Роман Фотоакустическая микроскопии и оптическая когерентная томография Dual модальности хориоретинальной изображений в жизни кролика глаза
Summary
Эта рукопись описывает Роман установки и эксплуатации процедура Фотоакустическая микроскопии и оптическая когерентная томография двойной модальности системы для неинвазивной, лейбл бесплатный хориоретинальной воображения более крупных животных, таких как кролики.
Abstract
Фотоакустическая глазной изображений является возникающие глазные imaging технологии, что неинвазивно может визуализировать глазных тканей путем преобразования световой энергии в звуковые волны и в настоящее время ведется интенсивное расследование. Однако большинство сообщили, работа на сегодняшний день сосредоточена на изображений заднего сегмента глаза мелких животных, таких как крыс и мышей, который создает проблемы для клинических человека перевода из-за размеров малых глазного яблока. Эта рукопись описывает Роман Фотоакустическая микроскопии (PAM) и оптическая когерентная томография (Окт) двойной модальности системы для заднего сегмента изображений глаз более крупных животных, таких как кролики. Конфигурации системы, система выравнивания, животных подготовки и двойной модальности экспериментальные протоколы для в vivo, неинвазивный, лейбл свободный хориоретинальной изображений в кроликов подробно. Эффективность метода проявляется через представителя экспериментальные результаты, включая сетчатки и хориоидеи сосудистую, полученные Пэм и октября. Эта рукопись обеспечивает практическое руководство для воспроизведения изображений результаты у кроликов и продвижения Фотоакустическая глазной изображений в крупных животных.
Introduction
Последние десятилетия были свидетелями взрывное развитие области биомедицинских Фотоакустическая изображений1,2,3,4,5,6,7 ,8. На основе преобразования энергии света в звук, возникающих Фотоакустическая изображений можно визуализировать биологических образцов в масштабах от Органеллы клетки, тканей, органов малого животное тело и может раскрыть ее анатомические, функциональных, молекулярные, генетических, и метаболической информации1,2,9,10,,1112. Фотоакустическая изображений нашла уникальных приложений в широкий спектр биомедицинских полей, таких как ячейки биологии13,14,15,сосудистая биология16, неврологии17,18 , онкология19,20,21,22, Дерматология23, фармакологии24и гематологии25,26. Его применение в офтальмологии, то есть, Фотоакустическая глазной imaging, привлекает существенные интересы от ученых и клиницистов и в настоящее время проводится активное расследование.
В отличие от обычно используются глазной визуализации технологии27, например fluorescein ангиография (FA) и зеленый indocyanine ангиография (ICGA) (основанный на контраст флуоресценции), оптическая когерентная томография (Окт) (на основе оптического рассеяния контраст) и его производные OCT ангиография (основанный на движении контраст красных кровяных клеток), Фотоакустическая глазной изображений использует оптического поглощения как механизм контраст. Это отличается от обычных технологий глазной визуализации и представляет собой уникальный инструмент для изучения свойств оптического поглощения глаза, которые обычно ассоциируются с патофизиологических состояние глазных тканей28. На сегодняшний день, значительный отличную работу было сделано в Фотоакустическая глазной изображений29,30,,3132,33,34,35, 36,37, но эти исследования сосредоточены на задний сегмент глаза мелких животных, таких как мыши и крысы. Новаторские исследования также продемонстрировать возможности Фотоакустическая изображений в офтальмологии, но есть еще долгий путь к клинической перевод с размеров глазного яблока крыс и мышей технологии являются намного меньше (менее чем одна треть) чем людей. Вследствие распространения ультразвуковых волн на значительно более дальние расстояния сигнал интенсивность и качество изображения может сильно страдают, когда техника используется для визуализации заднего сегмента больших глаз.
К этой цели, мы недавно сообщили неинвазивный, лейбл бесплатно хориоретинальной изображений в живых кроликов с помощью комплексного Фотоакустическая микроскопии (PAM) и спектральной области октября (SD-Окт)38. Система имеет отличную производительность и может визуализировать сетчатки и сосудистой оболочки глаза крупных животных, основанные на эндогенные поглощения и рассеяния контраст глазных тканей. Предварительные результаты в кроликов показывают, что PAM неинвазивно мог различить с помощью лазерной экспозиционной дозы отдельных кровеносных сосудов сетчатки и хориоидеи (~ 80 nJ) значительно ниже предела безопасности американский национальный институт стандартов (ANSI) (160 nJ) на 570 Нм39; и OCT может явно разрешить различных слоях сетчатки, сосудистое и склеры. Это очень первая демонстрация заднего сегмента изображения крупных животных с помощью PAM и может быть крупным шагом к клинической перевод технологии, учитывая, что почти 80% осевой длины глазного яблока размер кроликов (18,1 мм)40 люди (23,9 мм).
