Bewertung der globalen Augenstruktur nach der Raumfahrt mit einer mikroberechneten Tomographie (Micro-CT) Imaging-Methode
27. Oktober 2020
Wir präsentieren ein Protokoll mit hochauflösender Mikro-Computertomographie-Bildgebung, um festzustellen, ob die Raumfahrt Schäden an Augenstrukturen verursacht hat. Das Protokoll zeigt die mikro-CT-abgeleitete Messung von ex vivo Nagetier-Augenstrukturen. Wir zeigen die Fähigkeit, okuläre morphologische Veränderungen nach der Raumfahrt mit einer zerstörungsfreien dreidimensionalen Technik zur Bewertung von Augenschäden zu bewerten.
Hier schlagen wir eine Methode zur Bewertung der globalen Augenstruktur nach der Raumfahrt mit Mikrocomputer-Tomographie-Bildgebungsmethode vor. Die Raumflugumgebung, die die Exposition von Paragravitation und Strahlung umfasst, bewirkt einzigartige Veränderungen in der menschlichen Physiologie, einschließlich Flüssigkeitsverschiebungen. Diese Flüssigkeitsverschiebungen führen zu erhöhtem intrakraniellen Druck und wurden als Hauptursache für das neurookuläre Syndrom der Raumfahrt zugeschrieben.
Die physiologische Auswirkung von SANS wirkt sich auf mehrere Komponenten des Auges aus und umfasst optische Bandscheibenödeme, Globe-Abflachung, Aderhaut- und Netzhautfalten, hyperopic und refraktive Fehlerverschiebungen und Nervenfaserschicht-Infracts. Während die physiologischen Eigenschaften von SANS gut dokumentiert sind, sind die Mechanismen, die SANS antreiben, immer noch schlecht verstanden. Um SANS besser verstehen zu können, werden Nagetiermodelle für nicht-invasive bildgebende Verfahren eingesetzt.
Eine dieser Techniken ist micro-CT, die erfolgreich für die Bewertung von anatomischen Strukturen und pathologischen Prozessen bei Tieren eingesetzt wurde, die so klein sind wie Mäuse. Micro-CT kann eine mikrogroße Auflösung erreichen, und durch die Kombination mit einem Kontrastmittel kann es einen guten Kontrast für die Weichgewebe bieten. Micro-CT bietet einen klaren Vorteil im Vergleich zu herkömmlichen Methoden, einschließlich grober Anatomie, Lichtmikroskopie und Histologie-Untersuchung, um das geometrische Profil der Proben und die räumlichen Beziehungen zwischen den Strukturen nicht zu beschädigen.
In unserer aktuellen Studie wurden Mäuse 35 Tage lang an Bord der Internationalen Raumstation der Weltraumumgebung ausgesetzt, um festzustellen, ob die Weltraumumgebung Augenschäden verursacht, indem sie die Mikrostruktur der Netzhaut, des RPE und der Aderhautschichten mit Micro-CT quantifizieren. Hier haben wir gezeigt, wie wir Proben für die Mikro-CT-Analyse vorbereitet haben. Mäuse wurden verwendet und Augen innerhalb von 38 plus oder minus vier Stunden nach dem Abspritzen.
Die Augen wurden enukleiert, und die linken Augen wurden in vier Prozent Paraformaldehyd und Phosphatpuffern für 24 Stunden saline fixiert. Nach der Fixierung wurden die Augen in Ethanol dehydriert. Um eine weitere und abrupte Schrumpfung der festen Probe zu verhindern, wurde eine abgestufte Reihe von ethanoischen Lösungen verwendet.
Zuerst wurden die Proben für eine Stunde auf 50% Ethanol übertragen und dann die Konzentrationen für jeweils eine Stunde erhöhen, 70, 80, 90, 96 und 100%Danach wurden die Augen sechs Tage lang mit 10% Gewicht pro Volumen Phospholipidsäure gefärbt. Schließlich wurden die Proben in absolutem Ethanol gewaschen und dann in einzelne zwei Mühlen-Kunststoffbehälter, die mit absolutem Ethanol gefüllt waren, zum Scannen platziert. Ein Wattepad wurde ebenfalls hinzugefügt, um die Probe während des Scannens zu stabilisieren.
Als nächstes wurde die Probe in einem Desktop-Röntgen-Mikro-CT-System SkyScan 1272 Scanner platziert, um die Netzhautschäden zu bewerten. Zum Scannen haben wir die SkyScan 1272 Software verwendet. Nach dem Öffnen der Software haben wir unser Beispiel im Rahmen zentriert.
