Methodenartikel

Trabekelsysteem reactie op druk Hoogte in de Living Human Eye

DOI:

10.3791/52611

⸱

20 juni 2015

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
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

In dit artikel

Samenvatting

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Trabeculaire netwerk (TM) migratie in het kanaal van Schlemm ruimte kan worden geïnduceerd door acute drukverhoging door ophthalmodynamometer en geobserveerd door spectrale domein optische coherentie tomografie. Het doel van deze methode is het morfometrisch reactie van de levende uitstroomkanaal acute drukverhoging in levend weefsel in situ gekwantificeerd.

Samenvatting

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

De mechanische eigenschappen van het trabeculaire netwerk (TM) gekoppeld aan uitstroomweerstand en intraoculaire druk (IOP) regulering. De grondgedachte achter deze techniek is de directe waarneming van de mechanische reactie van de TM acute IOP hoogte. Voorafgaand aan het scannen, IOP wordt gemeten op baseline en tijdens de IOP hoogte. De limbus wordt gescand door spectrale domein optische coherentie tomografie op baseline en tijdens de IOP elevatie (ophthalmodynamometer (ODM) toegepast bij 30 g kracht). Scans worden verwerkt om visualisatie van de waterige humor uitstroom traject met behulp ImageJ verbeteren. Vasculaire monumenten worden gebruikt om overeenkomstige locaties in baseline en IOP hoogte scan volumes te identificeren. Schlemm kanaal (SC) dwarsdoorsnedeoppervlak (SC-CSA) en SC lengte van anterior naar posterior langs zijn lengteas worden handmatig gemeten op 10 locaties binnen 1 mm segment van SC. Mean binnen naar buiten wandafstand (korte lengte-as) wordt berekend als het oppervlak van SC gedeeld door delange lengte-as. Om de bijdrage van aangrenzende weefsels naar het effect IOP verhogingen onderzocht worden metingen herhaald zonder en met gladde spierrelaxatie met instillatie van tropicamide. TM migratie naar SC wordt tegengegaan door TM stijfheid, maar wordt versterkt door de ondersteuning van haar gehechtheid aan aangrenzende gladde spieren in het corpus ciliare. Deze techniek is de eerste die de levende humane TM reactie op drukverhoging in situ onder fysiologische omstandigheden in het menselijk oog te meten.

Inleiding

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Glaucoom is wereldwijd de tweede belangrijkste oorzaak van onomkeerbare blindheid 1. Verhoogde intraoculaire druk (IOP) een belangrijke causale risicofactor voor de aanwezigheid en progressie van glaucoom 2-7.   IOP wordt geregeld door het evenwicht tussen de vorming en de uitstroom van waterige humor 8. De locaties van de grootste uitstroomweerstand de juxtacanicular weefsel en de binnenwand van het kanaal van Schlemm (SC), het raakvlak tussen SC en het trabeculaire netwerk (TM) 9-11. Hoewel TM stijfheid kan bijdragen tot het voorkomen van SC ineenstorting tegenover IOP verhoging, Overby et al. 12 onlangs aangetoond dat genexpressie in glaucoom wordt veranderd, resulterend in verhoogde SC endotheliale verstijving, belemmeren de vorming van poriën, wat leidt tot verhoging van IOP 13 ogen met glaucoom. TM morfologie en stijfheid correleren met uitstroom faciliteit 14,15, met de nadruk thij nodig heeft om zijn biomechanische eigenschappen te meten.

Atomic force microscopie metingen van de TM vertonen verhoogde stijfheid in ogen geschonken door glaucoompatiënten (81 kPa) in vergelijking met de ogen van donoren zonder glaucoom (4,0 kPa) 16, maar deze metingen zijn uitgevoerd ontleed ex vivo weefsel. De achterste TM is verankerd in de ciliaire spier via anterior pezen van de longitudinale spiercellen die voegen in de buitenste gelamelleerde en cribiform TM 17. Spieractiviteit Ciliaire (CM) kan TM tautness verhogen, het nabootsen van een verhoogde stijfheid TM 17. Het vermogen om veranderingen waarnemen in resistentie tegen SC instorting veroorzaakt door verstoringen van glad spierweefsel is aangetoond in een diermodel 18. We hebben de mogelijkheid om niet-invasief imago van de primaire waterige humor uitstroom systeem in levende menselijke ogen distale tot en met SC gebruik spectrale domeinnaam optical coherence tomography (OCT) toonden 19-21. Met deze techniek, hebben we de mogelijkheid om de morfometrische reactie van de TM en SC acute IOP hoogte 22 kwantificeren aangetoond.

