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方法文章

利用光学相干断层扫描对啮齿类动物模型中眼部疾病的体内结构评估

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DOI：

10.3791/61588

⸱

2020年7月24日

 ,  ,  , 
1Center of Excellence for Visual and Neurocognitive Rehabilitation, Atlanta Veterans Affairs Medical Center, 2Department of Biomedical Engineering, Georgia Institute of Technology, 3Department of Ophthalmology, Emory University

本文内容

摘要

本文介绍了使用谱域光学相干断层扫描（SD-OCT）在视网膜变性、青光眼、糖尿病性视网膜病变和近视等模型中活体可视化视网膜及眼部结构的方法。

摘要

光谱域光学相干断层扫描（SD-OCT）可用于活体视网膜及眼内结构的可视化观察. 在研究中，谱域光学相干断层扫描（SD-OCT）是一种有价值的工具，可用于评估和表征多种视网膜及眼病和损伤模型中的变化。在光诱导的视网膜变性模型中，SD-OCT可用于随时间追踪感光细胞层的变薄情况。在青光眼模型中，SD-OCT可用于监测视网膜神经纤维层和总视网膜厚度的减少，并在诱导眼压升高后观察视神经杯状凹陷。在糖尿病啮齿类动物中，SD-OCT已帮助研究人员观察到随着疾病进展，总视网膜厚度以及特定视网膜层厚度的减少，尤其是视网膜神经纤维层。在近视小鼠模型中，SD-OCT可用于评估眼轴参数，如眼轴长度的变化。SD-OCT的优势包括对眼部结构进行活体成像、能够定量追踪眼部尺寸随时间的变化，以及其快速扫描速度和高分辨率。本文详细描述了SD-OCT的方法，并展示了其在我们实验室中用于视网膜变性、青光眼、糖尿病视网膜病变和近视模型的研究实例。方法包括麻醉、SD-OCT成像以及图像处理以进行厚度测量。 关键词：谱域光学相干断层扫描，SD-OCT，视网膜变性，青光眼，糖尿病视网膜病变，近视，活体成像，视网膜厚度，视网膜神经纤维层，眼轴长度

引言

谱域光学相干断层扫描（SD-OCT）是一种精确、高分辨率的成像技术，可使临床医生和研究人员无创地观察眼部结构。该成像技术基于干涉测量法，能够在微米尺度上活体获取三维视网膜图像1,2。由于能够便捷、准确地检测病理特征，例如视网膜层的结构缺损和/或变薄以及视网膜下积液，SD-OCT已成为视觉科学研究和临床实践中最常用的成像方法之一3。在使用视觉相关疾病动物模型的研究中，SD-OCT为揭示结构与功能之间的关系及其组织病理学起源提供了关键的无创分析手段4。由于其分辨率高（可达2–3微米，具体取决于眼内成像深度5），SD-OCT能够检测到视网膜层厚度的微小变化。此类分析可为疾病进展提供重要信息，并用于评估针对视觉相关疾病的神经保护方法和治疗手段的有效性。

谱域光学相干断层扫描（SD-OCT）是一种非侵入性技术，可作为组织学结构检查的替代方法，且已证明与组织学结果具有相关性6。尽管SD-OCT尚无法达到细胞级分辨率，但它可用于动物的纵向研究。这一优势在于能够长期追踪同一只动物的疾病进展，而无需在特定时间点处死动物。随着成像技术的不断进步，SD-OCT技术也将持续发展，提供更高质量的图像，并具备精细评估生物过程（如视网膜血管功能）的能力。自1991年问世以来，SD-OCT技术在分辨率、扫描速度和灵敏度方面已取得显著进步7。

本研究利用谱域光学相干断层扫描（SD-OCT）系统，定量分析视网膜变性、青光眼和糖尿病视网膜病变的啮齿类动物模型中视网膜各层的变化。所使用的SD-OCT系统是一种傅里叶域OCT系统，采用低功率近红外光实时获取、处理和存储具有深度分辨能力的图像。该SD-OCT系统在800 nm波长范围内具有扩展的深度成像能力，可实现8 mm的成像深度和4 µm的分辨率。在傅里叶域检测中，对来自组织的散射光与参考光路之间的干涉信号进行傅里叶变换，以构建散射强度的轴向扫描图和/或轴向深度剖面图8。在本研究中，OCT光束在目标视网膜结构上进行扫描，同时连续采集轴向扫描数据。通常，扫描模式以一系列线性的一维扫描线（A扫描）采集二维网格图像（B扫描），并通过光栅扫描模式生成二维横截面图像。对于以小鼠近视为研究重点的实验，该系统还可用于测量眼部结构的尺寸（如角膜厚度、晶状体厚度、玻璃体腔深度和眼轴长度）。