In unserem Protokoll verwenden wir keinen Filter und legen die Matrix fest, um die Pixelgröße auf vier Mikrometer zu erhöhen. Die Mikropositionierung wird verwendet, um die Probe im Rahmen zentriert zu halten. Als Nächstes überprüfen wir die Parameter, um das Kontrastmittel in unserer Probe zu maximieren und die Maschine zu kalibrieren.
Um die Kalibrierung durchzuführen, entfernen wir das Sample aus dem Scanner und legen die Scanparameter fest. Während der Kalibrierung wird auch eine flat-filled Korrektur überprüft. Es sollte größer als 80% Nach den Kalibrierungen wird die Probe wieder in die Scankammer eingesetzt.
Vor dem Scannen werden die Beispieldateien benannt. Die Scanparameter sind wie folgt, Rotationsschritt 0,4, Frames vier, zufällige Bewegung 30, überprüfen Sie, ob die Pixelgröße auf 4 Mikrometer eingestellt ist. Dann wird der Scan gestartet.
Nach dem Scannen wird NRecon verwendet, um das Beispiel zu rekonstruieren. Zuerst öffnen wir die Dateien aus dem Scan und sehen uns die unformatierten Scanbilder an. Wir passen den Sprung des Histogramms so an, dass er in die Kurve passt.
Als Nächstes korrigieren wir das Strahlhärteartifaktum. Dann passen wir das Glättungsartefakt an. Schließlich korrigieren wir die Ringartefaktreduktion.
Nach all den Korrekturen haben wir bestätigt, dass unsere Proben in unsere Interessensregion passen. Dann können wir mit dem Wiederaufbau beginnen. Wir verwenden die DataViewer Software, um die rekonstruierten Bilder in allen drei Bereichen zu visualisieren.
Zur Analyse wird die CTAn-Software verwendet. Die rekonstruierten Bilder werden in die Software geladen. Der optische Nerv wurde verwendet, um die Region von Interesse für die Analyse zu entfernen.
Bei der Berechnung haben wir den mittleren Teil des Interessenbereichs verwendet, um alle Messungen für die Analyse durchzuführen. Zur Berechnung der linearen Messung der Fläche wurden drei wiederholte Messungen durchgeführt. Die folgenden Messungen wurden für Augengewebe, Netzhaut, RPE, Aderhaut und unsere Mikro-CT-Analyse durchgeführt, die zeigten, dass die Querschnittsbereiche der Netzhaut, des RPE und der Aderhautschicht in Raumflugproben im Vergleich zu Bodenkontrollen deutlich niedriger waren.
Micro-CT bietet eine effiziente und zerstörungsfreie Methode, um die Größe von Änderungen ohne Manipulation zu berechnen. Durch den Einsatz von Kontrastmittel verbessert es die Qualität von Micro-CT-Bildern, die uns helfen, ein erfolgreiches klares grafisches Bild der Rekonstruktion ohne die Zwischenstruktur des Exemplars zu erhalten. Darüber hinaus zeigt es in den Originaldaten, dass die Zugänglichkeit und Reproduzierbarkeit der Ergebnisse erhöht ist.
Darüber hinaus, Grundzweck, ist es akzeptabel, dreidimensionale Messungen zu verwenden, aber die Segmentierung der groben dreidimensionalen Struktur kann vorteilhaft sein, um spezifische Umrisse der gesamten Probe zu liefern. Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Bedingungen der Raumfahrt, insbesondere Gravitationsveränderungen, eine akute und kurzfristige Reaktion im Auge hervorrufen können. Darüber hinaus sollten zukünftige Arbeiten volumetrische Daten verwenden, um andere Analysen durchzuführen, die die Micro-CT-Bildgebungsfunktionen nutzen, da sie erfolgreich für die Untersuchung vieler normaler und pathologischer Gewebe verwendet wurden.
Überblick
Diese Studie untersucht die Auswirkungen des Weltraumflugs auf die Augenstrukturen mittels hochauflösender Mikro-Computertomographie (Mikro-CT)-Bildgebung. Durch den Einsatz einer nicht-destruktiver Technik an ex vivo Nagetier-Augenproben zielt die Forschung darauf ab, morphologische Veränderungen zu bewerten, die durch die einzigartige Weltraumumgebung verursacht werden.
Wichtige Studienkomponenten
Forschungsbereich
- Augengesundheit während des Weltraumflugs
- Neuro-okuläres Syndrom im Zusammenhang mit Weltraumbedingungen
- Anwendung von Mikro-CT-Bildgebungstechniken
Hintergrund
- Der Weltraumflug verursacht physiologische Veränderungen, einschließlich Flüssigkeitsverschiebungen und erhöhten intrakraniellen Druck.