Het algemene doel van de hierin beschreven werkwijze is de reactie van de morfometrische levende uitstroomkanaal acute IOP verhoging in levend weefsel in situ gekwantificeerd. Deze techniek heeft het voordeel dat het onderzoek van de TM onder fysiologische condities, die bijdragen zowel contractiele vezels activiteit in de TM en CM te TM stijfheid omvat, vergeleken met gepubliceerde metingen in ontleed weefsel. De grondgedachte achter het toepassen van deze techniek aan de waarneming van de mechanische TM reactie is dat het ons anders niet beschikbaar inzicht in het mechanisch gedrag van de TM, waarvan we weten nu direct worden gekoppeld aan uitstroom weerstand en IOP regulering 13. Om de bijdrage van contractiele weefsel stijfheid, een coho onderscheidenrt van de proefpersonen werd onderzocht zonder en met onderdrukking van gladde spieractiviteit door toediening van tropicamide.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Ethiek Verklaring: goedkeuring werd verkregen van de Institutional Review Board van de Universiteit van Pittsburgh School of Medicine voor recruitment onderwerp begon. Alle proefpersonen mits schriftelijk toestemming voor deelname aan het onderzoek.

1. Data Acquisition

  1. Pressure Elevation
    1. Neem basismetingen (IOP en oktober metingen) van indruppelen één druppel van 0,5% proparacaine in het oog. Wacht 3 min voor werkzaamheid.
    2. Voorzichtig druk uitoefenen om de tijdelijke sclera met de ophthalmodynamometer, 30 g in cohort 1 en 5 en daarna 10 g in cohort 2. Vervolgens neemt u de gewenste (IOP en oktober) metingen als volgt
      1. IOP Metingen
        1. Meet de basislijn IOP. Elevate druk zoals beschreven in paragraaf 1.1.
        2. In cohort 1 één druppel van 0,5% proparacaine, laat 3 minuten op effectiviteit en toepassen 30 g druk op de sclera. Terwijl de druk wordt toegepast, meten IOP met behulp van de tonometer volgende manufainstructies cturer's.
        3. In cohort 2, één druppel van 0,5% proparacaine, laat 3 minuten op effectiviteit en 5 g sclerale druk uitoefenen met een ophthalmodynamometer. Meet IOP bij drukverhoging volgens de instructies van de tonometer volgende fabrikant.
          1. Wacht 5 minuten na de 5 g meting.
          2. Breng 10 g sclerale druk door ophthalmodynamometer en meet IOP bij drukverhoging met de tonometer volgens de instructies van de fabrikant. Noteer het IOP en conditie (dat wil zeggen, basislijn of 10 g) in de studie record.
      2. Oktober Scanning
        1. Seat het onderwerp in het oktober scanner. Voer patiënt demografische gegevens voor nieuwe onderwerpen, of herinneren demografische gegevens uit de oktober-database voor eerder gescande onderwerpen.
        2. Selecteer de voorste segment 512 x 128 scan protocol. Centreer het oog in het beeld videovenster. Verminder de afstand tussen de scanneren oog tot het beeld van het hoornvlies cross-sectionele verschijnt in het venster scan
        3. Met behulp van verbale commando's de positie van de temporale limbus naar het midden van het venster scan door het richten van de patiënt blik in de neus richting
        4. Verwerven van de basislijn scan, en bekijk de scan voor kwaliteit. IF acceptabel, sparen, en als niet aanvaardbaar, herhaalt u deze stap.
          1. Accepteer scans als er geen knipperen, en de hoek is het hele volume gevisualiseerd zonder drifting off van de rand van het beeld of flipping aan de top.
        5. Inboezemen een daling van 0,5% proparacaïne, laat 3 min voor de werkzaamheid, en herhaal de stappen 1.3.2 tot 1.3.5.
        6. Voor cohort 1 Breng 30 g sclerale druk door ophthalmodynamometer, en het verwerven van de scan, terwijl druk wordt toegepast. Verwijder de druk en bekijk de scan voor kwaliteit. IF acceptabel, sparen, en als niet aanvaardbaar, herhaalt u deze stap.
        7. Voor cohort 2, gelden 5 g sclerale druk door ophthalmodynamometer, en het verwerven van de scan terwijl de druk wordt toegepast. Verwijder de druk en bekijk de scan voor kwaliteit. IF acceptabel, sparen, en als niet aanvaardbaar, herhaalt u deze stap.
        8. Wacht 5 minuten zodat het oog te herstellen van de 5 g druk verstoring.
        9. Voor cohort 2 Breng 10 g sclerale druk door ophthalmodynamometer, en het verwerven van de scan, terwijl druk wordt toegepast. Verwijder de druk en bekijk de scan voor kwaliteit. IF acceptabel, sparen, en als niet aanvaardbaar, herhaalt u deze stap.
        10. Noteer de scantijd, conditie (dat wil zeggen, basislijn of 10 g) en de ligging in de studie record.