В этой работе, мы предоставляем подробное описание съемочной системы двойной модальности и экспериментальных протоколов, используемых для неинвазивной, лейбл бесплатный хориоретинальной изображений в живых кроликов и продемонстрировать производительность системы на основе представительной сетчатки и хориоидеи визуализации результатов.
Protocol
Representative Results
Discussion
Неповрежденными и регулярные слезной пленки имеет важное значение для изображений высокого качества глазного дна. Нерегулярные и ухудшилось слезоточивый фильмов может значительно ухудшить качество изображения42. Чтобы сохранить целостность слезной пленки и предотврати…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Эта работа была поддержана щедрой поддержке Национальный глазной институт 4K12EY022299 (YMP), бой для зрение-Международная сетчатки исследовательский фонд FFS GIA16002 (YMP), неограниченный департаментов поддержке исследований по предотвращению слепоты и Мичиганский университет кафедра офтальмологии и Visual наук. Эта работа используется основной центр видения исследований, финансируемых Р30 EY007003 из Национального института глаз.
Materials
| Dual-modality imaging system | |||
| OPO laser | Ekspla (Vilnius, Lithuania) | NT-242 | |
| Beam attenuator | Thorlabs, Inc. (Newton, NJ, USA) | AHWP10M-600 | |
| Motorized rotation stage | Thorlabs, Inc. (Newton, NJ, USA) | PRM1/MZ8 | |
| Motorized rotation stage controller | Thorlabs, Inc. (Newton, NJ, USA) | TDC001 | |
| Focusing lens | Thorlabs, Inc. (Newton, NJ, USA) | AC254-250-B | |
| Pinhole | Thorlabs, Inc. (Newton, NJ, USA) | P50S | |
| Collimating lens | Thorlabs, Inc. (Newton, NJ, USA) | AC127-030-B | |
| Photodiode | Thorlabs, Inc. (Newton, NJ, USA) | PDA36A | |
| Laser shutter | Vincent Associates Inc. (Toronto, Canada) | LS6S2T0 | |
| Laser shutter driver | Vincent Associates Inc. (Toronto, Canada) | VCM-D1 | |
| Dichroic mirror | Semrock, Inc. (Rochester, NY, USA) | Di03-R785-t3-25×36 | |
| Scan lens | Thorlabs, Inc. (Newton, NJ, USA) | OCT-LK3-BB | |
| Ophthalmic lens | Thorlabs, Inc. (Newton, NJ, USA) | AC080-010-B-ML | |
| Ultrasonic transducer | Optosonic Inc. (Arcadia, CA, USA) | Custom | |
| Amplifier | L3 Narda-MITEQ (Hauppauge, NY, USA) | AU-1647 | |
| Band-pass filter | Mini-Circuits (Brooklyn, NY, USA) | BLP-30+ | |
| Digitizer | DynamicSignals LLC (Lockport, IL, USA) | PX1500-4 | |
| Synchronization electronics | National Instruments Corporation (Austin, TX, USA) | USB-6353 | |
| OCT module | Thorlabs, Inc. (Newton, NJ, USA) | Ganymede-II-HR | |
| Dispersion compensation glass | Thorlabs, Inc. (Newton, NJ, USA) | LSM03DC | |
| Illumination LED light | Thorlabs, Inc. (Newton, NJ, USA) | MCWHF2 | |
| Power meter | Thorlabs, Inc. (Newton, NJ, USA) | S121C | |
| Power meter interface | Thorlabs, Inc. (Newton, NJ, USA) | PM100USB | |
| Height measurement tool | Thorlabs, Inc. (Newton, NJ, USA) | BHM1 | |
| Fundus camera | Topcon Corporation (Tokyo, Japan) | TRC 50EX | |
| Matlab | MathWorks (Natick, MA, USA) | 2017a | |
| Oscilloscope | Teledyne LeCroy (Chestnut Ridge, NY, USA) | WaveJet 354T | |
| Animal experiment | |||
| Water-circulating blanket | Stryker Corporation (Kalamazoo, MI, USA) | TP-700 | |
| Ketamine hydrochloride injection | Par pharmaceutical, Inc. (Woodcliff Lake, NJ, USA) | NDC code 42023-115-10 | |
| Xylazine hydrochloride | VetOne (Boise, ID, USA) | NDC code 13985-704-10 | |
| Tropicamide ophthalmic | Akorn Pharmaceuticals Inc. (Lake Forest, IL, USA) | NDC code 17478-102-12 | |
