In vivo structurele beoordelingen van oogziekten in knaagdiermodellen met behulp van optische coherentietomografie
Summary
Hier beschrijven we het gebruik van spectrale optische coherentietomografie (SD-OCT) om retinale en oculaire structuren in vivo te visualiseren in modellen van retinale degeneratie, glaucoom, diabetische retinopathie en bijziendheid.
Abstract
Spectrale domein optische coherentie tomografie (SD-OCT) is nuttig voor het visualiseren van retinale en oculaire structuren in vivo. In onderzoek is SD-OCT een waardevol hulpmiddel om veranderingen in een verscheidenheid aan retinale en oculaire ziekte- en letselmodellen te evalueren en te karakteriseren. In door licht geïnduceerde retinale degeneratiemodellen kan SD-OCT worden gebruikt om het dunner worden van de fotoreceptorlaag in de loop van de tijd te volgen. In glaucoommodellen kan SD-OCT worden gebruikt om de verminderde retinale zenuwvezellaag en de totale retinale dikte te controleren en om oogzenuw cupping te observeren na het induceren van oculaire hypertensie. Bij diabetische knaagdieren heeft SD-OCT onderzoekers geholpen bij het waarnemen van een verminderde totale retinale dikte en een verminderde dikte van specifieke retinale lagen, met name de retinale zenuwvezellaag met ziekteprogressie. In muismodellen van bijziendheid kan SD-OCT worden gebruikt om axiale parameters te evalueren, zoals axiale lengteveranderingen. Voordelen van SD-OCT zijn onder meer in vivo beeldvorming van oculaire structuren, de mogelijkheid om veranderingen in oculaire dimensies in de loop van de tijd kwantitatief te volgen en de snelle scansnelheid en hoge resolutie. Hier beschrijven we de methoden van SD-OCT en tonen we voorbeelden van het gebruik ervan in ons laboratorium in modellen van retinale degeneratie, glaucoom, diabetische retinopathie en bijziendheid. Methoden omvatten anesthesie, SD-OCT-beeldvorming en verwerking van de beelden voor diktemetingen.
Introduction
Spectral-domein optische coherentie tomografie (SD-OCT) is een nauwkeurige beeldvormingsmodaliteit met hoge resolutie waarmee clinici en onderzoekers oculaire structuren niet-invasief kunnen onderzoeken. Deze beeldvormingstechniek is gebaseerd op interferometrie om driedimensionale retinale beelden in vivo vast te leggen op een micrometerschaal 1,2. Het is uitgegroeid tot een van de meest gebruikte beeldvormingsmodaliteiten in het visieonderzoek en in de kliniek vanwege de eenvoudige detectie en nauwkeurigheid van pathologische kenmerken zoals structurele defecten en / of verdunning van retinale lagen en subretinale vloeistof3. In onderzoek met diermodellen van zichtgerelateerde aandoeningen heeft SD-OCT essentiële niet-invasieve analyses gegeven van relaties tussen structuur en functie en hun histopathologische oorsprong4. Vanwege de resolutie (tot 2-3 micron, afhankelijk van de diepte in het oog5), heeft SD-OCT de mogelijkheid om zelfs kleine veranderingen in de dikte van de retinale laag te detecteren. Dit type analyse kan essentiële informatie verschaffen voor ziekteprogressie en de werkzaamheid van neuroprotectieve methoden en behandelingen voor visusgerelateerde aandoeningen beoordelen.
SD-OCT is een niet-invasief alternatief voor het histologisch onderzoeken van de structuur, en van de twee is aangetoond dat ze gecorreleerd zijn6. Hoewel SD-OCT geen cellulaire resolutie bereikt, maakt het wel longitudinale studies bij dieren mogelijk. Dit is voordelig omdat de progressie van de ziekte in individuele dieren in de loop van de tijd kan worden gevolgd in plaats van dieren op specifieke tijdstippen te moeten euthanaseren. Naarmate beeldvormingstechnieken blijven verbeteren, zal ook de SD-OCT-technologie vooruitgang boeken, waardoor de beeldkwaliteit wordt verbeterd en de mogelijkheid om biologische processen zoals de retinale bloedvatfunctie in detail te beoordelen. Zelfs sinds de komst in 1991 heeft sd-oct-technologie enorme vooruitgang geboekt in resolutie, snelheid en gevoeligheid7.
De huidige studie maakt gebruik van een SD-OCT-systeem om veranderingen in retinale lagen te kwantificeren in knaagdiermodellen van retinale degeneratie, glaucoom en diabetische retinopathie. Het SD-OCT-systeem dat hier wordt gebruikt, is een OCT-systeem met fourierdomein dat gebruik maakt van energiezuinig, nabij-infrarood licht om in realtime diepte-opgeloste beelden te verkrijgen, te verwerken en op te slaan. Het SD-OCT-systeem heeft uitgebreide dieptebeeldvormingsmogelijkheden in de golflengteband van 800 nm, met een diepte van 8 mm en een resolutie van 4 μm. In Fourier-domeindetectie is het interferentiesignaal tussen verstrooid licht van het weefsel en een referentiepad Fourier getransformeerd om axiale scans en / of axiale diepteprofielen van verstrooide intensiteit te construeren8. Voor de studies hier wordt de OCT-bundel gescand over de gewenste retinale structuur terwijl seriële axiale scans worden verkregen. Doorgaans verkrijgt een scanpatroon het tweedimensionale raster (B-scans) als een verzameling lineaire eendimensionale scanlijnen (A-scans), die overeenkomen met 2D-dwarsdoorsnedeafbeeldingen met behulp van een rasterscanpatroon. Voor studies gericht op bijziendheid bij muizen, wordt dit systeem ook gebruikt om afmetingen van oculaire structuren te meten (bijv. Hoornvliesdikte, lensdikte, glasvochtkamerdiepte en axiale lengte).
Het huidige systeem stelt gebruikers in staat om hun eigen protocollen te ontwerpen en scans te maken die kunnen worden aangepast en geselecteerd op basis van de oculaire structuren van belang. De belangrijkste scans in deze door de gebruiker gedefinieerde protocollen maken deze beeldvormingstechniek gebruiksvriendelijk. Voor beeldanalyses hebben we op maat gemaakte programmering ontwikkeld in een wiskundig modelleringsprogramma. SD-OCT is een krachtig hulpmiddel om pathomorfologische veranderingen in oculaire structuren niet-invasief te identificeren en te kwantificeren en de progressie van de ziekte te monitoren.
Protocol
Representative Results
Discussion
Hoge resolutie beeldvorming van oculaire structuren in vivo maakt de beoordeling van retinale en oculaire veranderingen in de loop van de tijd mogelijk. In dit protocol werd aangetoond dat SD-OCT verschillen in oculaire structuren in vivo vastlegt in modellen van retinale degeneratie, glaucoom, diabetische retinopathie en bijziendheid.
Het meest kritieke aspect bij het uitvoeren van SD-OCT is het verkrijgen van een duidelijk beeld van het netvlies of een andere oculaire structuur van belang. H…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk werd ondersteund door de Department of Veterans Affairs Rehab R&D Service Career Development Awards (CDA-1, RX002111; CDA-2; RX002928) naar RSA, Merit Award (RX002615) en Research Career Scientist Award (RX003134) naar MTP, Career Development Award (CDA-2, RX002342) naar AJF, EY028859 naar MTP, NEI Core Grant P30EY006360, Research to Prevent Blindness en 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).
