Waiting
Traitement de la connexion…

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Medicine
Click here for the English version

Medicine

Трабекулярной сети Ответ на возвышенности давления в Живой человеческого глаза

Published: June 20, 2015 doi: 10.3791/52611
Automatic Translation
1,2, 2, 1, 1,2, 1, 1,2,3, 1,4, 1,2,3
1Department of Ophthalmology, UPMC Eye Center, Eye and Ear Institute, Ophthalmology and Visual Science Research Center, University of Pittsburgh School of Medicine, 2Department of Bioengineering, Swanson School of Engineering, University of Pittsburgh, 3The McGowan Institute for Regenerative Medicine, University of Pittsburgh School of Medicine, 4Deptartment of Biostatistics, Graduate School of Public Health, University of Pittsburgh

Summary

Трабекулярной сети (ТМ) миграция в канале пространства шлеммов может быть вызвано острой высоте давления в ophthalmodynamometer и наблюдали спектральной области оптической когерентной томографии. Цель этого метода заключается в количественном морфометрический ответ живого оттока в острой высоте давления в живых тканях на месте.

Abstract

Механические характеристики трабекулярной сети (TM) связаны с сопротивления оттоку и внутриглазное давление (ВГД) регулирования. Смысл этого метода заключается в непосредственное наблюдение механической реакции ТМ острого повышение ВГД. Перед началом сканирования ВГД измеряли в начале и во время повышение ВГД. Лимба сканируется спектрально-домена оптической когерентной томографии в начале и во время подъема ВГД (ophthalmodynamometer (ODM) применяется на 30 г силы). Сканирование обрабатываются для повышения визуализации водной юмор пути оттока с помощью ImageJ. Сосудистые ориентиры используются для идентификации соответствующих местах в исходных и IOP объемов сканирования рельефа. Шлемм канал площадь (СК) в разрезе (SC-CSA) и длина СК от передней к задней вдоль его длинной оси измеряются вручную в 10 местах в пределах 1 мм сегмента СК. Среднее внутреннего к внешнему расстояния до стенки (короткая продолжительность ось) рассчитывается как площадь СК, разделенной на егоБольшая длина оси. Чтобы изучить вклад прилегающих тканей к действию ВГД высотах, измерения повторяются без и с релаксацией гладкой мускулатуры с закапывания тропикамид. ТМ миграции в СК сопротивляется ТМ жесткости, но усиливается при поддержке его привязанности к соседней гладких мышц в теле мерцательной. Этот метод впервые измерить живую реакцию человека на высоте TM давления в месте в физиологических условиях в человеческом глазу.

Introduction

Глаукома является второй ведущей в мире причиной необратимой слепоты 1. Повышенное внутриглазное давление (ВГД) является основным причинным фактором риска наличия и прогрессирования глаукомы 2-7.   ВГД регулируется баланс между образованием и оттока внутриглазной жидкости 8. В местах наибольшего сопротивления оттока являются juxtacanicular ткани и внутренняя стенка Шлемм канал (SC), интерфейс между СК и трабекулярной сети (TM) 9-11. В то время как ТМ жесткость может способствовать предотвращению краха SC в лице повышение ВГД, Оверби др. 12 недавно показали, что экспрессия гена при глаукоме изменяется, что приводит к увеличению жесткости СК эндотелия, препятствуя образованию пор, что приводит к повышение ВГД в глаукоме глаза 13. ТМ морфология и жесткость коррелируют с оттоком объекта 14,15, подчеркивая тему нужно измерить свои биомеханические характеристики.

