本文描述了一种利用高分辨率谱域光学相干断层扫描(SD-OCT)对小鼠视网膜进行活体成像的实验方案。重点针对视乳头周围区域的视网膜神经节细胞(RGC),介绍了多种扫描与定量分析方法。
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本文描述了一种利用高分辨率谱域光学相干断层扫描(SD-OCT)对小鼠视网膜进行活体成像的实验方案。重点针对视乳头周围区域的视网膜神经节细胞(RGC),介绍了多种扫描与定量分析方法。
视网膜结构改变是眼科疾病的常见表现。光学相干断层扫描(OCT)可实现对其的识别。 体内—快速、重复且高分辨率地成像。本方案将描述小鼠视网膜的光学相干断层扫描(OCT)成像,作为一种研究视神经病变(OPN)的有力工具。OCT系统是一种基于干涉测量技术的非侵入性方法,可作为常规 死后 组织学检测。该方法可快速准确地评估视网膜厚度,从而实现对视网膜变薄或增厚等变化的动态监测。本文以 Opa1 为例,介绍成像过程及分析方法。delTTAG 小鼠品系。建议采用三种扫描方式,并提供两种定量分析方法:标准卡尺法和自制卡尺法。后者在进行放射状扫描时更适用于视乳头周围视网膜,因其精度更高,更适合分析较薄的结构。本文所述所有方法均针对视网膜神经节细胞(RGC)设计,但可轻松适配于其他细胞群体。总之,光学相干断层扫描(OCT)在小鼠模型表型分析中具有高效性,并有望用于治疗干预效果的可靠评估。
光学相干断层扫描(OCT)是一种诊断工具,可实现对视网膜结构1(包括视神经乳头(ONH))的检查。多年来,它已成为评估人类2,3以及啮齿类动物4,5疾病进展的可靠指标。该技术利用干涉测量法生成视网膜各层的横截面图像,轴向分辨率达2-µm。最内层为视网膜神经纤维层(RNFL),其中含有视网膜神经节细胞(RGC)的轴突;其外侧为神经节细胞层(GCL),主要包含RGC胞体。接下来是内丛状层(IPL),RGC的树突在此与双极细胞、水平细胞和无长突细胞的轴突相连接。这些细胞连同水平细胞共同构成内核层(INL),其突起进一步与光感受器细胞的轴突在外丛状层(OPL)中连接。随后是外核层(ONL),包含光感受器细胞的胞体,该层与光感受器层之间由外限制膜(OLM)分隔,后者也称为内节/外节(IS/OS)层。最后,在小鼠视网膜中可观察到的最外层结构为视网膜色素上皮层(RPE)和脉络膜(C)。在小鼠中,RNFL通常过于菲薄而难以单独测量;因此,分析RNFL/GCL复合层更为可取4,5。另一种选择是神经节细胞复合层(GC complex layer),该层除包含GCL外,还纳入了IPL,因而厚度更大,在OCT扫描中更易于测量4。因此,OCT可提供关于视网膜病理状态的信息,例如在视神经病变(OPNs)中的应用。
或者,小鼠视网膜的厚度通常通过以下方法进行分析: 死后 组织学。然而,该技术在组织采集、固定、切片、染色、封片等方面存在局限性 等等。 因此,一些缺陷(例如细微的厚度变化)无法被检测到。最后,由于同一小鼠无法在多个时间点进行检测,导致每项研究所需的动物数量大幅增加,而光学相干断层扫描(OCT)则不存在这一问题。综上所述,OCT技术因其非侵入性、高分辨率、可重复性、随时间进行动态监测以及操作简便等优势,成为视网膜疾病研究的首选方法。
小鼠模型被用于鉴定基因缺陷并阐明视网膜病变的分子机制6。视神经病变(OPN)是一种以视神经(ON)严重损伤为特征的视网膜病变,ON由约120万根视网膜神经节细胞(RGC)轴突组成。OPN可原发于视神经,也可继发于其他先天性或后天性疾病7,导致视野缺损,最终致盲。OPN的典型特征是RGC丢失和ON损伤,这些可在人类光学相干断层扫描(OCT)中观察到,表现为视网膜神经纤维层(RNFL)和神经节细胞层(GCL)变薄2,3。然而,OPN的病理生理机制仍不甚清楚,因此仍需对小鼠视网膜进行研究。
本文以 Opa1delTTAG 小鼠品系8,9(一种常染色体显性视神经萎缩(DOA)模型)为例,描述了视网膜各层厚度的成像与定量方法10。为评估视网膜神经节细胞(RGC)的病理生理状态,对放射状、矩形及环形扫描图像进行了定量分析。定量可采用光学相干断层扫描(OCT)软件自带的标准卡尺工具,或使用为开源图像处理程序开发的自制宏来完成。标准卡尺操作困难,且其宽度常大于视网膜神经纤维层(RNFL)/神经节细胞层(GCL)的实际厚度;而自制卡尺使用简便、可重复性强且更为精确。该宏可在视盘周围区域视盘两侧的固定位置,自动识别视网膜层并进行五个点的厚度测量。本方案的目标是描述OCT扫描的获取流程,以明确视网膜定位,重点关注RGCs的分析。
