הערכת מבנה עיני גלובלי בעקבות Spaceflight באמצעות שיטת הדמיה מיקרו-מחושבת (מיקרו-CT)
27 באוקטובר 2020
אנו מציגים פרוטוקול באמצעות הדמיית טומוגרפיה מיקרו-מחושבת ברזולוציה גבוהה כדי לקבוע אם נגרם נזק לתענות חלל על מבנים עיניים. הפרוטוקול מראה את המדידה הזעירה-CT של מבנים עיניים של מכרסם vivo לשעבר. אנו מדגימים את היכולת להעריך שינויים מורפולוגיים עיניים בעקבות טיסות חלל באמצעות טכניקה תלת-מינדית לא הרסנית כדי להעריך נזק עיני.
כאן אנו מציעים שיטה להערכת מבנה העין העולמי בעקבות טיסה בחלל באמצעות שיטת הדמיה טומוגרפיה מיקרו-ממוחשבת. סביבת טיסה בחלל, הכוללת שיתוק וחשיפה לקרינה, גורמת לשינויים ייחודיים בפיזיולוגיה האנושית, כולל שינויים בנוזלים. שינויים נוזליים אלה מובילים ללחץ תוך גולגולתי גבוה ומיוחסים כגורם העיקרי לתסמונת נוירו-עינית הקשורה לטיסה בחלל.
ההשפעה הפיזיולוגית של SANS משפיעה על רכיבים מרובים של העין וכוללת בצקת דיסק אופטית, שיטוח גלובוס, קפלי כורואידל ורשת, שינויי שגיאות היפרופיים ושבריתיים, ופגיעה בשכבת סיבי העצב. בעוד המאפיינים הפיזיולוגיים של SANS מתועדים היטב, המנגנונים שמנהנים SANS עדיין מובנים היטב. על מנת לקבל הבנה טובה יותר של SANS, מודלים מכרסמים משמשים עבור טכניקות הדמיה לא פולשניות.
אחת הטכניקות הללו היא מיקרו-CT, אשר שימש בהצלחה להערכת מבנים אנטומיים ותהליכים פתולוגיים בבעלי חיים קטנים כמו עכברים. מיקרו-CT יכול להשיג רזולוציה בגודל מיקרו, ודרך השילוב עם סוכן ניגודיות, הוא יכול לספק ניגודיות טובה לרקמות הרכות. מיקרו-CT מספק יתרון ברור בהשוואה לשיטות מסורתיות, כולל אנטומיה ברוטו, מיקרוסקופיה קלה ובדיקת היסטולוגיה כדי לא לגרום נזק לפרופיל הגיאומטרי של הדגימות וליחסים המרחביים בין המבנים.
במחקר הנוכחי שלנו, עכברים נחשפו לסביבת החלל במשך 35 ימים על סיפון תחנת החלל הבינלאומית כדי לקבוע אם סביבת החלל גורמת לנזק עיני על ידי כימות המיקרו-מבנה של הרשתית, RPE ושכבות choroid באמצעות מיקרו-CT. כאן הדגמנו כיצד הכנו דגימות לניתוח מיקרו-CT. השתמשו בעכברים ועיניים בתוך 38 פלוס או מינוס ארבע שעות לאחר התזה למטה.
העיניים היו מחונכות, והעיניים השמאליות תוקנו בארבעה אחוזים של מאגרי פרפורמלדהיד ופוספט במשך 24 שעות. לאחר קיבעון, העיניים היו מיובשות באתנול. כדי למנוע הצטמקות נוספת ופתאומית של המדגם הקבוע, נעשה שימוש בסדרה מדורגת של פתרונות אתניים.
ראשית, הדגימות הועברו 50%אתנול במשך שעה אחת ולאחר מכן הגדלת ריכוזים במשך שעה אחת כל אחד, 70, 80, 90, 96, ו 100% לאחר מכן, העיניים היו מוכתמות עם 10% משקל לכל נפח חומצה פוספוליפיד במשך שישה ימים. לבסוף, דגימות נשטפו באתנול מוחלט ולאחר מכן הונחו בודדים שני מיכלי פלסטיק טחנה מלא אתנול מוחלט לסריקה. כרית כותנה נוספה גם כדי לייצב את המדגם במהלך הסריקה.
לאחר מכן, המדגם הונח בתוך שולחן העבודה רנטגן מיקרו CT מערכת SkyScan 1272 סורק כדי להעריך את הנזק הרשתית. לסריקה, השתמשנו בתוכנת SkyScan 1272. לאחר פתיחת התוכנה, רתמנו את הדגימה שלנו במסגרת.
בפרוטוקול שלנו, אנחנו לא משתמשים במסנן ומגדירים את המטריצה כדי להגדיל את גודל הפיקסל לארבעה מיקרון. מיקום מיקרו משמש כדי לשמור על המדגם מרוכז במסגרת. לאחר מכן, אנו בודקים את הפרמטרים כדי למקסם את סוכן הניגודיות בתוך המדגם שלנו ולכייל את המכונה.
כדי לבצע את הכיול, אנו מסירים את הדגימה מהסורק, ומגדירים את פרמטרי הסריקה. במהלך הכיול נבדק גם תיקון מלא שטוח. זה צריך להיות גדול מ 80% לאחר כיול, המדגם הוא מחדש לתוך תא הסריקה.