Атомные измерения силовая микроскопия ТМ показать повышенный жесткость в глазах, пожертвованных глаукомой пациентов (81 кПа) по сравнению с глазами доноров без глаукомы (4,0 кПа) 16, но эти измерения были сделаны в расчлененных бывших естественных условиях ткани. Задняя ТМ якорь в цилиарной мышцы через передние сухожилий продольных мышечных клеток, которые вставляют в наружный ламелированной и cribiform ТМ 17. Мышцы (КМ) Мерцательная может увеличить упругость TM, имитируя повышенной жесткости TM 17. Возможность наблюдать изменения в устойчивости к SC распада, индуцированного возмущений гладких мышц было показано на модели животных 18. Мы продемонстрировали способность к неинвазивно изображения основной водной системе юмор отток в живых человеческих глаз дистальнее и в том числе с использованием SC спектральной области оптической когерентной томографии (ОКТ) <SUP> 19-21. Используя эту технику, мы продемонстрировали способность количественно морфометрический ответ ТМ и СК в острой повышение ВГД 22.

Общая цель метода, описанного здесь было количественно морфометрический ответ живого оттока в острой повышение ВГД в живых тканях на месте. Этот метод имеет то преимущество, рассматривая TM в физиологических условиях, который включает вклады как сократительной волокон в пределах ТМ и ТМ см до жесткости, по сравнению с опубликованными измерений, выполненных в рассеченных тканей. Обоснованием применения этого метода для наблюдения механической ответ ТМ является то, что дает нам в противном случае проникновения в недоступные механического поведения ТМ, которые мы сейчас знаем, связаны непосредственно сопротивления оттоку и ВГД регулирования 13. Для различить вклад сократительных тканей к общей жесткости, небольшой кижучаRT испытуемых исследовали без и с подавлением активности гладких мышц путем введения тропикамид.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Этика себе: Утверждение была получена из Institutional Review Board университета Питтсбурга школы медицины в до начала предметом найма. Все субъекты дали письменное информированное согласие до участия в исследовании.

1. Сбор данных

  1. Высота давления
    1. Возьмите базовые измерения ВГД (и восьмеричные измерений), внушая одну каплю 0,5% пропаракаина в глаза. Подождите 3 мин для эффективности.
    2. Осторожно применять давление на временной склеры с ophthalmodynamometer, 30 г в когорте 1 и 5, а затем 10 г в когорте 2. Затем возьмите желаемых (IOP и ОКТ) измерения следующим образом
      1. ВГД Измерения
        1. Измерьте базовой ВГД. Поднимите давление, как описано в разделе 1.1.
        2. В когорте 1 привить одну каплю 0,5% пропаракаина, позволяют 3 мин для эффективности и применять 30 г давления в склеры. В то время как давление применяется, измерения ВГД с помощью тонометра следующий производИнструкции по cturer.
        3. В когорте 2, привить одну каплю 0,5% пропаракаина, позволяют 3 мин для эффективности и применять 5 г склеры давлении с использованием ophthalmodynamometer. Измерьте ВГД во время подъема давления, следуя инструкциям тонометр следующего производителя.
          1. Подождите 5 минут после измерения 5 г.
          2. Применить 10 г склеры давлением ophthalmodynamometer, и измерить внутриглазное давление во время подъема давления с помощью тонометра в соответствии с инструкциями изготовителя. Запишите ВГД и состояние (т.е., базовые или 10 г) в протоколе исследования.
      2. Октябрь Сканирование
        1. Автокресло тему на сканере Октябрь. Введите пациентов демографические данные для новых субъектов, или вспомнить демографические данные из базы данных для ранее октября отсканированных предметов.
        2. Выберите протокол 512 х 128 сканирования переднего сегмента. Сосредоточьте взгляд на окна видеоизображения. Уменьшите расстояние между сканероми глаз, пока роговица поперечного сечения изображения не появляется в окне сканирования
        3. Использование словесных команд расположить временную лимб в центре окна сканирования, направляя взгляд пациента в носовой направлении
        4. Приобретать базовой сканирование, и рассмотреть сканирование качества. Если это приемлемо, за исключением, и если не приемлемо, повторите этот шаг.
          1. Принять сканирования, если нет мигать, и угол визуализируется по всему объему без дрейфующих края изображения или листать вверху.
        5. Привить одну каплю 0,5% пропаракаина, позволяют 3 мин для эффективности, и повторите шаги 1.3.2 через 1.3.5.
        6. Для когорты 1, применяются 30 г склеры давлением ophthalmodynamometer, и приобрести сканирование в то время как давление применяется. Снимите давление и пересмотреть сканирование качества. Если это приемлемо, за исключением, и если не приемлемо, повторите этот шаг.
        7. Для когорты 2, применяются 5 г склеры давлением ophthalmodynamomметр, и приобрести сканирование в то время как давление применяется. Снимите давление и пересмотреть сканирование качества. Если это приемлемо, за исключением, и если не приемлемо, повторите этот шаг.
        8. Подождите 5 минут, позволяющие глаз, чтобы оправиться от 5 г давления возмущения.
        9. Для когорты 2, применяются 10 г склеры давлением ophthalmodynamometer, и приобрести сканирование в то время как давление применяется. Снимите давление и пересмотреть сканирование качества. Если это приемлемо, за исключением, и если не приемлемо, повторите этот шаг.
        10. Запишите время сканирования, состояние (т.е., базовые или 10 г) и расположение в протоколе исследования.

