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利用光学相干断层扫描和视动反应作为小鼠和大鼠视觉系统的结构与功能读出指标

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DOI：

10.3791/58571

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2019年1月10日

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Department of Neurology, Heinrich-Heine-University Düsseldorf, 2Department of Cell Physiology, Faculty of Biology and Biotechnology, Ruhr-University Bochum, 3Division of Neuroinflammation and Glial Biology, Department of Neurology, University of California San Francisco

本文内容

摘要

本文介绍了利用光学相干断层扫描和视动反应对啮齿类动物进行结构和视觉指标评估的详细方案。该结果为眼科及神经科学研究提供了有价值的见解。

摘要

光学相干断层扫描（OCT）是一种快速、无创、基于干涉原理的技术，可实现高分辨率的视网膜成像。该技术是研究涉及视觉系统的神经退行性变、神经保护及神经修复过程的理想工具，因为这些过程通常与视网膜变化密切相关。在功能评估方面，视觉诱发的代偿性眼动和头动在涉及视觉功能的实验模型中被广泛用作功能性读数。结合这两种技术，可对结构与功能进行定量的活体研究，用于分析病理状态或评估新型治疗手段的潜力。本方法的一大优势在于可进行纵向分析，从而研究动态变化过程，减少实验变异，并降低实验所需动物数量。本方案旨在提供一份操作手册，指导如何使用低成本定制化固定装置获取和分析高质量的小鼠和大鼠视网膜扫描图像，并可选配吸入式麻醉系统。此外，本指南也可作为研究人员在啮齿类动物中开展视动反应（OKR）分析的操作指导，可根据其特定需求和研究兴趣进行调整和应用。

引言

视觉通路作为中枢神经系统的一部分，其检查已被证实不仅是眼科疾病研究的有效切入点1,2,3,4,5，还涉及神经学6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16 问题。近年来，OCT 和 OKR 已被确认为可用于评估多种啮齿类动物模型中不同类型视网膜病变及视网膜表现的有用分析工具，且具有无创性。17,18,19,20,21,22,23,24,25OCT 能够实现快速且高分辨率的成像 体内 小鼠和大鼠视网膜形态与结构的可视化，结果与动物视网膜组织学切片高度一致26OKR 是一种快速且稳健的定量评估视觉功能的方法。

许多OCT设备支持使用不同波长同步进行共焦扫描激光眼底成像（cSLO），可提供有关视网膜病变的诊断信息，例如脂褐素沉积的可视化或视网膜色素上皮的改变27此外， 体内 在转基因动物中对荧光标记细胞进行成像成为可能28,29,30,31,32然而，OCT 技术在啮齿类动物模型中的应用仍具挑战性，主要原因是其眼球尺寸较小。多种 commercially available 设备需要进行改装，且通常需要使用不同尺寸的固定装置以适应不同物种的动物成像。此外，动物在检测过程中需要接受麻醉。

OKR 设备可用于评估啮齿类动物的视觉功能。将动物置于一个显示移动光栅的实际或虚拟圆筒中心的平台上，动物会通过反射性的头部和颈部运动来追踪光栅。当视觉功能下降或丧失时，这种视动反应会减弱或消失。

本实验方案的目的是介绍如何使用市售的OCT设备和定制的吸入麻醉支架来测量视网膜厚度。该方案详细说明了如何利用设备制造商提供的软件对体积扫描图像进行分析。在视觉功能检测方面，本方案旨在提供使用市售系统评估视动反应（OKR）的操作指南。

方案

所有动物实验均遵循经地区主管部门批准的实验指南（自然、环境与消费者保护州署；参考编号 84-02.04.2014.A059），并符合视力与眼科学研究协会（ARVO）关于动物在眼科与视觉研究中使用的声明以及欧盟关于用于科学目的动物保护的指令 2010/63/EU。