לפני הסריקה, נקראים הקבצים לדוגמה. פרמטרי הסריקה הם כדלקמן, שלב סיבוב 0.4, מסגרות ארבע, תנועה אקראית 30, בדיקה כפולה שגודל הפיקסל מוגדר ל-4 מיקרון. ואז הסריקה מתחילה.
לאחר הסריקה, NRecon משמש לבנייה מחדש של הדגימה. ראשית, אנו פותחים את הקבצים מהסריקה והצגת תמונות הסריקה הגולמיות. אנחנו מתאימים את הקפיצה של ההיסטוגרמה כך שתתאים לתוך העקומה.
לאחר מכן, אנו מתקנים את חפץ התקשות הקרן. אז נתאים את חפץ החלקה. לבסוף, אנו מתקנים להפחתת חפץ הטבעת.
אחרי כל התיקונים, אישרנו שהדגימות שלנו מתאימות לאזור העניין שלנו. אז נוכל להתחיל בשחזור. אנו משתמשים בתוכנת DataViewer כדי לדמיין את התמונות המשוחזרות בכל שלושת השדות.
לניתוח, נעשה שימוש בתוכנת CTAn. התמונות המשוחזרות נטענות לתוכנה. העצב האופטי שימש כדי לדון באזור העניין לניתוח.
לפי חישוב, השתמשנו בפרוסה האמצעית של אזור העניין כדי לבצע את כל המדידות לניתוח. שלוש מדידות חוזרות ונשנות נלקחו כדי לחשב את המדידה ליניארית של האזור. המדידות הבאות נלקחו עבור רקמות העין, הרשתית, RPE, choroid, ו שלנו מיקרו CT ניתוח הראה כי האזורים חתך רוחב של רשתית, RPE, שכבת choroid היו נמוכים באופן משמעותי דגימות טיסה בחלל בהשוואה לפקדי הקרקע.
מיקרו-CT מספקת טכניקות יעילות ולא הרסניות לחישוב גודל השינויים ללא כל מניפולציה. באמצעות סוכן ניגודיות, זה לשפר את האיכות של תמונות מיקרו-CT, אשר מסייעים לנו לקבל תמונה גרפית ברורה מוצלחת של השחזור ללא מבנה הבין של הדגימה. בנוסף, הוא מראה בנתונים המקוריים הוא דיגיטלי, ובכך להגדיל את הנגישות ואת הרבייה של הממצאים.
יתר על כן, מטרה בסיסית, מקובל להשתמש במדידות תלת מימדיות, אבל פילוח של המבנה התלת מימדי ברוטו יכול להיות מועיל כדי לספק מתאר ספציפי של הדגימה כולה. התוצאות שלנו מצביעות על כך שתנאי טיסה בחלל, במיוחד שינויים כבידתיים, עלולים לגרום לתגובה חריפה וקצרת טווח בעין. יתר על כן, עבודה עתידית צריכה להשתמש בנתונים נפחיים כדי לבצע ניתוחים אחרים המנצלים את יכולות הדמיה מיקרו-CT, שכן הוא שימש בהצלחה לחקר רקמות נורמליות ופתולוגיות רבות.
סקירה כללית
מחקר זה חוקר את ההשפעה של טיסת חלל על מבני העין באמצעות הדמיית מיקרו-מחשב טומוגרפי (מיקרו-CT) ברזולוציה גבוהה. על ידי שימוש בטכניקה לא הרסנית על דגימות עיניים של מכרסמים ex vivo, המחקר מטרתו להעריך שינויים מורפולוגיים הנובעים מסביבת טיסת החלל הייחודית.
רכיבי מחקר עיקריים
תחום המחקר
- בריאות העיניים במהלך טיסת חלל
- תסמונת נוירו-אוקולרית הקשורה לתנאי החלל
- יישום טכניקות הדמיית מיקרו-CT
רקע
- טיסת חלל גורמת לשינויים פיזיולוגיים, כולל שינויי נוזלים ועלייה בלחץ תוך גולגולתי.
- שינויים אלו יכולים להוביל לבצקת דיסק עצבי, שטוחות כדור העין ושגיאות שבירה.
- המנגנונים העומדים בבסיס התסמונת הנוירו-אוקולרית הקשורה לטיסת חלל (SANS) עדיין אינם ברורים.
שיטות ששימשו
- מיקרו-CT להערכה תלת-ממדית של מבני העין.
- דגמי מכרסמים שנחשפו לסביבת החלל לצורך ניתוח.
- שימוש בחומרים מניגודיות כדי לשפר את איכות ההדמיה של מיקרו-CT.
תוצאות עיקריות
- ירידות משמעותיות בשטחי החתך של שכבות הרשתית, RPE והכורואידה בדגימות טיסת חלל בהשוואה לקבוצות בקרה.
- הדמיה לא הרסנית מאפשרת הערכה מדויקת של מורפולוגיית העין.
- המחקר מספק תובנות לגבי התגובות החריפות של העיניים לתנאי החלל.
מסקנות
- המחקר מדגים שתנאי טיסת החלל גורמים לנזק עיניים שניתן לזיהוי.
- הממצאים משמעותיים להבנת SANS ושיפור בריאות האסטרונאוטים במהלך משימות.
שאלות נפוצות
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.