2. Обработка данных

  1. Подключите высокой емкости для хранения USB-устройство в октябре Выберите "Экспорт" из меню Записи на октябрь Назначить местоположение файла для экспортируемых файлов на диске USB. Де-выберите опцию ".zip". Введите имя пациента для СКANS будет экспортироваться, и выберите сканы для экспорта. Инициировать экспорт.
  2. Когда экспорт закончится, отключить привод USB и удалить из октября Подключите высокой емкости USB жесткий диск, содержащий экспортированные изображения в рабочей станции для обработки изображений.
  3. Запустите программу обработки изображений в этом случае ImageJ.
  4. Импорт данных изображения сырой; выберите "Файл -> Импорт -> Сырье" из меню файла. Выберите файл с окончанием в "_cube_raw.img" должны быть обработаны с диска USB.
  5. Сохранить импортированный файл, используя новое имя, так что исходные данные изображения сохраняются неизменными (http://www.ori.dhhs.gov/education/products/RIandImages).
  6. Введите параметры импорта, как следует, тип изображения: 8 бит, ширина: 512, высота: 1024, Смещение: 0; Количество изображений: 128.
  7. Выберите "Плагины -> R egistration -> StackReg" из меню плагинов. И затем выберите «твердого тела"Вариант. Затем выберите "File -> Save As -> TIFF", чтобы сохранить выровненный стек.
  8. Выберите "Process -> Фильтры -> Среднее 3D" в меню процесса. Введите параметры Х = 1, Y = 1, а Z = 1, как опции фильтра. Повторите этот шаг дважды.
  9. Выберите "Файл -> Сохранить как -> TIFF", чтобы сохранить усредненный стек. Вращайте колесо мыши, чтобы перейти к рамке 1 активного стека.
  10. Выберите "Process -> Повышение локальный контраст (CLAHE)" в меню обработки. Используйте размер блока параметров: 31, гистограммы бункеров: 256, максимальный наклон: 5, маска: Нет, и выберите опцию "быстрый". Используйте клавишу со стрелкой вправо, чтобы перейти к следующему кадру.
  11. Перейти к раме 2 активного стека и повторить Процессуальная> Повышение локальный контраст (CLAHE). Повторяйте, пока все кадры не имели контраст усиливается.
  12. Выберите "Файл -> Сохранить как -> TIFF"; чтобы сохранить стопку контрастным усилением. Затем выберите "Image -> Adjust -> Размер" из меню Image. Снимите флажок "Ограничить Aspect Ratio", затем введите Ширина: 2048 и высоту: 1024 значений.
  13. Выберите "Изображение -> Transform -> Flip Вертикально" из меню Image. Затем выберите "Анализ -> Set Scale" в меню Analyze. Введите расстояние в пикселях: 2048, известном расстоянии: 4000, и Pixel Aspect Ratio: 1, и нажмите кнопку ОК. Выберите "Файл -> Сохранить как -> TIFF", чтобы сохранить калиброванный соотношении 1: 1 стек сторон.
  14. Медленно вращать колесо мыши, чтобы визуально исследовать сканирование, чтобы определить характерный переход судна служить в качестве точки отсчета в сканирований. Запишите номер кадра номер изображения и ссылки в таблице анализа.
  15. Нажмите левую клавишу со стрелкой 15 раз, чтобы перейти к первому кадру измерения. Выберите "Freehand SelectionsR21; инструмент на панели инструментов.
  16. Наведите в центре СК и нажмите стрелку вверх. Повторите этот шаг, пока не СК заполняет экран.
  17. Вручную сегмент СК по кругу границу с помощью мыши. Держите (Ctrl) ключ управления и нажмите D для текущего кадра изображения. Удерживая клавишу Ctrl, и нажмите M. Расшифруйте измерения SC площади поперечного сечения и количества измерений кадров для анализа таблицы. Де-выберите структурированную область. Нажмите стрелку вправо ключ 3 раза. Повторите этот шаг, пока не СК были измерены в 10 кадров.