实验方案已获得法国国家健康与医学研究院(Inserm;法国蒙彼利埃)的批准,符合欧洲相关指令,并遵守ARVO关于在眼科研究中使用动物的声明。本研究在朗格多克-鲁西永动物实验伦理委员会(CEEALR;编号CEEA-LR-12123)的许可下进行。
1. 仪器设置与成像前准备
注意:此处使用谱域(SD)眼科成像系统对小鼠视网膜进行光学相干断层扫描(OCT)(图1A)。SD-OCT设备由基座和带有啮齿类动物校准平台(RAS)的动物成像支架(AIM)组成(图1B)。基座包含计算机、OCT引擎、SD-OCT探头以及专用于小鼠的镜头。探头安装在AIM上,AIM包含Z轴平移装置。RAS通过配备X轴和Y轴平移台的载物台、可旋转和摆动的样品盒,以及可拆卸的咬合杆和鼻带,实现小鼠的精确定位。制造商提供的软件可用于OCT图像的采集与分析,但后者也可使用开源图像处理程序完成。
2. 小鼠准备
3. 小鼠体位摆放
4. 视神经乳头和视网膜的谱域光学相干断层成像(SD-OCT)
5. 采集完成
6. 分析
SD-OCT 技术能够实现与组织学相媲美的视网膜成像和厚度分析,且速度更快、细节更丰富图3)。如在野生型C57Bl/6小鼠中所呈现的,尽管SD-OCT扫描的质量(图3A,右侧)不如视网膜横截面图像的成像效果好图3A,左侧),可显示更多层(例如, OLM)。此外,该方法仅需约40分钟,包括小鼠准备时间,而组织学分析则需数天至数周。最后,该方法无需进行苏木精、伊红和番红等处理与染色步骤,避免了组织损伤及由此导致的错误数据采集。OCT可清晰测量的视网膜层次包括RNFL/GCL、IPL、INL、OPL、ONL、IS/OS、RPE和C(图3B),从而实现对整个视网膜的复杂研究。因此,视网膜的结构变化可反映疾病的发展过程。对于视网膜神经节细胞(RGCs)和视神经(ON)而言,这种情况尤其适用于视网膜神经纤维层/神经节细胞层(RNFL/GCL)以及内丛状层(IPL)。
视神经萎缩(DOA)是最常见的视网膜神经病变(OPN)之一,其特征为视网膜神经节细胞(RGC)变性以及视网膜神经纤维层(RNFL)的丧失11。由于OPA1基因发生突变12,导致患者出现视力障碍甚至失明。利用携带人类常见突变c.2708delTTAG的Opa1delTTAG小鼠模型,研究发现Opa1单倍体不足以性别依赖的方式损害视力8,9。该结论基于对视网膜厚度的光学相干断层扫描(OCT)测量结果得出,显示Opa1+/-雌性小鼠的神经节细胞复合层(图4A)以及视乳头周围RNFL(图4B、4C)呈进行性增厚。在这些实验中,矩形扫描采用标准卡尺工具进行测量,环形扫描则使用开源图像处理程序分析。对于径向扫描(其图像质量通常较低,且每只视网膜至少需生成10张图像用于分析),研究人员开发了一个自制宏程序。标准卡尺与自制卡尺的比较(图4D)显示,后者测得的RNFL/GCL及神经节细胞复合层厚度显著更小。这是因为标准卡尺较宽,难以精确放置在层次边界上。因此,在测量较薄的层次时,尤其是进行径向扫描时,应尽量避免使用标准卡尺。
综上所述,频域光学相干断层扫描(SD-OCT)可用于小鼠视觉表型分析,并可在多个时间点重复进行。然而,OCT扫描类型和测量方法必须根据所研究的疾病以及相应视网膜层次进行调整。尽管如此,OCT能够提供足够的信息以识别视网膜结构的异常,但还需结合其他方法进一步分析,才能全面理解其潜在机制。

图 1:SD-OCT 眼科成像系统。(A)SD-OCT 设备的基础部分与 AIM-RAS 部分的概览。(B)AIM-RAS 组件的概览。A:计算机,B:电源,C:OCT 引擎参考臂,D:SD-OCT 探头,E:小鼠专用镜头,F:Z 轴平移台,G:AIM-RAS 平台,H:Y 轴平移台,I:样品盒(旋转器),J:咬杆,K:鼻夹,L:样品盒旋转接头,M:X 轴平移台,N:准直尖端。本图的颜色编码与 图 2 一致,其中对视网膜位置无调节作用的部件以粉色标示。请点击此处查看此图的放大版本。