| Phenylephrine hydrochloride ophthalmic | Paragon BioTeck, Inc. (Portland, OR, USA) | NDC code 42702-102-15 | |
| Eye lubricant | Hub Pharmaceuticals LLC (Rancho Cucamonga, CA, USA) | NDC code 17238-610-15 | |
| Eyewash | Altaire Pharmaceuticals, Inc. (Aquebogue, NY, USA) | NDC code 59390-175-18 | |
| Tetracaine hydrochloride ophthalmic solution | Bausch & Lomb, Inc. (Rochester, NY, USA) | NDC code 24208-920-64 | |
| Flurbiprofen sodium ophthalmic solution | Bausch & Lomb, Inc. (Rochester, NY, USA) | NDC code 24208-314-25 | |
| Neomycin and Polymyxin B Sulfates and Dexamethasone Ophthalmic Ointment | Bausch & Lomb, Inc. (Rochester, NY, USA) | NDC code 24208-795-35 | |
| Meloxicam injection | Henry Schein Inc. (Queens, NY, USA) | NDC code 11695-6925-1 |
References
- Wang, L. V., Hu, S. Photoacoustic tomography: in vivo imaging from organelles to organs. Science. 335 (6075), 1458-1462 (2012).
- Beard, P. Biomedical photoacoustic imaging. Interface Focus. , (2011).
- Taruttis, A., Ntziachristos, V. Advances in real-time multispectral optoacoustic imaging and its applications. Nat Photonics. 9 (4), 219-227 (2015).
- Tian, C., Xie, Z., Fabiilli, M. L., Wang, X. Imaging and sensing based on dual-pulse nonlinear photoacoustic contrast: a preliminary study on fatty liver. Opt Lett. 40 (10), 2253-2256 (2015).
- Tian, C., et al. Dual-pulse nonlinear photoacoustic technique: a practical investigation. Biomed Opt Express. 6 (8), 2923-2933 (2015).
- Tian, C., et al. Non-Contact Photoacoustic Imaging Using a Commercial Heterodyne Interferometer. IEEE Sens J. 16 (23), 8381-8388 (2016).
- Kim, K. H., et al. Air-coupled ultrasound detection using capillary-based optical ring resonators. Sci Rep. 7, 1 (2017).
- Feng, T., et al. Bone assessment via thermal photo-acoustic measurements. Opt Lett. 40 (8), 1721-1724 (2015).
- Chen, S. -. L., Xie, Z., Carson, P. L., Wang, X., Guo, L. J. In vivo flow speed measurement of capillaries by photoacoustic correlation spectroscopy. Opt Lett. 36 (20), 4017-4019 (2011).
- Dean-Ben, X., Fehm, T. F., Razansky, D. Universal Hand-held Three-dimensional Optoacoustic Imaging Probe for Deep Tissue Human Angiography and Functional Preclinical Studies in Real Time. J Vis Exp. (93), e51864 (2014).
- Galanzha, E. I., et al. In vivo magnetic enrichment and multiplex photoacoustic detection of circulating tumour cells. Nat Nanotechnol. 4 (12), 855-860 (2009).
- Xiang, L., Wang, B., Ji, L., Jiang, H. 4-D photoacoustic tomography. Sci Rep. 3, (2013).
- Tian, C., et al. Plasmonic nanoparticles with quantitatively controlled bioconjugation for photoacoustic imaging of live cancer cells. Adv Sci. 3 (12), (2016).
- Zhou, F., Wu, S., Yuan, Y., Chen, W. R., Xing, D. Mitochondria-Targeting Photoacoustic Therapy Using Single-Walled Carbon Nanotubes. Small. 8 (10), 1543-1550 (2012).
- Maslov, K., Zhang, H. F., Hu, S., Wang, L. V. Optical-resolution photoacoustic microscopy for in vivo imaging of single capillaries. Opt Lett. 33 (9), 929-931 (2008).
- Hu, S., Maslov, K., Wang, L. V. Three-dimensional Optical-resolution Photoacoustic Microscopy. J Vis Exp. (51), e2729 (2011).
- Yao, J., et al. High-speed label-free functional photoacoustic microscopy of mouse brain in action. Nat Methods. 12 (5), 407-410 (2015).
- Yang, X., Skrabalak, S. E., Li, Z. -. Y., Xia, Y., Wang, L. V. Photoacoustic tomography of a rat cerebral cortex in vivo with au nanocages as an optical contrast agent. Nano Lett. 7 (12), 3798-3802 (2007).
