpt forskare att observera minskad total retinal tjocklek samt minskad tjocklek på specifika retinala lager, särskilt retinal nervfiberskikt med sjukdomsprogression. I musmodeller av närsynthet kan SD-OCT användas för att utvärdera axiella parametrar, såsom axiella längdförändringar. Fördelar med SD-OCT inkluderar in vivo-avbildning av okulära strukturer, förmågan att kvantitativt spåra förändringar i okulära dimensioner över tid och dess snabba skanningshastighet och höga upplösning. Här beskriver vi metoderna för SD-OCT och visar exempel på dess användning i vårt laboratorium i modeller av retinal degeneration, glaukom, diabetisk retinopati och myopi. Metoderna inkluderar anestesi, SD-OCT-avbildning och bearbetning av bilderna för tjockleksmätningar.
Introduction
Spektral-domän optisk koherens tomografi (SD-OCT) är en exakt, högupplöst bildmodalitet som gör det möjligt för kliniker och forskare att undersöka okulära strukturer icke-invasivt. Denna avbildningsteknik är baserad på interferometri för att fånga tredimensionella retinala bilder in vivo på en mikrometerskala 1,2. Det har blivit en av de mest använda avbildningsmetoderna inom synforskning och i kliniken på grund av enkel upptäckt och noggrannhet av patologiska egenskaper som strukturella defekter och / eller gallring av retinala lager och subretinal vätska3. I forskning med djurmodeller av synrelaterade sjukdomar har SD-OCT tillhandahållit väsentliga icke-invasiva analyser av samband mellan struktur och funktion och deras histopatologiska ursprung4. På grund av sin upplösning (upp till 2-3 mikron, beroende på djupet i ögat5) har SD-OCT förmågan att upptäcka även små förändringar i näthinnans skikttjocklek. Denna typ av analys kan ge viktig information för sjukdomsprogression och bedöma effekten av neuroprotektiva metoder och behandlingar för synrelaterade störningar.
SD-OCT är ett icke-invasivt alternativ till att undersöka strukturen histologiskt, och de två har visat sig vara korrelerade6. Medan SD-OCT inte når cellulär upplösning, tillåter det longitudinella studier på djur. Detta är fördelaktigt eftersom sjukdomsprogression kan spåras hos enskilda djur över tid i motsats till att behöva avliva djur vid specifika tidpunkter. Eftersom bildtekniken fortsätter att förbättras kommer SD-OCT-tekniken också att utvecklas, vilket ger förbättrad bildkvalitet samt förmågan att bedöma biologiska processer som retinal blodkärlsfunktion i detalj. Även sedan tillkomsten 1991 har SD-OCT-tekniken sett stora framsteg i upplösning, hastighet och känslighet7.
Den aktuella studien använder ett SD-OCT-system för att kvantifiera förändringar i retinala lager i gnagarmodeller av retinal degeneration, glaukom och diabetisk retinopati. SD-OCT-systemet som används här är ett Fourier-domän OCT-system som använder lågeffekt, nära infrarött ljus för att förvärva, bearbeta och lagra djupupplösta bilder i realtid. SD-OCT-systemet har utökad djupbildskapacitet i 800 nm-våglängdsbandet, vilket ger 8 mm djup och 4 μm upplösning. I Fourierdomändetektion transformeras interferenssignalen mellan spritt ljus från vävnaden och en referensväg Fourier för att konstruera axiella skanningar och/eller axiella djupprofiler med spridd intensitet8. För studierna här skannas OCT-strålen över den önskade retinala strukturen medan den seriellt förvärvar axiella skanningar. Vanligtvis förvärvar ett skanningsmönster det tvådimensionella rutnätet (B-Scans) som en samling linjära endimensionella skanningslinjer (A-Scans), som motsvarar 2D-tvärsnittsbilder med hjälp av ett rasterskanningsmönster. För studier fokuserade på närsynthet hos möss används detta system också för att mäta dimensioner av okulära strukturer (t.ex. hornhinnans tjocklek, linstjocklek, glaskammardjup och axiell längd).
Det nuvarande systemet tillåter användare att utforma sina egna protokoll, skapa skanningar som kan skräddarsys och väljas utifrån de okulära strukturerna av intresse. De viktigaste skanningarna i dessa användardefinierade protokoll gör denna bildteknik användarvänlig. För bildanalyser har vi utvecklat anpassad programmering i ett matematiskt modelleringsprogram. SD-OCT är ett kraftfullt verktyg för att icke-invasivt identifiera och kvantifiera patomorfologiska förändringar i okulära strukturer och övervaka synrelaterad sjukdomsprogression.
Protocol
Representative Results
Discussion
Högupplöst avbildning av okulära strukturer in vivo möjliggör bedömning av retinala och okulära förändringar över tid. I detta protokoll visades SD-OCT för att fånga skillnader i okulära strukturer in vivo i modeller av retinal degeneration, glaukom, diabetisk retinopati och myopi.
Den mest kritiska aspekten när man utför SD-OCT är att få en tydlig bild av näthinnan eller annan okulär struktur av intresse. Det är viktigt att ta tid att se till att näthinnan är perfekt cen…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Detta arbete stöddes av Department of Veterans Affairs Rehab R&D Service Career Development Awards (CDA-1, RX002111; CDA-2; RX002928) till RSA, Merit Award (RX002615) och Research Career Scientist Award (RX003134) till MTP, Career Development Award (CDA-2, RX002342) till AJF, EY028859 till MTP, NEI Core Grant P30EY006360, Research to Prevent Blindness och 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).