1. 共聚焦扫描激光检眼镜-光学相干断层扫描

注意：共焦扫描激光检眼镜-光学相干断层扫描（cSLO-OCT）测量方案适用于所有品系的实验小鼠和大鼠。

  1. 设置与成像前准备
    注意： 本方案所用OCT设备的系统配置已在其他文献中描述过31.
  2. 啮齿类动物吸入麻醉前准备
    1. 将啮齿类动物放入诱导室，调节蒸发器使异氟烷浓度为2%，氧气流速为2 L/min2.
    2. 通过轻捏尾部检查啮齿类动物是否已麻醉，将其从麻醉室中取出，并用纸巾包裹以保持温暖。
    3. 将啮齿类动物放入定制的固定装置中33 并将上颌切牙钩在与蒸发器相连的咬口架（2.5% 异氟烷，2 L/min 氧气）上2).
    4. 每眼滴加一滴2.5%去氧肾上腺素-0.5%托吡卡胺以扩大瞳孔。
    5. 1分钟后擦去多余的滴眼液，并使用甲基纤维素类眼用凝胶（例如0.3%羟丙基甲基纤维素滴眼液）润滑眼睛，以防止角膜干燥和浑浊。
    6. 用手或镊子将定制的接触镜片（+4 屈光度）放置在小鼠眼睛上。用无光学特性的玻璃板（例如，直径 12 mm 的圆形玻璃盖玻片）覆盖大鼠眼睛，以确保表面平整。
      注意： 麻醉期间监测呼吸频率。根据需要增加或减少异氟烷浓度。
  3. 测量与分析
    注意： 确保按照 APOSTEL 推荐意见进行并报告 OCT 测量结果34 并根据 OSCAR-IB 共识标准进行质量控制35由于这些建议是针对人类OCT图像制定的，某些标准不适用或仅部分适用。
    1. 为了成像左眼，将 holder 按照所示方式放置 图1A 确保啮齿类动物的左眼眼球朝向相机。
    2. 按压 开始 单击控制面板显示屏右上角的按钮以启动采集模式。
    3. 将滤光片拨杆设置到 R 并选择 BR+OCT 用于 蓝光反射 控制面板上的眼底成像和B超扫描获取
    4. 使用相机背面的对焦旋钮将对焦距离设置为约 38 屈光度，并放大视网膜，直至屏幕上可见 OCT 扫描图像。
      注意： 首次测量时，需调整参考臂以适应啮齿类动物测量。按下 Ctrl+Alt+Shift+O 组合键，在弹出窗口中调节参考臂的数值，直至屏幕上显示 OCT 扫描图像。
    5. 为确保在所有平面上光束路径穿过瞳孔中心且与视网膜呈正交角度，应将视盘置于照明视野（BR）中央，并通过旋转/转动支架来调节水平和垂直线B扫描至水平位置。图1B）或移动相机。
    6. 选择体积扫描模式，并在软件屏幕上将设置调至高分辨率模式下25个B扫描，每个B扫描由50次平均A扫描组成，采用50次自动实时跟踪（ART）进行光栅化。
    7. 将体积扫描网格的中心对准视盘中心，然后按下黑色敏感度旋钮开始采集。 AQUIRE 在控制面板上。
    8. 将滤光片拨杆调至 A，选择 自发蓝色荧光 （BAF）位于控制面板上，使用灵敏度旋钮调节图像亮度。按下灵敏度旋钮，然后 AQUIRE 用于成像荧光细胞（例如EGFP）或自发荧光沉积物。
    9. 在啮齿类动物的眼睛上涂抹眼用凝胶以防止脱水，并将动物置于带有热源的独立笼具中。
    10. 在单独的笼子中单独饲养，直至啮齿类动物从麻醉中完全恢复。当动物能够自主行走时，将其放回原居住笼具。
    11. 对于体积扫描的分析，可通过右键单击扫描图像并选择OCT设备软件的自动分割功能来实现 分割 然后 所有层确保OCT图像质量足够高，并为每组实验定义质量 cutoff 值， 例如, >20 分贝
    12. 双击目标扫描图像，对图层进行手动校正，选择 厚度分布图 并点击 编辑图层分割选择一层，例如，按 ILM 内界膜必要时，通过拖放红点至正确位置来校正绿色线条。
      注意： 确保执行手动校正的研究人员对实验分组情况设盲。
    13. 选择标签页 厚度图 并选择 1, 2, 3 mm 早期糖尿病视网膜病变研究（ETDRS）网格。将内圈中心对准视盘（图2，左侧。
    14. 根据软件提供的不同感兴趣视网膜区域的厚度值，计算视网膜各层的厚度。为从容积扫描中计算平均厚度值，应使用完整的1、2、3 mm ETDRS网格，该网格覆盖约25°的范围，但需排除中央1 mm内的区域，因其包含视盘图2，右侧。
    15. 使用适当的软件进行统计分析。如果纳入了动物的双眼数据，则应采用能够考虑同一受试对象双眼间相关性的统计模型（例如, 广义估计方程或混合线性模型），因为同一受试者的两只眼睛在统计学上具有依赖性36.