2. Data Processing

  1. Sluit een hoge capaciteit USB-opslagapparaat in de oktober Kies "Export" uit het Records menu op de LGO. Aanwijzen van een bestand locatie voor geëxporteerde bestanden op de USB-drive. De-selecteer de optie ".zip". Voer de naam van de patiënt voor scans worden geëxporteerd, en selecteer de scans worden uitgevoerd. Start de export.
  2. Wanneer de export is voltooid, ontkoppelt u de USB-drive en verwijderen uit de LGO. Steek de hoge capaciteit USB-station met de geëxporteerde foto's in de beeldverwerking werkstation.
  3. Start de beeldverwerking programma in dit geval ImageJ.
  4. Importeer de ruwe beeldgegevens; selecteer "File -> Import -> Raw" in het menu bestand. Selecteer het bestand met eindigt op "_cube_raw.img" van het USB-station te verwerken.
  5. Sla het geïmporteerde bestand met een nieuwe naam, zodat de oorspronkelijke beeldgegevens onveranderd wordt opgeslagen (http://www.ori.dhhs.gov/education/products/RIandImages).
  6. Voer de parameters import als volgt, het type Image: 8 bit, Breedte: 512, hoogte: 1.024, Offset: 0; Aantal afbeeldingen: 128.
  7. Selecteer "Plugins -> R EGISTRATIE -> StackReg" uit het menu plugins. En selecteer vervolgens de "Rigid Body"Optie. Selecteer vervolgens "File -> Opslaan als -> TIFF" om de uitgelijnde stack op te slaan.
  8. Selecteer "Process -> Filters -> Mean 3D" van het proces-menu. Voer de parameters X = 1, Y = 1, en Z = 1 als de filteropties. Herhaal deze stap twee keer.
  9. Kies "File -> Opslaan als -> TIFF" om de gemiddelde stack op te slaan. Draai het muiswiel om te verhuizen naar frame 1 van de actieve stack.
  10. Selecteer "Process -> Enhance Local Contrast (CLAHE)" van de Processing menu. Gebruik de parameters block size: 31, histogram bakken: 256, Maximum Helling: 5, Mask: geen, en controleer of de "snelle" optie. Gebruik de pijl-rechts om naar het volgende frame.
  11. Ga naar frame 2 van de actieve stack en herhaal de Proces-> Enhance Local Contrast (CLAHE). Herhaal dit totdat alle frames contrast versterkt hebben gehad.
  12. Kies "File -> Opslaan als -> TIFF"; aan het contrast-versterkte stack redden. Selecteer vervolgens "Afbeelding -> Aanpassen -> Size" in het menu Afbeelding. Schakel de optie "Beperk Aspect Ratio", voer Breedte: 2.048 en hoogte: 1.024 waarden.
  13. Selecteer "Afbeelding -> Transform -> Flip verticaal" in het menu Afbeelding. Selecteer vervolgens "Analyseren -> Set Scale" uit het menu Analyseren. Voer Afstand in pixels: 2048, bekende afstand: 4000, en Pixel Aspect Ratio: 1, en klik op OK. Kies "File -> Opslaan als -> TIFF" om de gekalibreerde opslaan 1: 1 aspect ratio stack.
  14. Langzaam draai aan het muiswiel om visueel onderzoeken van de scans om een ​​onderscheidend schip kruising om te dienen als een referentiepunt binnen scans te identificeren. Noteer het nummer en referentie-framenummer in de analyse spreadsheet.
  15. Druk op de linker pijltjestoets 15 keer om naar de eerste meting frame. Selecteer de "Freehand SelectionsR21; tool van de toolbar.
  16. Plaats de muis in het centrum van SC en druk op de pijl omhoog. Herhaal deze stap totdat SC vult het scherm.
  17. Handmatig segment SC door omcirkelen de grens met de muis. Houd de Control (Ctrl) toets ingedrukt en druk op D voor het huidige beeldframe. Houd de Ctrl-toets ingedrukt en druk op M. Transcribeer de meting van SC doorsnede en meting framenummer aan de analyse spreadsheet. De-selecteer de geschetste omgeving. Druk op de pijl naar rechts toets 3 keer. Herhaal deze stap tot SC is gemeten in 10 frames.
  18. Druk op de linker pijl 30 om terug te keren naar de eerste meting frame.
  19. Selecteer het rechte segment gereedschap uit de werkbalk.
  20. Trek een rechte lijn van de voorste meest naar posterior-de meeste locaties op SC. Houd de Control-toets en druk op D voor alleen het huidige frame. Houd de Control-toets en druk op M. Transcribe SC lengte en het framenummer aan de analyse spreadsheet. De-selecteer de geschetste omgeving. Druk op de pijl-rechts3 keer. Herhaal deze stap tot SC lengte werd gemeten op dezelfde 10 frames als SC dwarsdoorsnede.
  21. Steek de vergelijking SC-IOWD = SC-CSA / axiale lengte in de analyse spreadsheet gemiddelde SC binnenstedelijke wand tot gevelsysteem afstand (SC-IOWD) te berekenen door het verdelen van het gebied metingen door de lengte metingen.
  22. Druk op de linker pijl 30 om terug te keren naar de eerste meting frame.
  23. Selecteer het rechte segment gereedschap uit de werkbalk.
  24. Trek een rechte lijn van de voorste meest op SC naar de grens van het trabeculaire netwerk en de voorste oogkamer. Zorg ervoor dat de lijn loodrecht op de grens. Houd Ctrl ingedrukt en druk op D, vervolgens M.
  25. Trek een lijn van het achterste meest locatie van SC en de grens van de TM en de voorste kamer. Zorg ervoor dat de lijn loodrecht op de grens. Houd Controle en druk op D, vervolgens M.
  26. Trek een lijn van het centrum van SC en de grens van de TM en de voorste kamer. Zorg ervoor dat de line loodrecht op de rand. Houd de Control-toets en druk op D voor alleen het huidige frame.
  27. Transcriberen de drie TM dikte metingen en framenummer aan de analyse spreadsheet. Om dit te doen drukt u op de pijl naar rechts toets 3 keer. Herhaal deze stap totdat TM dikte werd gemeten onder dezelfde 10 frames als SC dwarsdoorsnede.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Resultaten

