تصوير الأوعية الدموية العميقة في العين باستخدام الموجات فوق الصوتية المحسنة للتدفق
Summary
نحن نقدم تقنية الموجات فوق الصوتية غير الغازية لتوليد تصوير الأوعية ثلاثية الأبعاد في العين دون استخدام عوامل التباين.
Abstract
الشبكية داخل العين هي واحدة من أكثر الأنسجة التي تتطلب الطاقة في الجسم ، وبالتالي تتطلب معدلات عالية من توصيل الأكسجين من إمدادات الدم الغنية. الصفيحة الشعرية للمشيمية تبطن السطح الخارجي للشبكية وهي المصدر المهيمن للأكسجين في معظم شبكية العين الفقارية. ومع ذلك ، فإن هذا السرير الوعائي يمثل تحديا للتصوير باستخدام التقنيات البصرية التقليدية بسبب موقعه خلف شبكية العين عالية امتصاص الضوء. هنا نصف تقنية الموجات فوق الصوتية عالية التردد مع تعزيز التدفق اللاحق لتصوير أسرة الأوعية الدموية العميقة (0.5-3 سم) للعين بدقة مكانية وزمانية عالية. تعمل هذه الطريقة غير الغازية بشكل جيد في الأنواع التي تحتوي على خلايا دم حمراء نواة (نماذج حيوانية غير ثديية وجنينية). يسمح بتوليد صور الأوعية ثلاثية الأبعاد غير الغازية دون استخدام عوامل التباين ، وهو مستقل عن زوايا تدفق الدم مع حساسية أعلى من تقنيات التصوير بالموجات فوق الصوتية القائمة على دوبلر.
Introduction
يفرض التمثيل الغذائي العالي على شبكية العين الفقارية مقايضة جوهرية بين حاجتين متناقضتين. ارتفاع معدلات تدفق الدم ومسار خفيف خال من الأوعية الدموية. لتجنب الاضطراب البصري لخلايا الدم الحمراء المتغلغلة ، تتلقى شبكية العين لجميع الفقاريات الأكسجين والمواد المغذية عبر ورقة من الشعيرات الدموية خلف المستقبلات الضوئية ، المشيمية الشعرية1،2،3. ومع ذلك ، فإن هذا المصدر الوحيد للمغذيات والأكسجين يفرض قيودا على الانتشار على سمك شبكية العين4,5 ، لذلك تمتلك العديد من الأنواع النشطة بصريا مجموعة متنوعة من شبكات الأوعية الدموية المعقدة لتوفير إمدادات دم إضافية لهذا العضو النشط استقلابيا 6. وتشمل هذه الأسرة الوعائية الأوعية الدموية التي تغلغل في طبقات الشبكية الداخلية في الثدييات وبعض الأسماك4،7،8،9،10 ، والأوعية الدموية على الجانب الداخلي (المواجه للضوء) من شبكية العين الموجودة في العديد من الأسماك والزواحف والطيور4،11،12،13 ، والترتيبات الوعائية المعاكسة للأسماك المشيمية ، و rete choroid mirabile ، الذي يسمح بتوليد ضغوط جزئية من الأكسجين في الغلاف الجوي الفائق14،15،16،17،18،19،20. على الرغم من أن هذه المسارات الإضافية غير المشيمية لإمدادات المغذيات الشبكية تلعب دورا أساسيا في تغذية المتطلبات الأيضية للرؤية الفائقة4، فإن التشريح ثلاثي الأبعاد لهذه الهياكل الوعائية غير مفهوم بشكل جيد، مما يحد من فهمنا للتطور المورفولوجي للعين الفقارية.
تقليديا ، تمت دراسة إمدادات الدم في شبكية العين باستخدام التقنيات البصرية ، مثل تنظير قاع العين. توفر هذه الفئة من التقنيات معلومات غير مدمرة عالية الإنتاجية عن تشريح الأوعية الدموية غير المشيمية بدقة عالية21 وبالتالي فهي تستخدم بسهولة في التشخيص السريري للتشوهات في بنية الأوعية الدموية الشبكية22. ومع ذلك، تمتص ظهارة صبغة الشبكية الضوء المنقول وتحد من عمق الرؤية في هذه التقنيات البصرية، مما يوفر معلومات مخفضة عن البنية المشيمية ووظيفتها دون استخدام عامل التباين21. هناك قيود مماثلة على العمق في التصوير المقطعي بالتماسك البصري (OCT). يمكن لهذه التقنية توليد صور وعائية قاع العين عالية الدقة باستخدام موجات الضوء على الحساب التقني لاختراق العمق23، في حين يمكن للتصوير العميق المحسن OCT تصور المشيمية على حساب جودة تصوير الشبكية24. يتغلب التصوير بالرنين المغناطيسي على القيود البصرية لتنظير العين و OCT ويمكنه رسم خريطة لطبقات الأوعية الدموية في شبكية العين، وإن كان ذلك بدقة منخفضة25. يحافظ علم الأنسجة والتصوير المقطعي المحوسب الدقيق (μCT) على الدقة العالية للتقنيات البصرية ويوفران معلومات عن مورفولوجيا الأوعية الدموية للعين بأكملها4، ولكن كلتا التقنيتين تتطلبان أخذ عينات من العين، وبالتالي لا يمكن استخدامهما في العيادة أو الأنواع النادرة أو المهددة بالانقراض. للتغلب على بعض القيود المفروضة على تقنيات تصوير الشبكية المعمول بها ، تقدم الدراسة هنا بروتوكول الموجات فوق الصوتية على الحيوانات المخدرة ، حيث يتم رسم خريطة لحركة الدم في سيليكو على سلسلة من عمليات المسح بالموجات فوق الصوتية ثنائية الأبعاد متساوية التباعد التي تغطي العين بأكملها من خلال تطبيق تقنية مماثلة كما هو موضح سابقا للتصوير الجنيني والقلب والأوعية الدموية26،27 ، 28 وفي تصوير الأوعية OCT29. يسمح هذا النهج بتوليد صور الأوعية الدموية العميقة ثلاثية الأبعاد ثلاثية الأبعاد غير الغازية دون استخدام عامل تباين ويفتح آفاقا جديدة لرسم خرائط توزيع تدفق الدم داخل العين عبر الأنواع.