图2:视网膜定位。 B扫描对准的水平(左)和垂直(右)视图。箭头对应于由颜色编码的调节器所引起的运动。请点击此处查看此图的放大版本。

图 3:视网膜各层结构。(A)野生型小鼠视网膜经苏木精、伊红和番红染色后的组织学图像(左)及SD-OCT图像(右);比例尺:50 µm。(B)3月龄野生型小鼠的视网膜厚度测量结果;n = 14,均值 ± 标准误,比例尺:50 µm。GC:神经节细胞层,RNFL/GCL:视网膜神经纤维层/神经节细胞层,IPL:内丛状层,INL:内核层,OPL:外丛状层,ONL:外核层,IS/OS:光感受器内节/外节,RPE:视网膜色素上皮层,C:脉络膜。请点击此处查看该图的高清版本。

图4:典型的SD-OCT测量结果。(A)以视神经乳头(ONH)为中心的矩形扫描中GC复合层厚度,使用标准卡尺测量;Opa1delTTAG小鼠品系,n = 4,均值 ± 标准误(SEM),** p <0.01,经Student t检验评估。(B)SD-OCT中的视盘周围RNFL图像。(C)环形扫描中视盘周围RNFL厚度,通过每视野RNFL面积计算确定;Opa1delTTAG雌性小鼠,n = 5–11,均值 ± SEM,* p < 0.05,经Student t检验评估。(D)放射状扫描中RNFL/GCL和GC复合层厚度,分别使用标准或自制卡尺对3次或10次扫描进行测量;野生型小鼠,n = 8,均值 ± SEM,** p <0.01,*** p <0.001,经Student t检验评估。RNFL/GCL:视网膜神经纤维层/节细胞层,GC:节细胞。图A–C改编自Sarzi et al.9。请点击此处查看该图的放大版本。
OCT系统是一种非侵入性 体内 成像方法,可提供高分辨率的类似视网膜横截面的扫描图像。因此,其主要优势在于具备进行详细分析的潜力,并能很好地将常规应用于人类的实验方案转用于小鼠模型。
在 Opa1delTTAG 突变小鼠的示例中,谱域光学相干断层扫描(SD-OCT)结果显示视网膜神经纤维层(RNFL)和神经节细胞复合层厚度增加,从而为进一步探索常染色体显性视神经萎缩(DOA)的病理生理机制提供了可能9。仅依靠组织学分析无法实现这一发现。相比之下,组织学无法像环形或放射状OCT扫描那样对整个视网膜进行可视化观察。此外,考虑到在包含多个时间点的研究中所需动物数量增加,组织学方法更加耗时且成本更高。事实上,SD-OCT技术推动了对DOA中一种新型视网膜细胞——穆勒细胞(Müller cell)——的发现9。尽管该系统无法实现单细胞分辨率或特异性细胞识别,但通过对视乳头周围区域以厚度或整体状态为重点的分析,已足以检测到细胞退变。随后,可在此基础上开展有针对性的组织学进一步验证。因此,该方法也可应用于评估预防或延缓视网膜变性的治疗干预措施。
为了进一步提高光学相干断层扫描(OCT)的实用性,我们开发了自制的测量卡尺,其精度远高于标准卡尺。尽管标准卡尺的厚度大于视网膜神经纤维层(RNFL)/神经节细胞层(GCL),但一些研究团队仍将其用于较厚的视网膜层次分析13。本研究中,我们聚焦于每只视网膜进行10次径向扫描,对视乳头周围区域的视网膜神经节细胞(RGCs)进行比较分析。无论采用何种方式,径向扫描均无法单独测量RNFL。该层过于纤薄且边界模糊,因此实际测量的是RNFL/GCL复合层以及神经节细胞复合层(GC complex layer)。与此同时,我们成功利用环形扫描测量了RNFL,该方法在小鼠表型分析中显示出优势。然而,其可靠性可能存在争议。在所有这些方法中,关键步骤是将扫描中心对准视神经乳头(ONH),并确保视网膜成像无阴影或混浊。前者可通过遵循本实验方案中关于视网膜定位的步骤轻松调整;后者则取决于角膜和晶状体的透光性。例如,若眼科凝胶涂抹不均匀,则扫描图像会模糊和/或视网膜呈现弯曲状。此时,只需正确重新涂抹凝胶即可解决。若晶状体混浊,则扫描图像会变暗或不完整。此时的解决方案是待晶状体透明度恢复后,在另一天重复扫描。另一种可能导致图像质量差的原因是存在障碍物,如胡须或睫毛。这些可通过将其拨开,并涂抹少量眼科凝胶固定位置来轻松去除。此外,也存在其他分析方法,其在设备类型、扫描方式、角度及其他参数方面有所不同,且分析的图像数量各异。若结果质量仍不理想,则必须考虑这些因素。例如,Liu et al. 在多个角度进行径向扫描13,而我们的径向扫描仅在一个角度进行,其报告的视网膜层次略厚。尽管如此,本文提出的OCT图像采集与分析方法适用于小鼠视乳头周围视网膜中RGCs的分析。