- Agarwal, A., et al. Targeted gold nanorod contrast agent for prostate cancer detection by photoacoustic imaging. J Appl Phys. 102 (6), 064701 (2007).
- Zackrisson, S., van de Ven, S., Gambhir, S. Light in and sound out: emerging translational strategies for photoacoustic imaging. Cancer Res. 74 (4), 979-1004 (2014).
- Ermilov, S. A., et al. Laser optoacoustic imaging system for detection of breast cancer. J Biomed Opt. 14 (2), 024007 (2009).
- Mallidi, S., Luke, G. P., Emelianov, S. Photoacoustic imaging in cancer detection, diagnosis, and treatment guidance. Trends Biotechnol. 29 (5), 213-221 (2011).
- Zhang, H. F., Maslov, K., Stoica, G., Wang, L. V. Functional photoacoustic microscopy for high-resolution and noninvasive in vivo imaging. Nat Biotechnol. 24 (7), 848 (2006).
- Keswani, R. K., et al. Repositioning Clofazimine as a Macrophage-Targeting Photoacoustic Contrast Agent. Sci Rep. 6, 23528 (2016).
- Strohm, E. M., Berndl, E. S., Kolios, M. C. Probing red blood cell morphology using high-frequency photoacoustics. Biophys J. 105 (1), 59-67 (2013).
- Nguyen, V. P., Kim, J., Ha, K. -. l., Oh, J., Kang, H. W. Feasibility study on photoacoustic guidance for high-intensity focused ultrasound-induced hemostasis. J Biomed Opt. 19 (10), 105010 (2014).
- Keane, P. A., Sadda, S. R. Retinal imaging in the twenty-first century: state of the art and future directions. Ophthalmology. 121 (12), 2489-2500 (2014).
- Keane, P., Sadda, S. Imaging chorioretinal vascular disease. Eye. 24 (3), 422-427 (2010).
- Jiao, S., et al. Photoacoustic ophthalmoscopy for in vivo retinal imaging. Opt Express. 18 (4), 3967-3972 (2010).
- Liu, T., et al. Near-infrared light photoacoustic ophthalmoscopy. Biomed Opt Express. 3 (4), 792-799 (2012).
- Song, W., et al. A combined method to quantify the retinal metabolic rate of oxygen using photoacoustic ophthalmoscopy and optical coherence tomography. Sci Rep. 4, 6525 (2014).
- Liu, W., Zhang, H. F. Photoacoustic imaging of the eye: a mini review. Photoacoustics. 4 (3), 112-123 (2016).
- de La Zerda, A., et al. Photoacoustic ocular imaging. Opt Lett. 35 (3), 270-272 (2010).
- Hu, S., Rao, B., Maslov, K., Wang, L. V. Label-free photoacoustic ophthalmic angiography. Opt Lett. 35 (1), 1-3 (2010).
- Silverman, R. H., et al. High-resolution photoacoustic imaging of ocular tissues. Ultrasound Med Biol. 36 (5), 733-742 (2010).
- Wu, N., Ye, S., Ren, Q., Li, C. High-resolution dual-modality photoacoustic ocular imaging. Opt Lett. 39 (8), 2451-2454 (2014).
- Hennen, S. N., et al. Photoacoustic tomography imaging and estimation of oxygen saturation of hemoglobin in ocular tissue of rabbits. Exp Eye Res. 138, 153-158 (2015).
- Tian, C., Zhang, W., Mordovanakis, A., Wang, X., Paulus, Y. M. Noninvasive chorioretinal imaging in living rabbits using integrated photoacoustic microscopy and optical coherence tomography. Opt Express. 25 (14), 15947-15955 (2017).
- Laser Institute of America. American National Standard for Safe Use of Lasers ANSI Z136.1 – 2007. American National Standards Institute, Inc. , (2007).
- Hughes, A. A schematic eye for the rabbit. Vision Res. 12 (1), 123 (1972).
- Ma, T., et al. Systematic study of high-frequency ultrasonic transducer design for laser-scanning photoacoustic ophthalmoscopy. J Biomed Opt. 19 (1), 016015 (2014).
- Song, W., Wei, Q., Jiao, S., Zhang, H. F. Integrated photoacoustic ophthalmoscopy and spectral-domain optical coherence tomography. J Vis Exp. (71), (2013).
- Mattison, S., Kim, W., Park, J., Applegate, B. Molecular Imaging in Optical Coherence Tomography. Curr Mol Imaging. 3 (2), 88-105 (2014).