当前系统允许用户自行设计实验方案，创建可根据感兴趣的眼部结构进行定制和选择的扫描。这些用户自定义方案中包含的主要扫描模式使该成像技术具有良好的易用性。在图像分析方面，我们已在数学建模程序中开发了定制化的编程工具。频域光学相干断层扫描（SD-OCT）是一种强大的无创性工具，可用于识别和量化眼部结构的病理形态学改变，并监测与视力相关疾病的发展进程。

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方案

所有所述操作均经亚特兰大退伍军人事务机构动物护理和使用委员会批准，并符合美国国立卫生研究院《实验动物护理和使用指南》（NIH Publications, 8th 第2版，2011年更新

注意：本方案所使用的谱域光学相干断层扫描（SD-OCT）系统详见于材料表中。尽管部分操作步骤针对该特定系统而设定，但整体方法可适配于其他OCT设备和动物模型。此外，在我们实验室中，这些方案通常用于小鼠和大鼠；然而，只要操作者所使用的设备配备合适的透镜并具备相应功能，该整体方法也可应用于其他动物模型和SD-OCT设备。

1. 设置光学相干断层扫描设备

  1. 打开 SD-OCT 软件（材料表).
  2. 定义进行OCT检查、研究及治疗组（如适用）的人员。以有助于研究人员在后续数据分析中检索所需扫描图像的方式命名这些类别。
    1. 在 患者/检查 标签，点击 测试主试. 选择检查者的姓名。使用 设置检测人员 & 医师 添加新评审人的按钮。
    2. 点击 研究名称 以确定研究内容。点击 研究 点击右侧以添加新研究或修改现有研究中的处理方案。 选择治疗组 选择治疗组。
  3. 点击 添加患者 按钮，用于为整个组添加一个新的时间点。窗口出现后，输入编号、名字和姓氏。选择男性或女性。输入出生日期。
  4. 点击 添加考试 按钮以添加单个大鼠。为识别大鼠，请点击某项检查。点击 编辑考试. 将编号输入到 输入备注 盒。单击 保存更改 按钮
  5. 将合适的镜头安装到设备上（图1B），在软件中选择相应的配置，并输入对应的参考臂位置。
    注意：所述的 SD-OCT 系统配有定制镜头、预设扫描模式和 参照臂 针对所成像动物物种及眼部区域（视网膜或角膜，小鼠或大鼠）的特定设置。其中部分细节专属于所描述的谱域光学相干断层扫描（SD-OCT）系统（参见材料表）。例如，并非所有设备均提供手动调节功能 参照臂 光程长度
  6. 在 患者/检查 标签，双击高亮的检查项目以继续进行 成像 标签，然后开始成像，或直接单击 成像 标签。如果有默认扫描，请右键单击以删除它。
  7. 通过点击加载预设的扫描方案 从列表中选择一个实验方案 按钮。或者，添加单个扫描。
  8. 对于青光眼和糖尿病性视网膜病变的大鼠模型以及视网膜变性的小鼠模型，选择包含四幅图像的预设方案：2 次右眼（OD）和 2 次左眼（OS）扫描。对于小鼠近视模型，选择包含八幅图像的预设方案：4 次右眼（OD）和 4 次左眼（OS）扫描。
    注意：预设成像将在第3节中详细说明。这是每个实验室在设备现场安装期间自行设置或与制造商共同完成的。