  18. Нажмите левую клавишу со стрелкой 30 раз, чтобы вернуться к первому кадру измерения.
  19. Выберите отрезок прямой инструмент из панели инструментов.
  20. Нарисуйте прямую линию от передне-задней самому-самых местах на СК. Удерживая клавишу управления и нажмите D только для текущего кадра. Удерживая клавишу управления и нажмите длину М. Расшифруйте SC и номер кадра для анализа таблицы. Де-выберите структурированную область. Нажмите клавишу со стрелкой вправо3 раза. Повторите этот шаг, пока длина СК не был измерен в тех же 10 кадров как области SC поперечного сечения.
  21. Вставьте уравнение SC-IOWD длину = СК-CSA / осевой в таблице анализа для расчета средней SC внутреннюю стенку с расстояния внешняя стенки (SC-IOWD) путем деления измерения площадей по измерениям длины.
  22. Нажмите левую клавишу со стрелкой 30 раз, чтобы вернуться к первому кадру измерения.
  23. Выберите отрезок прямой инструмент из панели инструментов.
  24. Нарисуйте прямую линию от передне-самых на СК к границе трабекулярной сети и передней камеры. Убедитесь, что линия перпендикулярна границе. Удерживая Ctrl и нажмите D, затем М.
  25. Проведите линию от задней-самых месте СК и на границе ТМ и передней камеры. Убедитесь, что линии, перпендикулярной к границе. Hold Control и нажмите D, затем М.
  26. Нарисуйте линию от центра СК и на границе ТМ и передней камеры. Убедитесь, что линье перпендикулярно к границе. Удерживая клавишу управления и нажмите D только для текущего кадра.
  27. Расшифруйте три измерения толщины ТМ и номер кадра для анализа таблицы. Для этого нажмите правую стрелку ключ 3 раза. Повторите этот шаг, пока толщина ТМ не была измерена в тех же 10 кадров как области SC поперечного сечения.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Используя эти методы сбора данных и анализа изображений, эффекты малых и больших изменений ВГД на отток тракта морфологических параметров, таких как SC площади поперечного сечения получаются (рисунок 1). Мы видим, что высокие уровни повышения ВГД производить наблюдаемый распад СК, в лице большого сокращения площади поперечного сечения. Глаз по-видимому, способен вместить небольшое увеличение ВГД, о чем свидетельствует отсутствие изменений в SC-CSA (рисунок 1). Эти результаты показывают, что метод способен количественного морфометрического реакцию выходного тракта с острой проблемой ВГД. Ни один другой семейство технологий или методов не обеспечивает как визуальную и количественную информацию о биомеханике выносящего тракта.

На протяжении всего исследования, не наблюдалось никаких существенных изменений в толщине TM. В ответ на 23 мм рт.ст. ВГД увеличение, SC внутреннего к внешнему расстояния до стенки была уменьшена на 5,03 мкм. Втез и с подавлением активности гладких мышц, увеличение 6 мм рт.ст. ВГД вызвано СК внутреннего к внешнему расстояния до стенки уменьшится на 0,18 мкм и 2,34 мкм соответственно. Кроме того, базовый SC-CSA снизилась с 4597 ± 2503 мкм 2 на 3588 ± 1,198 мкм 2 (среднее значение ± стандартное отклонение) с гладкой подавления мышечной активности. Вместе с включением передних сухожилий от цилиарной мышцы, которые вставить в наружную ламелированной и cribiform ТМ 17, это означает, систему управления для поддержания проходимости SC участием гладкие мышцы. Дальнейшее изучение заслуживает.