- Diese Veränderungen können zu Sehnervenkopfödemen, Augenverflachung und Brechungsfehlern führen.
- Die Mechanismen, die dem mit dem Weltraumflug verbundenen neuro-okularen Syndrom (SANS) zugrunde liegen, sind unklar.
Verwendete Methoden
- Mikro-CT-Bildgebung zur dreidimensionalen Bewertung von Augenstrukturen.
- Nagetiermodelle, die der Weltraumumgebung für die Analyse ausgesetzt waren.
- Verwendung von Kontrastmitteln zur Verbesserung der Mikro-CT-Bildqualität.
Hauptergebnisse
- Signifikante Verringerungen der Querschnittsflächen von Netzhaut-, RPE- und Aderhautschichten in Weltraumflugproben im Vergleich zu Kontrollen.
- Nicht-destruktive Bildgebung ermöglicht eine genaue Beurteilung der Augenmorphologie.
- Die Studie liefert Einblicke in die akuten Reaktionen der Augen auf Weltraumbedingungen.
Schlussfolgerungen
- Die Forschung zeigt, dass Weltraumflugbedingungen nachweisbare Augenschäden verursachen.
- Die Ergebnisse sind wichtig für das Verständnis von SANS und die Verbesserung der Astronautengesundheit während Missionen.
Häufig gestellte Fragen
Executive Industry Relevance
This study demonstrates the utility of micro-CT imaging for detecting structural changes in ocular tissues following exposure to spaceflight conditions, offering a non-destructive method to assess tissue-level responses to environmental stressors. The approach supports mechanistic de-risking in preclinical models by enabling quantitative evaluation of retinal, RPE, and choroid layer thickness, which are relevant to neuro-ocular syndrome research. These findings enhance predictive confidence in using rodent models to study environmental stress effects on global ocular structure, with implications for translational biomarker development and preclinical risk assessment.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of therapeutic hypotheses related to structural ocular changes induced by environmental stress.
- Operational Value: Supports biological de-risking through quantitative, reproducible measurement of tissue layer thickness in preclinical models.
- Predictive Value: Facilitates portfolio triage by providing measurable endpoints for assessing ocular safety in early discovery.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Delivers standardized, high-resolution imaging outputs suitable for assay standardization in ocular toxicity screening.
- Operational Value: Ensures reproducibility through non-destructive imaging and contrast-enhanced visualization of soft tissue structures.
- Scalability: Enables platform reuse across multiple ocular tissue types and experimental conditions.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Provides disease-relevant structural endpoints aligned with spaceflight-associated neuro-ocular syndrome (SANS) pathology.
- Operational Value: Supports translational continuity from discovery through preclinical validation via consistent imaging protocols.
- Risk-Adjusted Advancement: Informs go/no-go decisions by quantifying microstructural changes in ocular tissues under stress conditions.
Pipeline & Workflow Integration
The method integrates into the discovery continuum from early target validation through preclinical evaluation, particularly for studies assessing environmental or physiological stressors on ocular structure.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing and pathway clarification by enabling precise measurement of retinal, RPE, and choroid layer alterations.
- Screening: Delivers assay readiness through standardized, quantitative imaging of ocular tissue cross-sections.
- Analytics: Generates linear and areal measurements that allow comparison between experimental and control conditions.
- Translational Research: Connects to preclinical continuity by providing structural biomarkers relevant to SANS-like phenotypes.
- Enterprise Reuse: Functions as a reusable imaging capability across multiple ocular disease models and stressor paradigms.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence in target validation by reducing mechanistic ambiguity in ocular structural responses.
- Operational Value: Enhances standardization and reproducibility through non-destructive, contrast-enhanced micro-CT workflows.
- Strategic Value: Improves capital efficiency by enabling early detection of ocular liability, reducing late-stage attrition risk.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization through quantifiable, translatable ocular structural endpoints.
Implementation Considerations
- Requires expertise in micro-CT operation, image reconstruction, and tissue preparation for contrast agent staining.
- Dependent on access to high-resolution micro-CT instrumentation capable of micron-scale imaging.
- Necessitates cross-team standardization of fixation, dehydration, and staining protocols for reproducible results.
- Involves adaptation considerations when applying the method across different ocular models or species.
- Limited by the ex vivo nature of the technique, which precludes longitudinal in vivo tracking in the same subject.