2. 视动反应

注意：以下提供了小鼠和大鼠OKR测量的详细操作手册，可根据个体具体需求进行调整。

  1. 设置与测量前准备
    1. 打开计算机。系统启动后，按照其他部分详细描述的方法打开测试舱的屏幕。37.
    2. 选择适合测量小鼠或大鼠的平台。
      注意： 平台大小应根据啮齿类动物的体型进行选择。动物应能够在平台上正常坐立，但无法在平台上走动。
    3. 双击软件以打开预设窗口，然后选择 新组 并选择组名、受试者数量、物种及品系。在下拉菜单中选择一个可变刺激参数：空间/时间频率、对比敏感度、速度或方向，然后按下 创建新组.
    4. 通过调节培养室顶部相机的对焦环来对准平台，并通过将红圈（拖动并放置）与平台上的黑圈对齐来校准系统。
  2. 测量与分析
    1. 将动物放置于平台上，使其适应环境约5分钟。若动物掉落，将其重新放回平台图3A).
    2. 选择 主题 数量和 条件 软件屏幕的右上角图3B）。一个刺激是可变的，其他刺激保持恒定。这一点由以下结果证实： 打开锁具 或 闭合锁扣 刺激旁边的符号。
    3. 通过选择◄开始测量 是 或 ■ 用于 无，分别表示动物是否追踪。
      注意： 顺时针追踪对应左眼，逆时针追踪对应右眼。软件会随机改变移动网格的方向。
    4. 手动点击选择刺激的步长大小 向上 和 向下 如果刺激阈值收敛，可由软件自动适应，或通过变量刺激旁的箭头进行手动调整。
    5. 为获得最佳效果，对动物进行活体成像, 例如，通过高音哨声和消隐，或点击软件屏幕上的黑色或白色方框符号来实现。在进行长时间测量时，需重复执行这些操作。
    6. 进行数据分析时，选择 摘要 标签，然后单击 文件 | 导出表格/图表 导出所需的数据集。
    7. 使用所需的软件进行统计分析（另见步骤 1.3.15）。

结果

使用3rd 在髓鞘少突胶质细胞糖蛋白（MOG）肽诱导的实验性自身免疫性脑脊髓炎（EAE）小鼠模型中应用光学相干断层扫描（OCT）成像技术，获得了小鼠视网膜的高分辨率形态学切片。利用该技术，展示了不同物质的神经保护作用17内层视网膜（IRL）的厚度值与通过视网膜全层铺片组织学染色获得的视网膜神经节细胞（RGC）数量高度一致图4).

OKR 监测可提供 OCT 所观察到的神经退行性变的功能性读数。在这些实验中，通过 OKR 评估的空间频率来衡量视觉功能，通过 OCT 测量 IRL 变薄来评估神经轴突损伤，两者之间呈现出高度相关性17. 可采用多种方案通过改变移动光栅的空间频率、时间频率、对比度敏感性、方向或速度来检测视觉敏锐度。在EAE模型中，经物质1处理的动物其空间频率显著改善，达到0.05 cycles/degree（c/d），优于未经治疗的MOG-EAE小鼠图5).

