使用光学相干断层扫描对啮齿动物模型中眼部疾病的体内结构评估
2020年7月24日
在这里，我们描述了使用光谱域光学相干断层扫描（SD-OCT）在视网膜变性，青光眼，糖尿病视网膜病变和近视模型中可视化体内视网膜和眼部结构。
光谱域光学相干断层扫描是一种有价值的工具，可用于在体内对眼部结构进行成像，以及在各种眼病模型中跟踪眼部尺寸随时间的变化。我们使用 SDOCT 来测量糖尿病视网膜病变视网膜变性模型中的视网膜厚度、青光眼模型中的视网膜厚度和杯状以及近视模型中的眼轴长度。SDOCT 技术很简单，但练习对于获得良好的图像至关重要。
尝试不同的方案对于确定哪种方案最适合每种研究需求非常重要。演示该程序的是视觉和神经认知康复中心的首席研究员 Andrew Feola。首先打开光谱域光学相干断层扫描软件，然后输入采集研究和治疗组信息。
在 Patient Exam 选项卡下，单击 Test examiner 并选择检查员的姓名。单击 Study Name 以定义研究，然后打开 Study 选项卡以添加新研究或修改现有研究中的处理。单击 Select Treatment Arm （选择治疗组） 的右侧以选择治疗组。
要为整个组添加新的时间点，请单击 Add Patient。在窗口中，输入 ID 号、名字和姓氏。选择患者的性别和出生日期。
要添加单个 rats，请单击 Add Exam（添加检查）。要识别老鼠，请单击考试，然后单击 Edit Exam（编辑考试）。在 Enter Notes 框中输入 ID 号，然后单击 Save Changes。
接下来，将合适的镜头安装到设备上。在软件中选择相应的配置，然后拨入相关的参考臂位置。在 Patient Examination（患者检查）选项卡下，双击突出显示的检查以进入 Imaging（成像）选项卡并开始成像。
要加载预设扫描协议，请单击列表中的 Select a protocol。对于青光眼和糖尿病视网膜病变的大鼠模型，选择由两个 OD 和两个 OS 组成的预设，分别用于右眼和左眼扫描。将麻醉的大鼠放入啮齿动物对齐系统后，将润滑剂涂抹在动物的眼睛上。
在成像之前，使用精细的任务擦拭擦去任何多余的盐水，并使用啮齿动物对齐系统的两次旋转运动来定位大鼠，使凝视水平，并向下看光学相干断层扫描镜头的轴。使用 Free Run 模式确定视网膜的方向以进行数据收集。然后使用 Aim 模式实时连续显示水平和垂直 B 扫描。
将扫描头移近眼睛，直到可以看到视网膜，并使用啮齿动物对齐系统调整动物位置，直到在中心可以看到视神经头。使水平扫描水平，垂直扫描。调整工作距离，使视网膜图像平坦且不弯曲，并调整参考臂位置，使图像保持在显示窗口顶部附近。
对于青光眼、视网膜变性和糖尿病视网膜病变模型的视网膜成像，定义一个 3 x 3 毫米的体积扫描，其中包括 1， 000 次 A 扫描乘以 100 次 B 扫描乘以 1 次重复 B 扫描进行平均。将视神经置于水平轴和纵轴的中心，使体积扫描沿鼻轴、颞轴和上轴、下轴笔直地位于中心。点击 快照 拍照，然后单击 优惠 保存图像。
获得以视神经头为中心的径向扫描，即 1， 000 A 扫描乘以 4 次 B 扫描乘以 20 次重复 B 扫描。使用重复的 B 扫描来提高眼睛或视网膜的图像清晰度，以便在数据分析过程中更好地解释眼睛区域或视网膜层。然后保存图像并对对侧眼睛重复扫描。
对于图像的后处理，请打开相应的数学建模软件程序。要处理视网膜，请选择要加载的光学相干断层扫描，然后单击以定义视神经头的中心。该程序将生成定义视神经头两侧距离的垂直线。
在大鼠视网膜中，这些线距离视神经头中心 0.5 和 1.2 毫米，共有四条垂直线代表眼睛的鼻轴、颞轴和下上轴，具体取决于当前分析的桡骨 B 扫描。沿每条线，划定视网膜神经纤维层、内丛状层、内核层、外丛状层、外核层、外界膜、内外段、视网膜色素上皮和视网膜总厚度。描绘完所有图层后，将测量值导出到电子表格以进行数据分析。
代表性的光谱域光学相干断层扫描图像揭示了更薄的外核层，与未受损的对照小鼠相比，它包含光诱导的视网膜变性 BALB/c 小鼠视网膜中的感光细胞体。量化视网膜层厚度后，观察到未受损和光诱导的视网膜变性小鼠之间的视网膜总厚度、外核层厚度以及内外段厚度存在显着差异。在高眼压症模型中，观察到视神经头明显的重塑，包括 8 周后出现视神经拔罐。
高眼压症 8 周后视网膜神经纤维层厚度的量化显示，与基线测量值相比，视网膜神经纤维层明显变薄。来自糖尿病大鼠模型和 Wistar 对照动物的视网膜成像显示，在 6 周龄时，与 Wistar 大鼠相比，糖尿病大鼠的视网膜神经纤维层和视网膜总厚度在周边视网膜中减少，在视网膜的下象限和颞象限观察到的最大差异。近视小鼠模型中的眼轴长度明显长于 84 日龄时在野生型眼睛中观察到的眼轴长度。