Protocol
Representative Results
Discussion
يوفر تصوير الأوعية الدموية باستخدام الموجات فوق الصوتية المعززة بالتدفق طريقة جديدة للتصوير غير الغازي للأوعية الدموية للعين التي توفر العديد من المزايا مقارنة بالتقنيات الحالية ولكن لها حدودها الجوهرية. الميزة الأساسية للموجات فوق الصوتية المعززة بالتدفق هي القدرة على توليد تصوير ال?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
وقد تلقى هذا العمل تمويلا من مؤسسة كارلسبرغ (CF17-0778; CF18-0658)، ومؤسسة لوندبيك (R324-2019-1470; R346-2020-1210) ، ومؤسسات Velux (00022458) ، ومؤسسة A.P. Møller لتقدم العلوم الطبية ، وبرنامج البحث والابتكار Horizon 2020 التابع للاتحاد الأوروبي بموجب اتفاقية منحة Marie Skłodowska-Curie (رقم 754513) ، ومؤسسة أبحاث جامعة آرهوس.
Materials
| MS-222 | Sigma | E10521-50G | |
| Benzocaine | Sigma | E-1501 | |
| Propofol | B Braun | 12260470_0320 |
|
| Alfaxalon | Jurox | NA | |
| Isoflurane | Zoetis | 50019100 | |
| Ultrasound scanner | VisualSonics | Vevo 2100 |
References
- Yu, C. Q., Schwab, I. R., Dubielzig, R. R. Feeding the vertebrate retina from the Cambrian to the Tertiary. Journal of Zoology. 278 (4), 259-269 (2009).
- Yu, D. Y., Cringle, S. J. Oxygen distribution and consumption within the retina in vascularised and avascular retinas and in animal models of retinal disease. Progress in Retinal and Eye Research. 20 (2), 175-208 (2001).
- Country, M. W. Retinal metabolism: A comparative look at energetics in the retina. Brain Research. 1672, 50-57 (2017).
- Damsgaard, C., et al. Retinal oxygen supply shaped the functional evolution of the vertebrate eye. Elife. , 8 (2019).
- Buttery, R. G., Hinrichsen, C. F. L., Weller, W. L., Haight, J. R. How thick should a retina be? A comparative study of mammalian species with and without intraretinal vasculature. Vision Research. 31 (2), 169-187 (1991).
- Ames, A., Li, Y., Heher, E., Kimble, C. Energy metabolism of rabbit retina as related to function: high cost of Na+ transport. The Journal of Neuroscience. 12 (3), 840-853 (1992).
- Chase, J. The Evolution of retinal vascularization in mammals: A comparison of vascular and avascular retinae. Ophthalmology. 89 (12), 1518-1525 (1982).
- Johnson, G. L. Ophthalmoscopic studies on the eyes of mammals. Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Series B, Biological Sciences. 254 (794), 207-220 (1968).
- Johnson, G. L. I. Contributions to the comparative anatomy of the mammalian eye, chiefly based on ophthalmoscopic examination. Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Series B, Biological Sciences. 194 (194-206), 1-82 (1901).
- Rodriguez-Ramos Fernandez, J., Dubielzig, R. R. Ocular comparative anatomy of the family Rodentia. Veterinary Ophthalmology. 16, 94-99 (2013).
- Copeland, D. E. Functional vascularization of the teleost eye. Current Topics in Eye Research. 3, 219-280 (1980).
- Meyer, D. B., Crescitelli, F. . The Visual System in Vertebrates. Handbook of Sensory Physiology. 7, (1977).
- Potier, S., Mitkus, M., Kelber, A. Visual adaptations of diurnal and nocturnal raptors. Seminars in Cell & Developmental Biology. 106, 116-126 (2020).
