Структурные оценки in vivo глазных заболеваний у моделей грызунов с использованием оптической когерентной томографии
Summary
Здесь мы описываем использование спектрально-доменной оптической когерентной томографии (SD-OCT) для визуализации структур сетчатки и глаз in vivo в моделях дегенерации сетчатки, глаукомы, диабетической ретинопатии и близорукости.
Abstract
Спектрально-доменная оптическая когерентная томография (SD-OCT) полезна для визуализации структур сетчатки и глаз in vivo. В исследованиях SD-OCT является ценным инструментом для оценки и характеристики изменений в различных моделях заболеваний сетчатки и глаз и травм. В моделях дегенерации сетчатки, индуцированных светом, SD-OCT может использоваться для отслеживания истончения слоя фоторецептора с течением времени. В моделях глаукомы SD-OCT может использоваться для мониторинга уменьшения слоя нервных волокон сетчатки и общей толщины сетчатки, а также для наблюдения за купированием зрительного нерва после индуцирования глазной гипертензии. У грызунов с диабетом SD-OCT помог исследователям наблюдать уменьшение общей толщины сетчатки, а также уменьшение толщины определенных слоев сетчатки, особенно слоя нервных волокон сетчатки с прогрессированием заболевания. В мышиных моделях близорукости SD-OCT можно использовать для оценки осевых параметров, таких как изменения осевой длины. Преимущества SD-OCT включают в себя визуализацию глазных структур in vivo, возможность количественно отслеживать изменения размеров глаза с течением времени, а также его быструю скорость сканирования и высокое разрешение. Здесь мы подробно описываем методы SD-OCT и показываем примеры его использования в нашей лаборатории в моделях дегенерации сетчатки, глаукомы, диабетической ретинопатии и близорукости. Методы включают анестезию, визуализацию SD-OCT и обработку изображений для измерения толщины.
Introduction
Спектрально-доменная оптическая когерентная томография (SD-OCT) является точной модальностью визуализации с высоким разрешением, которая позволяет клиницистам и исследователям исследовать глазные структуры неинвазивно. Этот метод визуализации основан на интерферометрии для захвата трехмерных изображений сетчатки in vivo в микрометровом масштабе 1,2. Он стал одним из наиболее часто используемых методов визуализации в исследованиях зрения и в клинике из-за легкого обнаружения и точности патологических особенностей, таких как структурные дефекты и / или истончение слоев сетчатки и субретинальной жидкости3. В исследованиях с использованием животных моделей расстройств, связанных со зрением, SD-OCT предоставила необходимые неинвазивные анализы отношений между структурой и функцией и их гистопатологическим происхождением4. Благодаря своему разрешению (до 2-3 мкм, в зависимости от глубины в глаз5), SD-OCT обладает способностью обнаруживать даже небольшие изменения толщины слоя сетчатки. Этот тип анализа может предоставить важную информацию для прогрессирования заболевания и оценить эффективность нейропротекторных методов и методов лечения расстройств, связанных со зрением.
SD-OCT является неинвазивной альтернативой изучению структуры гистологически, и было показано, что они коррелируют6. Хотя SD-OCT не достигает клеточного разрешения, он позволяет проводить продольные исследования на животных. Это выгодно, потому что прогрессирование заболевания может отслеживаться у отдельных животных с течением времени, в отличие от необходимости усыплять животных в определенные моменты времени. По мере того, как методы визуализации продолжают совершенствоваться, технология SD-OCT также будет развиваться, обеспечивая улучшенное качество изображения, а также возможность оценивать биологические процессы, такие как функция кровеносных сосудов сетчатки в мельчайших деталях. Даже с момента своего появления в 1991 году технология SD-OCT добилась огромных успехов в разрешении, скорости и чувствительности7.
Настоящее исследование использует систему SD-OCT для количественной оценки изменений в слоях сетчатки в моделях дегенерации сетчатки, глаукомы и диабетической ретинопатии. Система SD-OCT, используемая здесь, представляет собой OCT-систему с доменом Фурье, которая использует маломощный ближний инфракрасный свет для получения, обработки и хранения изображений с глубинным разрешением в режиме реального времени. Система SD-OCT имеет расширенные возможности визуализации глубины в диапазоне длин волн 800 нм, обеспечивая глубину 8 мм и разрешение 4 мкм. При обнаружении домена Фурье интерференционный сигнал между рассеянным светом от ткани и эталонным путем преобразуется Фурье для построения осевых сканирований и/или осевых профилей глубины рассеянной интенсивности8. Для исследований здесь пучок OCT сканируется над желаемой структурой сетчатки при последовательном получении осевого сканирования. Как правило, шаблон сканирования получает двумерную сетку (B-Scans) в виде коллекции линейных одномерных линий сканирования (A-Scans), которые соответствуют 2D-изображениям поперечного сечения с использованием растрового шаблона сканирования. Для исследований, посвященных близорукости у мышей, эта система также используется для измерения размеров глазных структур (например, толщины роговицы, толщины хрусталика, глубины стекловидной камеры и осевой длины).
Текущая система позволяет пользователям разрабатывать свои собственные протоколы, создавая сканы, которые могут быть адаптированы и выбраны на основе интересующих глазных структур. Основные сканирования, представленные в этих пользовательских протоколах, делают этот метод обработки изображений удобным для пользователя. Для анализа изображений мы разработали индивидуальное программирование в программе математического моделирования. SD-OCT является мощным инструментом для неинвазивного выявления и количественной оценки патоморфологических изменений в глазных структурах и мониторинга прогрессирования заболеваний, связанных со зрением.
Protocol
Representative Results
Discussion
Визуализация глазных структур in vivo с высоким разрешением позволяет оценить изменения сетчатки и глаз с течением времени. В этом протоколе было продемонстрировано, что SD-OCT фиксирует различия в глазных структурах in vivo в моделях дегенерации сетчатки, глаукомы, диабетической ретинопатии …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Эта работа была поддержана наградами Департамента по делам ветеранов rehab R&D Service Career Development Awards (CDA-1, RX002111; КДА-2; RX002928) для RSA, Merit Award (RX002615) и Research Career Scientist Award (RX003134) для MTP, Career Development Award (CDA-2, RX002342) для AJF, EY028859 для MTP, NEI Core Grant P30EY006360, Research to Prevention Blindness и 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).