总之,光学相干断层扫描(OCT)是一项具有巨大潜力的技术。它能够检测视网膜结构中的细微变化——包括视网膜神经节细胞(RGCs),尤其是视通路神经元(OPNs)——在视觉科学研究中具有不可替代的作用。因此,本方案对于OPN小鼠模型的表型分析以及新型治疗方法的评估均具有实用价值。
作者无任何利益冲突需要披露。
本工作由法国国家健康与医学研究院(Inserm)、蒙彼利埃大学、法国视网膜协会、法国国家盲人与视力障碍者联盟(UNADEV)、Wolfram综合征协会、法国医学研究基金会、法国基金会以及卓越实验室EpiGenMed项目资助。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 小鼠 | |||
| Opa1delTTAG 小鼠 | 法国蒙彼利埃神经科学研究所,INSERM UMR 1051 | - | Opa1基因敲入小鼠携带 C57Bl6/J 背景下的 OPA1 c.2708_2711delTTAG 突变 |
| 名称 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
| 设备 | |||
| EnVisu R2200 SD-OCT 成像系统 | Bioptigen,Leica Microsystems,德国 | - | 光谱域光学相干断层扫描系统 |
| EnVisu R2200 SD-OCT 成像系统软件 | Bioptigen,Leica Microsystems,德国 | - | OCT图像采集与分析软件 |
| ImageJ 1.48v | Wayne Rasband,美国国立卫生研究院 | - | 用于分析的软件,需下载并安装两个自制宏:http://dev.mri.cnrs.fr/projects/imagej-macros/wiki/Retina_Tool |
| 自调节加热板 | Bioseb,法国 | BIO-062 | 抗低体温 |
| 名称 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
| 耗材 | |||
| 鼻带 | - | - | 弹性带 |
| 纱布垫 3" × 3" | 美国 Curad 公司 | CUR20434ERB | 抗低体温保护 |
| 双头棉签 applicator | 美丽之源,CVS健康公司,美国 | - | 凝胶应用 |
| 棉签 | 法国 CentraVet | T.7979C.CS | 小鼠定位 |
| 名称 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
| 试剂和药物 | |||
| Néosynéphrine Faure 10% | Laboratoires Europhtha,摩纳哥 | - | 瞳孔散大 |
| 0.5% Mydriaticum | 实验室 Thé法国 | 3397908 | 瞳孔散大 |
| Cebesine 0.4% | Laboratoire Chauvin, Bausch&安普&罗姆,法国 | 3192342 | 局部麻醉 |
| Imalgene 1000 | 法国 Merial / 法国 CentraVet | IMA004 | 全身麻醉 |
| Rompun | 拜耳医疗,德国/ CentraVet,法国 | ROM001 | 全身麻醉、镇痛、肌肉松弛 |
| NaCl 0.9% | 法国 Osalia 实验室 | 103697114 | 生理盐水 |
| Systene Ultra | 爱尔康,诺华,美国 | - | 眼部水合 |
| GenTeal | 爱尔康,诺华,美国 | - | 用于减少光线折射和混浊的眼科凝胶 |
| Aniospray Surf 29 | 法国 Laboratoires Anios | 59844 | 消毒剂 |