2. 麻醉动物

  1. 给予麻醉剂。
    1. 通过腹腔注射给予大鼠氯胺酮（60 mg/kg）和赛拉嗪（7.5 mg/kg）进行麻醉。
    2. 通过腹腔注射给予小鼠氯胺酮（80 mg/kg）和赛拉嗪（16 mg/kg）进行麻醉。
    3. 等待动物完全麻醉，对脚趾夹捏无反应。
  2. 滴入散瞳滴眼液（1% 托吡卡胺）。成像前等待瞳孔充分散大。
    注意：散大瞳孔可扩大视野，但并非必需。如果操作中会有任何物体接触眼睛（例如佩戴接触镜片或使用导引装置），应使用局部（角膜）麻醉滴眼液（0.5% 丁卡因）。导引装置是一种放置在扫描头上的辅助工具，可帮助初学者对准眼睛与扫描头。
  3. 在麻醉啮齿类动物后，将其置于可于三维空间内旋转动物的啮齿类动物定位系统中（图1A，1C， & 1D提供热支持。
    注意：目前，我们使用专为 SD-OCT 设备设计和销售的大鼠和小鼠啮齿类动物定位系统。
  4. 使用液体（如生理盐水或人工泪液）保持眼睛润滑。确保成像过程中眼睛不会干燥，以维持扫描间眼内光学特性的稳定（角膜湿润时，视网膜可清晰可见）。
    1. 扫描第一只眼睛时，务必保持另一只眼睛的湿润，以防其变干。
  5. 成像前使用精细擦拭纸吸除多余的生理盐水，因为眼球表面润滑剂过多或过少均会影响成像质量。
    注意： 不建议在OCT检查期间使用无菌润滑凝胶，因为它可能干扰成像。如有需要，可在操作结束后使用无菌润滑凝胶。也可使用隐形眼镜，以确保检测过程中眼球保持充分湿润。根据我们的经验，使用隐形眼镜并未显著改善成像质量，但有助于降低成像过程中角膜干燥的风险。

3. 啮齿类动物OCT成像

  1. 先从一只眼睛（OS 或 OD）开始，随后对对侧眼进行成像。
    1. 利用啮齿类动物对准系统的两个旋转运动调整动物位置，使视线保持水平并沿 OCT 镜头轴线方向直视（图 1D）。
    2. 使用 OCT 的自由运行（Free Run）模式对视网膜进行定位以准备数据采集。初始时点击 瞄准（Aim） 按钮，进入 Aim 模式，以实时连续显示水平和垂直方向的 B 扫描图像。
    3. 将扫描头逐渐靠近眼睛，直至视网膜可见（由于小鼠和大鼠的视网膜镜头为固定焦距，将镜头向眼睛移动可使成像聚焦至视网膜更深层）。然后使用啮齿类动物对准系统上下调整动物位置，并进行摆动/扭转，使视神经乳头位于中心位置，确保水平扫描呈水平方向，垂直扫描呈垂直方向（图 1A）。
    4. 调节工作距离，使视网膜图像平坦而不弯曲。
    5. 调节参考臂位置，使图像保持在显示窗口的顶部附近。注意不要推进过度，否则眼内图像会翻转重叠。
  2. 视网膜成像
    1. 对于青光眼、视网膜变性和糖尿病视网膜病变模型：定义一个由 1000 × 100 × 1（A 扫描 × B 扫描 × 重复 B 扫描）组成的体积扫描用于平均成像。在大鼠中，采集 3 × 3 mm 的体积扫描；在小鼠中，采集 1.5 × 1.5 mm 的体积扫描。
    2. 将视神经乳头在水平和垂直方向居中，使体积扫描位于中心位置。仔细调整，确保视神经乳头位于扫描中心，并沿鼻侧-颞侧及上方-下方轴线对齐（图 2）。如有需要，可重复扫描并重新居中，直至视神经乳头精确位于中心且双轴对齐。点击 快照（Snapshot） 按钮拍摄照片。
      注意：某些谱域 OCT（SD-OCT）设备可通过调节 参考臂 改变眼睛光源距离，从而光学上调整眼球曲率（例如使图像变平）。我们建议在对视网膜各层进行直接厚度测量时，将图像展平并居中，以提高前后方向测量的准确性。
    3. 点击 保存（Save） 按钮保存图像。
    4. 以视神经乳头为中心采集径向扫描，参数设置为 1000 × 4 × 20（A 扫描 × B 扫描 × 重复 B 扫描）。使用重复 B 扫描以增强眼或视网膜图像的清晰度，有助于在数据分析过程中识别眼部区域或视网膜层次。
      注意：同样地，在大鼠中该径向扫描范围为 3 mm，而在小鼠中为 1.5 mm。
    5. 保存图像。
    6. 在对侧眼中重复步骤 3.1 至 3.2.5。
  3. 眼轴长度测量
    1. 对于需要对整个眼球成像的研究项目（如小鼠近视模型），每只眼采集三次全眼球扫描和一次视网膜扫描。选择一个预设参数，即 500 × 20 × 1 的径向扫描，覆盖眼球的完整直径。
      注意：该设置可提供从小鼠角膜到脉络膜的整个眼球长度的图像。
    2. 将眼球和视网膜的中心置于视野中央。采集三次径向扫描（全眼球扫描）：一次 1000 × 5 × 2 的线性 B 扫描，以及在同一位置的另外两次 1000 × 5 × 2 线性 B 扫描。保存图像。
    3. 之后，如需要，可放大并采集一个体积或矩形扫描（视网膜扫描），参数类似于步骤 3.2 中所述，即 1000 × 20（A 扫描 × B 扫描）。保存体积扫描图像。
    4. 在对侧眼中重复步骤 3.3 至 3.3.3。
      注意：由于当前系统的成像窗口有限，眼轴长度测量仅适用于较小的眼球（如小鼠或更小的眼球），无法完整捕获较大眼球的图像。