Фигура 1
Рисунок 1. Канал площадь шлеммов против внутриглазного давления в живых глазах. Канал шлемма (СК) площади поперечного сечения из двух когорт субъектов предоставляются. Усы настоящее 1 стандартная ошибка в Intraocular давление (ВГД) на оси абсцисс, и СК область на оси ординат.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Настоящая методика использует неинвазивный наблюдение механической реакции мягких тканей для количественного крах SC. Будущая работа с использованием трупных глаз человека требуется для калибровки ткани отклонений фактической жесткости ткани после вскрытия. Но такие исследования будут страдать те же ограничения предыдущих моделей оттока; В частности, о том, что взносы, проживающих в мышцах ткани напряженности не будет присутствовать. Кроме того калибровки в живом млекопитающих модели глаза может позволить калибровку изображений и прямых измерений жесткости TM.

Есть несколько ограничений к технике. Это еще должно быть продемонстрировано на других платформах Октябрь. Литературы показывает, что одни и те же структуры могут быть визуализированы на других устройствах окт однако чувствительность к изменений, связанных с острой ВГД высоте на этих устройствах до сих пор не показано в человеческих глаз. Настоящее устройство используется из соображений удобства, а не дополнительная оптика нетребуется для сканирования переднего сегмента. Большой проблемой этой работы является выявление СК в сканирований. Невозможно однозначно определить SC в пределах этого блока. Допрос объема требуется сначала найти площадь ткани, содержащий СК. Его личность, то подтверждается наблюдением коллектор канала Остии, и взаимосвязи различных сегментов СК, которые появляются кусочек нарезать. По нашему опыту, СК будет представить как от 0 до 4 отверстия внутри лимба, которые могут сливаться в один большой отверстия возле устья коллектора канала, или свернуть в ущипнул разделе полного закрытия.

Наибольшее значение этого метода прорыва в том, что нет никакого другого выбора для оценки ТМ жесткости на месте. Морфология и жесткость ТМ коррелируют с оттоком объекта 14,15, подчеркивая необходимость измерения биомеханических характеристик пути оттока. В будущем,такие измерения могут дать представление в данный момент недоступен в управлении глаукомы.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Доктор Шуман получил гонорары за интеллектуальную собственность лицензированного Массачусетского технологического института и Массачусетского глаз и ушей лазарет Zeiss, Inc.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Spectral Domain OCT Zeiss Cirrus
Imaging Workstation Apple iMac
Ophthalmodynamometer Baillairt Matalene Ophthalmodynamometer, Surgical instruments CO., Inc. New York, NY
Image Processing Program rsb.info.nih.gov/ij ImageJ, FIJI

