הערכות מבניות In vivo של מחלות עיניים במודלים של מכרסמים באמצעות טומוגרפיה קוהרנטית אופטית
Summary
כאן, אנו מתארים את השימוש בטומוגרפיית קוהרנטיות אופטית בתחום ספקטרלי (SD-OCT) כדי לדמיין מבנים ברשתית ובעין in vivo במודלים של ניוון רשתית, גלאוקומה, רטינופתיה סוכרתית וקוצר ראייה.
Abstract
טומוגרפיית קוהרנטיות אופטית בתחום ספקטרלי (SD-OCT) שימושית להדמיה של מבני רשתית ועיניים in vivo. במחקר, SD-OCT הוא כלי רב ערך להערכה ואפיון של שינויים במגוון מודלים של מחלות רשתית ועיניים ופציעות. במודלים של ניוון רשתית המושרה באור, ניתן להשתמש ב-SD-OCT כדי לעקוב אחר דילול שכבת קולטני האור לאורך זמן. במודלים של גלאוקומה, SD-OCT יכול לשמש לניטור ירידה בשכבת סיבי עצב הרשתית ועובי הרשתית הכולל ולצפייה בכוסות רוח של עצב הראייה לאחר גרימת יתר לחץ דם עיני. במכרסמים סוכרתיים, SD-OCT סייע לחוקרים להבחין בירידה בעובי הרשתית הכולל וכן בירידה בעובי של שכבות רשתית ספציפיות, במיוחד שכבת סיבי עצב הרשתית עם התקדמות המחלה. במודלים עכבריים של קוצר ראייה, SD-OCT יכול לשמש להערכת פרמטרים ציריים, כגון שינויים באורך הצירים. היתרונות של SD-OCT כוללים הדמיה in vivo של מבני עיניים, היכולת לעקוב כמותית אחר שינויים בממדי העין לאורך זמן, ומהירות הסריקה המהירה והרזולוציה הגבוהה שלה. כאן, אנו מפרטים את השיטות של SD-OCT ומראים דוגמאות לשימוש בו במעבדה שלנו במודלים של ניוון רשתית, גלאוקומה, רטינופתיה סוכרתית וקוצר ראייה. השיטות כוללות הרדמה, הדמיית SD-OCT ועיבוד התמונות למדידות עובי.
Introduction
טומוגרפיית קוהרנטיות אופטית בתחום ספקטרלי (SD-OCT) היא שיטת הדמיה מדויקת ברזולוציה גבוהה המאפשרת לרופאים ולחוקרים לבחון מבנים עיניים באופן לא פולשני. טכניקת הדמיה זו מבוססת על אינטרפרומטריה ללכידת תמונות רשתית תלת ממדיות in vivo בקנה מידה מיקרומטרי 1,2. זה הפך לאחד משיטות ההדמיה הנפוצות ביותר במחקר הראייה ובמרפאה בשל זיהוי קל ודיוק של תכונות פתולוגיות כגון פגמים מבניים ו / או דילול של שכבות הרשתית ונוזל תת רשתית3. במחקר באמצעות מודלים של בעלי חיים של הפרעות הקשורות לראייה, SD-OCT סיפק ניתוחים לא פולשניים חיוניים של היחסים בין מבנה ותפקוד ומקורותיהם ההיסטופתולוגיים4. בשל הרזולוציה שלה (עד 2-3 מיקרון, בהתאם לעומק לתוך העין5), SD-OCT יש את היכולת לזהות אפילו שינויים קטנים בעובי שכבת הרשתית. סוג זה של ניתוח יכול לספק מידע חיוני להתקדמות המחלה ולהעריך את היעילות של שיטות neuroprotective וטיפולים עבור הפרעות הקשורות לראייה.