4. 成像后步骤

  1. 将保存的数据存储在云端，这是良好的数据管理实践，便于后续分析时轻松访问。使用在数学建模程序中开发的自定义软件进行数据分析（材料表）。
  2. 将啮齿类动物从对准系统中取出，并通过腹腔注射阿替美唑（大鼠和小鼠剂量为 1 mg/kg）以逆转赛拉嗪的作用，使其更快苏醒。
  3. 将啮齿类动物置于低温加热垫上恢复，根据需要补充生理盐水滴注。当其恢复完全自主活动能力后，将其放回原有饲养笼中。
  4. 关闭程序并关闭 OCT 设备。

5. OCT图像的后期处理

  1. 使用在数学建模程序中开发的定制软件处理图像，以满足特定的OCT需求（例如，通过手动标记图像来测量感兴趣区域的厚度）。
  2. 根据图像用途（小鼠视网膜、大鼠视网膜或近视/眼轴长度），选择以下三种不同程序之一：
    1. 对于视网膜处理，选择要加载的OCT扫描图像。首先，通过简单点击定义视神经头的中心。
    2. 观察程序在视神经头两侧生成垂直线以标定距离。注意，在大鼠视网膜中，这些垂直线分别位于视神经头中心外侧0.5 mm和1.2 mm处，共4条垂直线，代表当前分析的径向B扫描所对应的鼻侧-颞侧和下方-上方的眼球轴线。
      注：在小鼠视网膜中，这些垂直线分别位于视神经头中心外侧0.25 mm和0.5 mm处。
    3. 沿每条垂直线勾画以下各层：
      视网膜神经纤维层（RNFL）、内丛状层（IPL）、内核层（INL）、外丛状层（OPL）、外核层（ONL）、外界膜（ELM）、内节/外节（IS/OS）、视网膜色素上皮层（RPE），以及总视网膜厚度。
      注：径向扫描在打开时通常不带有鼻侧/颞侧和上方/下方的标签。某些扫描可能按n/t和s/I方向生成，这类扫描将在后续进行分析。
    4. 完成图像勾画并关闭程序后，将这些测量数据导出至电子表格软件中用于数据分析。
  3. 利用第5步获得的长度和厚度数值，在不同组之间进行比较，例如判断是否存在区域性差异（鼻侧/颞侧/上方/下方）或纵向变化。
  4. 对于视网膜测量，首先判断在0.5 mm和1.2 mm距离处的鼻侧-颞侧及下方-上方轴向上是否存在任何差异。
    注：若未观察到象限间的显著差异，可将0.5 mm和1.2 mm处的测量值取平均。对于仅在0.25 mm和0.5 mm处测量的小鼠视网膜扫描，采用类似方法处理。
  5. 对于近视研究，使用该程序沿眼球光轴评估眼部参数。打开数学建模程序，首先选择一张待加载的图像。
    1. 加载图像后，手动标记每幅扫描图像（包括径向扫描和B扫描）。标记角膜、晶状体、玻璃体腔和视网膜的前缘与后缘，以便程序计算角膜厚度、晶状体厚度、前房深度、玻璃体腔深度、总视网膜厚度和总眼轴长度。
    2. 完成标记后退出程序，系统将弹出保存菜单。将勾画所得数值保存至电子表格软件，并对三次独立扫描的结果取平均值。

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结果

如果获得了高质量的图像，能够可靠地测量眼部尺寸，则认为谱域光学相干断层扫描（SD-OCT）成功。本文通过视网膜变性、青光眼、糖尿病视网膜病变和近视的模型，展示了SD-OCT的多种应用。

在光诱导视网膜变性（LIRD）模型中，暴露于强光（10,000 lux）可诱导视网膜中感光细胞的变性9代表性谱域光学相干断层扫描图像显示，与未受损（对照）小鼠相比，LIRD BALB/c 小鼠视网膜的外核层（包含光感受器细胞胞体）更薄（图3A&3B）在量化视网膜各层厚度后，发现未损伤小鼠与LIRD小鼠在视网膜总厚度上存在显著差异（图3C），外核层厚度（图3D），以及IS/OS层厚度（图3E).

为了实验性地模拟青光眼损伤...

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讨论

活体高分辨率成像可对眼内结构进行观察，从而实现对视网膜及眼部随时间变化的评估。本方案展示了SD-OCT在视网膜变性、青光眼、糖尿病视网膜病变和近视等模型中，活体检测眼内结构差异的应用。

进行谱域光学相干断层扫描（SD-OCT）时最关键的环节是获得视网膜或其他目标眼内结构的清晰图像。应花费足够时间确保视网膜完全居中且成像清晰度极佳。实验动物呼吸过重会导致图像噪声增加（在屏幕上可观察到视网膜实际发生抖动）。如果动物在麻醉后未完全失去意识，有时就会出现这种情况。为解决这一问题，可对多个B扫描图像进行平均处理，以帮助识别视网膜各层边界的轮廓，随后选择其中质量最佳的单幅B扫描图像进行分析。

另一个常见的错误是眼睛过于干燥或过于湿润。这可以通过额外滴加一滴生理盐水，用实验室擦拭纸将其吸走，然后评估图像清晰度是否改善来轻松检查。在SD-OCT图像上标记视网膜层厚度时，需要考虑的一个问题是如何标记神经纤维层（RNFL）。尽管在某些啮齿类动物的OCT图像中可以区分RNFL和神经节细胞层（GCL），但通常这两个层次难以分辨。为了保持一致性，我们将...

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披露

作者无任何利益冲突需要披露。

致谢

本工作由美国退伍军人事务部康复研究部资助&D 服务职业发展奖（CDA-1，RX002111；CDA-2，RX002928）授予 RSA，功绩奖（RX002615）和研究职业科学家奖（RX003134）授予 MTP，职业发展奖（CDA-2，RX002342）授予 AJF，EY028859 拨款授予 MTP，NEI 核心资助 P30EY006360，防盲研究组织及防盲基金会。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
1% 托吡卡胺SandozSandoz #6131403550; NDC- 24208-585-59
0.5% 丁卡因AlconNDC 0065-0741-12
AIM-RAS G3 120 VLeica Bioptigen90-AIMRAS-G3-120用于小鼠OCT扫描头的专用支架平台
Celluvisc 凝胶REFRESH CELLUVISC#4554; NDC-0023-4554-30
G3 18 mm 物方远心镜头Leica Bioptigen90-BORE-G3-18
G3 小鼠镜头Leica Bioptigen90-BORE-G3-M
G3 大鼠镜头Leica Bioptigen90-BORE-G3-R
加热垫Fabrication11-1130
InVivoVue 软件Leica Bioptigen与 Leica Bioptigen SD-OCT 系统配套使用的专用软件
MATLABMathworks数学建模程序
小鼠/大鼠套件Leica Bioptigen90-KIT-M/R小鼠/大鼠啮齿类动物对准系统
生理盐水ADDIPAK200-39
System Envisu R4300 VHR 120 VLeica Bioptigen90-R4300-V1-120SD-OCT 系统

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