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图1：OCT测量用定制支架 (A使用定制夹具对C57BL/6J小鼠进行OCT成像33 以及（B）围绕啮齿类动物眼睛的旋转轴。图示为在横断面（左）和轴向面（右）的旋转。该图改编自 Dietrich, M. 等33. 请点击此处以查看此图的放大版本。

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图2：OCT 采集后的分析。 25 个 B 扫描容积扫描方案上的“1、2、3 mm”ETDRS 网格（左图）。软件提供不同视网膜区域的视网膜各层厚度（右图）。请点击此处查看该图的放大版本。

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图3：小鼠OKR测量及刺激参数设置。（A）通过摄像头拍摄的俯视图，显示在实验舱平台上的C57BL/6J小鼠。（B）OKR软件的用户界面及参数设置。请点击此处查看该图的放大版本。

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图4：与未治疗的对照组相比，经物质1治疗的MOG诱导EAE的C57BL/6J小鼠表现出疾病进程减轻。（A）内层视网膜的退行性变减轻（B），且在EAE病程中临床EAE评分也有所降低。小鼠每日评分，光学相干断层扫描（OCT）测量每月进行一次，持续120天。图表显示每组至少十只动物的平均值及标准误。（*p < 0.05，***p < 0.001，曲线下面积采用单因素方差分析结合Dunnett's事后检验进行比较）。（C）内层视网膜（IRL）厚度变化与视网膜神经节细胞（RGC）丢失高度一致（***p < 0.001，与未治疗的MOG小鼠相比，采用单因素方差分析结合Dunnett's事后检验）。请点击此处查看该图的放大版本。

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图5：MOG-EAE 模型 C57BL/6J 小鼠的 OKR 测量结果。（A）通过120天内的空间频率阈值检测，OKR 显示经化合物1治疗的小鼠视觉敏锐度优于未经治疗的 MOG-EAE 小鼠。图中数据表示每组至少六只动物的平均值及标准误（**p < 0.01，***p < 0.001，曲线下面积采用单因素方差分析结合 Dunnett 事后检验进行比较）。（B）C57BL/6J 小鼠在测试舱内的图像。请点击此处查看该图的高清版本。

讨论

本方案提供了对啮齿类动物进行厚度测量和视功能检查的指导。在转化研究中，视觉指标的应用日益广泛18,26,38,39,40，且易于推广至临床试验。与动物实验中的组织学检查相比，光学相干断层扫描（OCT）的显著优势在于可实现纵向分析，从而能够研究动态的病理过程，并在很大程度上减少实验所需的动物数量和数据变异性。此外，OCT的活体成像不受固定、切片或染色过程中可能影响组织学层厚的人工假象干扰。

然而，激光束在所有平面上相对于视网膜的正交方向是确保厚度值质量和可重复性的关键步骤。这需要研究者经过一定的培训，并且在获取OCT扫描图像前必须掌握该技术。此外，由于商用设备是为人类临床应用而设计的，啮齿类动物OCT图像的质量仍低于人类患者的B扫描图像。根据作者的经验，在手动校正过程中可能难以区分不同的内层视网膜结构（如视网膜神经纤维层、神经节细胞层和内丛状层）。因此，我们建议将这些层次作为一个复合指标（IRL）进行分析。

实验装置提供了一种可选的挥发性麻醉方式，例如吸入式异氟烷。根据我们的经验，与注射麻醉（如氯胺酮-赛拉嗪41,42）相比，该方法更安全、更易于控制，并且在较长采集时间（例如进行荧光标记细胞成像时）的情况下可降低啮齿类动物过早苏醒的风险。在一项初步研究中，体积扫描被确定为具有最高有效性和可靠性的方案。当采用排除视盘中心区域的体积扫描时，所有评估的组间一致性及重复测试的重测信度均表现优异，组内相关系数（ICC，intra-class correlation coefficient）均高于0.85。

视动反应的测量基于对持续运动视野产生的非自主性视动反射。在啮齿类动物中，与其它物种不同，该运动不仅涉及眼睛，还包括整个头部，因此可轻松通过相机检测到。

区分动物的"追踪"行为或正常的运动行为需要研究者经过一定的培训，且实验过程中对实验分组设盲至关重要。此外，动物需要一个适应阶段以熟悉实验环境；在长时间测量过程中，还需反复激发动物，以确保"无追踪"现象是由于达到了OKR阈值，而非注意力下降所致。不同品系的实验小鼠和大鼠在视觉功能方面也存在显著差异43,44。因此，在进行测试前应评估啮齿类动物的视觉敏锐度，某些品系（如SJL小鼠）可能并不适用于OKR测量，因其对Pde6brd1等位基因（视网膜变性1）呈纯合状态。