这个近视的眼睛数据来自一只缺乏时钟基因的小鼠，表明时钟基因有助于近视的发展。使用 SDOCT 测量眼部结构可与其他检测方法（如视网膜电图和视运动反应）结合使用，以检测许多眼病模型中随时间推移的细微变化。
查看完整文字稿并访问数千部科学视频
概述
本文讨论了谱域光学相干断层扫描（SD-OCT）在视网膜和眼部结构活体成像中的应用。重点介绍了该技术在多种眼病模型中的应用价值，包括视网膜变性和青光眼。
关键研究组成部分
科学领域
- 眼科学
- 神经科学
- 成像技术
背景
- SD-OCT 是一种非侵入性成像方法。
- 它能够实现眼部结构的实时可视化。
- 该技术对于监测眼病至关重要。
- 不同的研究应用可能需要采用不同的操作方案。
研究目的
- 展示频域光学相干断层扫描（SD-OCT）在眼病模型中的应用。
- 测量糖尿病视网膜病变中的视网膜厚度。
- 评估青光眼和近视模型中的变化。
使用的方法
- 频域光学相干断层扫描技术的应用。
- 视网膜厚度和杯状凹陷的测量。
- 近视模型中眼轴长度的追踪。
- 多种成像方案的实施。
主要结果
- 成功实现活体视网膜结构的成像。
- 有效追踪眼部随时间发生的变化。
- 证明了方案优化的重要性。
- 为眼病进展提供了深入见解。
结论
- 谱域光学相干断层扫描（SD-OCT）是眼科研究的重要工具。
- 它有助于加深对视网膜疾病的理解。
- 未来的研究可进一步优化成像技术。
常见问题
行业重要性概述
利用谱域光学相干断层扫描（SD-OCT）对活体动物眼部疾病进行结构评估，可实现对啮齿类动物模型视网膜和视神经随时间变化的定量追踪。这种非侵入性成像方法通过提供与疾病进展相关的纵向、视网膜层特异性厚度测量数据，支持机制性风险排除。该方法可提高眼科治疗药物在靶点验证和临床前模型选择中的预测可靠性。
生物制药研发中的战略应用
早期发现与靶点验证
- 科学价值：通过量化变性模型中视网膜层的变薄，实现对治疗假设的验证。
- 操作价值：为青光眼和糖尿病视网膜病变模型中的功能靶点验证提供可重复的纵向数据。
- 预测价值：通过对外核层变薄和视神经杯状凹陷等结构终点进行客观测量，支持项目组合的优先筛选。
筛选与检测方法开发
- 科学价值：为疾病模型中的检测准备提供视网膜各层的标准化高分辨率成像。
- 操作价值：通过以视神经乳头为中心的径向扫描和容积扫描，促进实验方案优化及双眼间的比较分析。
- 可扩展性：可在保持采集参数一致的前提下，快速筛查对侧眼及多个重复时间点。
转化与临床前研究
- 转化连续性：通过监测糖尿病啮齿类动物和近视模型中与疾病相关的结构变化，将发现研究与临床前验证相衔接。
- 机制去风险化：量化视网膜神经纤维层和总视网膜厚度的减少，以支持基于风险评估的推进决策。
- 预测可信度：将结构学结果与视网膜电图等功能检测相结合，实现多参数疾病建模。
流程与工作流整合
SD-OCT 通过提供可量化的、可重复的眼部表型分析，融入从早期靶点验证到先导化合物筛选，再到临床前药效测试的整个发现过程。
- Discovery Biology：通过疾病模型中的层次特异性厚度测量，支持假设验证和通路阐明。
- Screening：通过标准化扫描方案和自动化的厚度测量，实现检测方法的标准化和可重复性。
- Analytics：生成定量读数（例如视网膜神经纤维层、外核层厚度），用于组间统计学比较。
- Translational Research：将结构变化与功能结果相关联，支持临床前研究中的生物标志物匹配。
- Enterprise Reuse：作为一个可重复使用的成像平台，适用于多种眼部疾病模型，仅需极少的方案调整。
运营与企业影响
- 科学价值：预测置信度、靶点验证、降低眼病模型中的机制模糊性。
- 操作价值：在不同实验室之间实现活体眼部成像的标准化、可重复性和可扩展性。
- 战略价值：在眼科项目中做出更优的“推进/终止”决策，提高资本使用效率，降低后期生物学风险。
- 项目组合影响：基于纵向结构终点进行风险调整后的优先排序和推进决策。
实施注意事项
- 为获得稳定的眼部成像，操作者需具备眼部解剖学、成像软件使用及啮齿类动物操作的相关专业知识。
- 所需仪器包括谱域光学相干断层扫描（OCT）系统、啮齿类动物定位装置以及适配的眼科镜头。
- 跨团队标准化要求在扫描参数、图像处理及层次划分等方面统一操作流程。
- 适应性调整需考虑不同模型的特异性，例如近视模型中的眼轴长度变化，或变性模型中的视网膜厚度差异。
- 实际应用中的局限性包括需要使用麻醉、可能出现运动伪影，以及为获得最佳图像质量所需的学习过程。