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Quigley, H. A., Broman, A. T. The number of people with glaucoma worldwide 2010 and 2020. The British journal of ophthalmolog. 90, 262-267 (2006).
  2. Sommer, A., et al. Relationship between intraocular pressure and primary open angle glaucoma among white and black Americans. The Baltimore Eye Survey. Archives of ophthalmolog. 109, 1090-1095 (1991).
  3. Sommer, A., et al. Racial differences in the cause-specific prevalence of blindness in east Baltimore. The New England journal of medicin. 325, 1412-1417 (1991).
  4. Leske, M. C., Connell, A. M., Wu, S. Y., Hyman, L., Schachat, A. P. Distribution of intraocular pressure. The Barbados Eye Study. Archives of ophthalmolog. 115, 1051-1057 (1997).
  5. Leske, M. C., Wu, S. Y., Hennis, A., Honkanen, R., Nemesure, B. Risk factors for incident open-angle glaucoma: the Barbados Eye Studies. Ophthalmolog. 115, 85-93 (2008).
  6. Mitchell, P., Lee, A. J., Rochtchina, E., Wang, J. J. Open-angle glaucoma and systemic hypertension: the blue mountains eye study. Journal of glaucom. 13, 319-326 (2004).
  7. Mitchell, P., Smith, W., Attebo, K., Healey, P. R. Prevalence of open-angle glaucoma in Australia. The Blue Mountains Eye Study. Ophthalmolog. 103, 1661-1669 (1996).
  8. Gabelt, B., Kaufman, P. Adler's Physiology of the Ey. Kaufman, P. L. , Mosby. 237-289 (2003).
  9. Grant, W. M. Experimental aqueous perfusion in enucleated human eyes). Archives of ophthalmolog. 69, 783-801 (1963).
  10. Jocson, V. L., Sears, M. L. Experimental aqueous perfusion in enucleated human eyes. Results after obstruction of Schlemm's canal. Archives of ophthalmolog. 86, 65-71 (1971).
  11. Maepea, O., Bill, A. Pressures in the juxtacanalicular tissue and Schlemm's canal in monkeys. Experimental eye researc. 54, 879-883 (1992).
  12. Johnstone, M. A., Grant, W. G. Pressure-dependent changes in structures of the aqueous outflow system of human and monkey eyes. American journal of ophthalmolog. 75, 365-383 (1973).
  13. Overby, D. R., et al. Altered mechanobiology of Schlemm's canal endothelial cells in glaucoma. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of Americ. , (2014).
  14. Allingham, R. R., de Kater, A. W., Ethier, C. R. Schlemm's canal and primary open angle glaucoma: correlation between Schlemm's canal dimensions and outflow facility. Experimental eye researc. 62, 101-109 (1996).
  15. Camras, L. J., Stamer, W. D., Epstein, D., Gonzalez, P., Yuan, F. Differential effects of trabecular meshwork stiffness on outflow facility in normal human and porcine eyes. Investigative ophthalmolog., & visual scienc. 53, 5242-5250 (2012).
  16. Last, J. A., et al. Elastic modulus determination of normal and glaucomatous human trabecular meshwork. Investigative ophthalmolog., & visual. 52, 2147-2152 (2011).
  17. Lutjen-Drecoll, E. Functional morphology of the trabecular meshwork in primate eyes. Progress in retinal and eye researc. 18, 91-119 (1999).
  18. Li, G., et al. Pilocarpine-induced dilation of Schlemm's canal and prevention of lumen collapse at elevated intraocular pressures in living mice visualized by OCT. Investigative ophthalmolog., & visual scienc. 55, 3737-3746 (2014).
  19. Francis, A. W., et al. Morphometric analysis of aqueous humor outflow structures with spectral-domain optical coherence tomography. Investigative ophthalmolog., & visual. 53, 5198-5207 (2012).
  20. Kagemann, L., et al. 3D visualization of aqueous humor outflow structures in-situ in humans. Experimental eye researc. 93, 308-315 (2011).
  21. Kagemann, L., et al. Identification and assessment of Schlemm's canal by spectral-domain optical coherence tomography. Investigative ophthalmolog., & visual. 51, 4054-4059 (2010).
  22. Kagemann, L., et al. IOP Elevation Reduces Schlemm's Canal Cross-sectional Area. Investigative ophthalmolog & visual scienc. , (2014).

Tags

Медицина выпуск 100 оптической когерентной томографии трабекулярной сети Биомеханика внутриглазного давления регулирование водный Юмор Отток
Трабекулярной сети Ответ на возвышенности давления в Живой человеческого глаза
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Kagemann, L., Wang, B., Wollstein,… More

Kagemann, L., Wang, B., Wollstein, G., Ishikawa, H., Mentley, B., Sigal, I., Bilonick, R. A., Schuman, J. S. Trabecular Meshwork Response to Pressure Elevation in the Living Human Eye. J. Vis. Exp. (100), e52611, doi:10.3791/52611 (2015).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter