マイクロコンピュータ断層撮影法による宇宙飛行後の全球眼構造の評価
2020年10月27日
高解像度のマイクロコンピュータ断層撮影を用いて、宇宙飛行が眼構造に損傷を与えたかどうかを判断するプロトコルを提示する。プロトコルは、 エキビボ げっ歯類の眼構造のマイクロCT由来測定を示す。我々は、非破壊三次元技術を用いて、宇宙飛行後の眼の形態変化を評価して眼の損傷を評価する能力を実証する。
ここでは、マイクロコンピュータ断層撮影法を用いた宇宙飛行後の全球眼構造評価法を提案する。超重力や放射線被ばくなどの宇宙飛行環境は、流体シフトを含む人間の生理学に独特の変化を引き起こします。これらの流体シフトは頭蓋内圧の上昇をもたらし、宇宙飛行関連神経眼症候群の主な原因として考えられている。
SANSの生理的影響は眼の複数の成分に影響を与え、視神経ディスク浮腫、地球平坦化、脈絡膜および陰性折り目、過敏および屈折誤差シフト、および神経線維層の不屈折を含む。SANSの生理学的特性は十分に文書化されていますが、SANSを駆動するメカニズムはまだ十分に理解されていません。SANSの理解を深めるために、げっ歯類モデルは非侵襲的なイメージング技術に使用されています。
これらの技術の1つは、マウスと同じくらい小さい動物の解剖学的構造および病理学的プロセスの評価に成功したマイクロCTである。マイクロCTは、マイクロサイズの解像度を達成することができ、そして、造影剤との組み合わせを介して、それは、軟組織に良好なコントラストを提供することができます。マイクロCTは、検体の幾何学的プロファイルや構造間の空間的関係に損傷を与えないという、総解剖学、光顕微鏡検査、組織学検査などの従来の方法と比較して明らかな利点を提供します。
我々の現在の研究では、マウスは国際宇宙ステーションに35日間宇宙環境にさらされ、宇宙環境がマイクロCTを用いて眼底層、RPE、および脈絡膜層の微細構造を定量化することによって眼の損傷を誘発するかどうかを判断した。ここでは、マイクロCT解析用のサンプルを作成した方法を示しました。マウスを使用し、スプラッシュダウン後38プラスマイナス4時間以内に目を見た。
目は欠核化され、左目は4%パラホルムアルデヒドとリン酸緩衝液に24時間固定された。固定後、目をエタノールで脱水した。固定サンプルのさらなる急激な収縮を防ぐために、一連のエサノミック溶液を用いた。
まず、サンプルを1時間50%エタノールに移し、その後、それぞれ1時間、70、80、90、96、および100%の濃度を増加させ、その後、6日間、1回の体積リン脂質酸で10%の重量で目を染色した。最後に、試料を絶対エタノールで洗浄し、次いでスキャン用の絶対エタノールを充填した個々の2つのミルプラスチック容器に入れた。また、綿パッドを加えて、スキャン中にサンプルを安定化させました。
次に、サンプルをデスクトップX線マイクロCTシステムSkyScan 1272スキャナの内部に置き、残線損傷を評価した。スキャンのために、我々はSkyScan 1272ソフトウェアを使用しました。ソフトウェアを開いた後、サンプルをフレームの中央に配置しました。
プロトコルでは、フィルタを使用しないし、4 ミクロンにピクセルサイズを増加するマトリックスを設定します。マイクロポジショニングは、サンプルをフレームの中央に保つために使用されます。次に、サンプル内の造影剤を最大化し、マシンを較正するためのパラメータをチェックします。
キャリブレーションを実行するには、スキャナーからサンプルを取り外し、スキャンパラメータを設定します。キャリブレーション中に、フラット充填補正もチェックされます。キャリブレーション後に80%以上の値を指定する必要があり、サンプルはスキャンチャンバーに再挿入されます。
スキャンする前に、サンプルファイルに名前が付けられます。スキャンパラメータは以下の通り、回転ステップ0.4、フレーム4、ランダム移動30、ピクセルサイズが4ミクロンに設定されていることをダブルチェックする。その後、スキャンが開始されます。
スキャン後、NReconを使用してサンプルを再構築します。まず、スキャンからファイルを開き、生のスキャン画像を表示します。カーブ内に収まるようにヒストグラムのバウンドを調整します。
次に、ビーム硬化加工品を修正します。次に、スムージング加工アーティファクトを調整します。最後に、リングアーティファクトの削減を修正します。
すべての修正の後、私たちのサンプルが私たちの関心領域内に収まることを確認しました。その後、私たちは再建を開始することができます。DataViewer ソフトウェアを使用して、3 つのフィールドすべてで再構築された画像を視覚化します。
分析には、CTAnソフトウェアが使用されます。再構築されたイメージはソフトウェアにロードされます。この光学神経は、分析のために関心領域を排除するために使用された。
計算では、対象領域の中間スライスを使用して、分析用のすべての測定を実行しました。3つの測定を繰り返し、面積の線形測定を計算した。以下の測定は、眼組織、レチナ、RPE、脈絡膜、および当社のマイクロCT分析で、地上制御と比較して、宇宙飛行サンプルにおいて、レチナ、RPE、および脈絡膜層の断面領域が有意に低い点を示した。
マイクロCTは、操作を行うことなく変更のサイズを計算する効率的で非破壊的な技術を提供します。造影剤を用いることで、マイクロCT画像の品質を高め、試料の構造を合わさらずに再構成の鮮明な画像を得ることができます。さらに、元のデータがデジタルであることを示し、それによって発見のアクセシビリティと再現性が向上します。
また、基本的な目的は、三次元測定を用いることが許容されるが、総三次元構造のセグメンテーションは、検体全体の特定の輪郭を提供するのに有益であり得る。我々の結果は、宇宙飛行状態、特に重力変化が眼内で急性および短期的な応答を誘発する可能性があることを示している。さらに、今後の作業では、多くの正常および病理学的組織の研究に成功しているため、Micro-CTイメージング機能を利用する他の分析を実行するために体積データを使用する必要があります。
概要
この研究は、高解像度のマイクロコンピュータ断層撮影（マイクロCT）イメージングを使用して、宇宙飛行が眼構造に与える影響を調査します。in vitroのげっ歯類の眼サンプルに非破壊技術を適用することで、この研究は宇宙飛行の独特な環境によってもたらされる形態学的変化を評価することを目指しています。
主要な研究構成要素
研究分野
- 宇宙飛行中の眼の健康
- 宇宙環境に関連する神経眼症候群
- マイクロCTイメージング技術の応用
背景
- 宇宙飛行は、体液の移動や頭蓋内圧の上昇など、生理学的変化を引き起こします。
- これらの変化は、視神経乳頭浮腫、眼球の扁平化、屈折異常につながる可能性があります。
- 宇宙関連神経眼症候群（SANS）の根底にあるメカニズムはまだ明らかになっていません。
使用された方法
- 眼構造の三次元評価のためのマイクロCTイメージング。
- 分析のために宇宙環境にさらされたげっ歯類モデル。
- マイクロCTイメージングの品質を向上させるための造影剤の使用。
主な結果
- 対照群と比較して、宇宙飛行サンプルの網膜、RPE、脈絡膜層の断面積に著しい減少が見られました。
- 非破壊イメージングにより、眼の形態を正確に評価することができます。
- この研究は、宇宙環境に対する眼の急性反応に関する洞察を提供します。
結論
- この研究は、宇宙飛行条件が検出可能な眼の損傷を引き起こすことを示しています。
- これらの結果は、SANSを理解し、ミッション中の宇宙飛行士の健康を改善するために重要です。
よくある質問
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.