- Wittenberg, J. B., Wittenberg, B. A. Active secretion of oxygen into the eye of fish. Nature. 194, 106-107 (1962).
- Damsgaard, C. Physiology and evolution of oxygen secreting mechanism in the fisheye. Comparative Biochemistry and Physiology. 252, 110840 (2021).
- Damsgaard, C., et al. A novel acidification mechanism for greatly enhanced oxygen supply to the fish retina. Elife. 9, (2020).
- Wittenberg, J. B., Haedrich, R. L. The choroid rete mirabile of the fish eye. II. Distribution and relation to the pseudobranch and to the swimbladder rete mirabile. Biological Bulletin. 146 (1), 137-156 (1974).
- Wittenberg, J. B., Wittenberg, B. A. The choroid rete mirabile of the fish eye. I. Oxygen secretion and structure: comparison with the swimbladder rete mirabile. Biological Bulletin. 146 (1), 116-136 (1974).
- Berenbrink, M. Historical reconstructions of evolving physiological complexity: O2 secretion in the eye and swimbladder of fishes. Journal of Experimental Biology. 210, 1641-1652 (2007).
- Berenbrink, M., Koldkjaer, P., Kepp, O., Cossins, A. R. Evolution of oxygen secretion in fishes and the emergence of a complex physiological system. Science. 307 (5716), 1752-1757 (2005).
- 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).
- Yung, M., Klufas, M. A., Sarraf, D. Clinical applications of fundus autofluorescence in retinal disease. International Journal of Retina and Vitreous. 2 (1), 12 (2016).
- Ang, M., et al. Optical coherence tomography angiography: a review of current and future clinical applications. Graefe’s Archive for Clinical and Experimental Ophthalmology. 256 (2), 237-245 (2018).
- Spaide, R. F., Koizumi, H., Pozonni, M. C. Enhanced depth imaging spectral-domain optical coherence tomography. American Journal of Ophthalmology. 146 (4), 496-500 (2008).
- Shen, Q., et al. Magnetic resonance imaging of tissue and vascular layers in the cat retina. Journal of Magnetic Resonance Imaging. 23 (4), 465-472 (2006).
- Tan, G. X., Jamil, M., Tee, N. G., Zhong, L., Yap, C. H. 3D reconstruction of chick embryo vascular geometries using non-invasive high-frequency ultrasound for computational fluid dynamics studies. Annals of Biomedical Engineering. 43 (11), 2780-2793 (2015).
- Ho, S., Tan, G. X. Y., Foo, T. J., Phan-Thien, N., Yap, C. H. Organ dynamics and fluid dynamics of the HH25 chick embryonic cardiac ventricle as revealed by a novel 4D high-frequency ultrasound imaging technique and computational flow simulations. Annals of Biomedical Engineering. 45 (10), 2309-2323 (2017).
- Dittrich, A., Thygesen, M. M., Lauridsen, H. 2D and 3D echocardiography in the Axolotl (Ambystoma Mexicanum). Journal of Visualized Experiments: JoVE. (141), e57089 (2018).
- Jia, Y., et al. Split-spectrum amplitude-decorrelation angiography with optical coherence tomography. Optics Express. 20 (4), 4710-4725 (2012).
- Clarke, K. W., Trim, C. M., Trim, C. M. . Veterinary Anaesthesia E-Book. , (2013).
- Flecknell, P. . Laboratory Animal Anaesthesia. , (2015).
- West, G., Heard, D., Caulkett, N. . Zoo Animal and Wildlife Immobilization and Anesthesia. , (2014).
- Lauridsen, H., Hansen, K., Nørgård, M. &. #. 2. 1. 6. ;., Wang, T., Pedersen, M. From tissue to silicon to plastic: three-dimensional printing in comparative anatomy and physiology. Royal Society Open Science. 3 (3), 150643 (2016).
- Lauridsen, H., et al. Inside out: Modern imaging techniques to reveal animal anatomy. PLoS One. 6 (3), 17879 (2011).
- Ruthensteiner, B., Heß, M. Embedding 3D models of biological specimens in PDF publications. Microscopy Research and Technique. 71 (11), 778-786 (2008).
- Damsgaard, C., Lauridsen, H. Deep vascular imaging in the eye with flow-enhanced ultrasound. bioRxiv. , 447055 (2021).
- Mueller, R. L., Ryan Gregory, T., Gregory, S. M., Hsieh, A., Boore, J. L. Genome size, cell size, and the evolution of enucleated erythrocytes in attenuate salamanders. Zoology. 111 (3), 218-230 (2008).
- Greis, C. Quantitative evaluation of microvascular blood flow by contrast-enhanced ultrasound (CEUS). Clinical Hemorheology and Microcirculation. 49, 137-149 (2011).
- Urs, R., Ketterling, J. A., Tezel, G., Silverman, R. H. Contrast-enhanced plane-wave ultrasound imaging of the rat eye. Experimental Eye Research. 193, 107986 (2020).
- Walls, G. L. . The vertebrate eye and its adaptive radiation. , (1942).