SD-OCT היא חלופה לא פולשנית לבחינת המבנה מבחינה היסטולוגית, והשניים הוכחו כמתואמים6. בעוד SD-OCT אינו מגיע לרזולוציה תאית, הוא מאפשר מחקרי אורך בבעלי חיים. זה יתרון מכיוון שניתן לעקוב אחר התקדמות המחלה בבעלי חיים בודדים לאורך זמן, בניגוד לצורך להרדים בעלי חיים בנקודות זמן ספציפיות. ככל שטכניקות ההדמיה ממשיכות להשתפר, טכנולוגיית SD-OCT תתקדם גם היא, ותספק איכות תמונה משופרת, כמו גם את היכולת להעריך תהליכים ביולוגיים כגון תפקוד כלי דם ברשתית בפירוט רב. אפילו מאז הופעתה בשנת 1991, טכנולוגיית SD-OCT ראתה התקדמות עצומה ברזולוציה, במהירות וברגישות7.
המחקר הנוכחי משתמש במערכת SD-OCT כדי לכמת שינויים בשכבות הרשתית במודלים של מכרסמים של ניוון רשתית, גלאוקומה ורטינופתיה סוכרתית. מערכת SD-OCT המשמשת כאן היא מערכת OCT בתחום פורייה המשתמשת באור אינפרא אדום קרוב בהספק נמוך כדי לרכוש, לעבד ולאחסן תמונות עם רזולוציית עומק בזמן אמת. למערכת SD-OCT יכולת דימות עומק מורחבת בתחום אורכי הגל של 800 ננומטר, המספקת עומק של 8 מ”מ ורזולוציה של 4 מיקרומטר. בזיהוי תחום פורייה, אות ההתאבכות בין האור המפוזר מהרקמה לבין נתיב ייחוס עובר טרנספורמציה של פורייה לבניית סריקות ציריות ו/או פרופילי עומק ציריים בעוצמה מפוזרת8. עבור המחקרים כאן, קרן OCT נסרקת מעל מבנה הרשתית הרצוי תוך רכישה סדרתית של סריקות ציריות. בדרך כלל, תבנית סריקה מקבלת את הרשת הדו-ממדית (B-Scans) כאוסף של קווי סריקה חד-ממדיים ליניאריים (A-Scans), המתאימים לתמונות חתך דו-ממדיות המשתמשות בתבנית סריקת רסטר. עבור מחקרים המתמקדים בקוצר ראייה בעכברים, מערכת זו משמשת גם למדידת ממדים של מבני עיניים (למשל, עובי הקרנית, עובי העדשה, עומק חדר הזגוגית ואורך הצירים).
המערכת הנוכחית מאפשרת למשתמשים לעצב פרוטוקולים משלהם, וליצור סריקות שניתן להתאים ולבחור בהתבסס על מבני העין המעניינים. הסריקות העיקריות המוצגות בפרוטוקולים אלה המוגדרים על-ידי המשתמש הופכות את טכניקת ההדמיה הזו לידידותית למשתמש. עבור ניתוח תמונות, פיתחנו תכנות מותאם אישית בתוכנית מידול מתמטית. SD-OCT הוא כלי רב עוצמה לזיהוי וכימות לא פולשני של שינויים פתומורפולוגיים במבני העין ולמעקב אחר התקדמות מחלות הקשורות לראייה.
Protocol
Representative Results
Discussion
הדמיה ברזולוציה גבוהה של מבני עיניים in vivo מאפשרת הערכה של שינויים ברשתית ובעין לאורך זמן. בפרוטוקול זה, הוכח כי SD-OCT לוכד הבדלים במבנים עיניים in vivo במודלים של ניוון רשתית, גלאוקומה, רטינופתיה סוכרתית וקוצר ראייה.
ההיבט הקריטי ביותר בעת ביצוע SD-OCT הוא קבלת תמונה ברורה של הרשתית…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו נתמכה על ידי פרסי פיתוח הקריירה של המחלקה לענייני חיילים משוחררים (CDA-1, RX002111; CDA-2; RX002928) ל-RSA, פרס הצטיינות (RX002615) ופרס מדען קריירת מחקר (RX003134) ל-MTP, פרס פיתוח קריירה (CDA-2, RX002342) ל-AJF, EY028859 ל-MTP, מענק ליבה NEI P30EY006360, מחקר למניעת עיוורון ו-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 |
References
- 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).