总之，对动物模型中视网膜形态和视觉功能的检测能够无创、纵向地评估实验性自身免疫性脑脊髓炎（EAE）背景下发生的结构与功能损伤，该方法也可能适用于其他涉及视觉系统的模型，包括但不限于视网膜病变或视神经损伤模型。

披露

与本文所述工作无关，作者声明以下财务披露事项：

Michael Dietrich 收到了诺华公司支付的演讲酬金。Andrés Cruz-Herranz 是美国国家多发性硬化症学会的博士后研究员。Ari J. Green 曾担任 MedImmune、诺华、OCTIMS、Inception 5 Biosciences 和 Bionure 的科学咨询委员会成员；担任《美国医学会神经病学杂志》（JAMA Neurology）的副编辑；曾任《神经病学》（Neurology）杂志编委会成员；拥有关于髓鞘再生分子和通路的专利；曾为 Inception 5 Sciences 提供咨询服务；获得来自诺华制药 OCTIMs、Inception Sciences SRA、美国国家神经疾病与卒中研究所（NINDS）、美国国家衰老研究所（NIA）、国家多发性硬化症学会、Sherak 基金会和 Hilton 基金会的研究资助；持有 Inception 5 的股票或股票期权；并在 Mylan 诉 Teva Pharma 案中担任专家证人。Hans-Peter Hartung 因参加 Biogen Idec、GeNeuro、赛诺菲健赞、默克、诺华制药、Octapharma、Opexa Therapeutics、Teva Pharmaceuticals、MedImmune、拜耳医药保健、Forward Pharma 和罗氏公司的指导委员会而获得费用；因参加 Biogen Idec、赛诺菲健赞、默克、诺华制药、Octapharma、Opexa Therapeutics、Teva Pharmaceuticals 和罗氏公司的咨询委员会而获得费用；并因讲座从 Biogen Idec、赛诺菲健赞、默克、诺华制药、Octapharma、Opexa Therapeutics、Teva Pharmaceuticals、MedImmune 和罗氏公司获得讲课费。Philipp Albrecht 因参加 Ipsen、诺华和 Biogen 的科学咨询委员会而获得报酬；从诺华、Teva、Biogen、Merz Pharmaceuticals、Ipsen、Allergan、拜耳医药保健、Esai、UCB 和葛兰素史克公司获得演讲酬金和差旅资助；并从诺华、Biogen、Teva、Merz Pharmaceuticals、Ipsen 和罗氏公司获得研究支持。其他作者声明无利益冲突。

致谢

本工作获得了Dr. Robert Pfleger基金会和Ilselore Luckow基金会以及Biogen和Novartis对PA的资助。图1B经BMJ出版集团有限公司许可，转载自"用于麻醉小鼠和大鼠眼部成像的全身位置调节装置：一份自制指南。Dietrich, M., Cruz-Herranz, A., Yiu, H., Aktas, O., Brandt, A. U., Hartung, HP., Green, A., Albrecht, P. BMJ Open Ophthalmology. 1 (1), e000008, 2017"。

材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
Heidelberg Spectralis HRA+OCT 系统 Heidelberg Engineering, GermanyN/A眼科成像平台系统
Heidelberg Eye ExplorerHeidelberg Engineering, GermanyN/A版本 1.9.10.0
蓝色 25D 非接触式 镜头Heidelberg Engineering, GermanyN/A用于啮齿类动物测量的镜头
OptoMotryCerebralMechanics Inc., CanadaN/A视觉功能分析系统
OptoMorty HD 软件CerebralMechanics Inc., CanadaN/A版本 2.1.0
吸入用麻醉剂异氟烷Piramal Critical Care, Bethlehem, PA, USA 803250吸入用麻醉剂
去氧肾上腺素 2.5% - 托吡卡胺 0.5% 德国杜塞尔多夫大学医院üN/A瞳孔扩张 
Visc-OphtalDr. Robert Winzer Pharma GmbH, Berlin, Germany58407眼科眼用凝胶
GraphPad PrismGraphPad Software Inc, San Diego, CA, USAN/A统计分析软件，版本 5.00
IBM SPSS StatisticsIBM Corporation, Armonk, New York, USAN/A统计分析软件，版本 20

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