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Met deze data acquisitie en beeldanalyse technieken worden de effecten van kleine en grote veranderingen in IOP op uitstroomkanaal morfologische parameters zoals SC dwarsdoorsnede verkregen (Figuur 1). We kunnen zien dat hoge niveaus van IOP toename produceren een waarneembare ineenstorting van SC, vertegenwoordigd door een sterke daling van de dwarsdoorsnede. Het oog lijkt te kunnen kleine stijgingen in IOP accommoderen, zoals blijkt uit het ontbreken van verandering in SC-CSA (figuur 1).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Discussie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Deze techniek maakt gebruik van niet-invasieve observatie van de mechanische respons van zacht weefsel SC instorten kwantificeren. Toekomstige werkzaamheden met behulp van menselijke kadaver ogen nodig is om weefsel doorbuigingen kalibreren werkelijke weefsel stijfheid na dissectie. Maar, deze studies dezelfde beperkingen van eerdere uitstroom modellen lijden; bepaald dat de bijdragen van levend spier weefsel spanning niet aanwezig zal zijn. Verdere kalibratie in een levend zoogdier oogmodel kan kalibratie van beeldvorm...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Openbaarmakingen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Dr. Schuman ontvangen royalty's voor intellectueel eigendom licentie van het Massachusetts Institute of Technology en het Massachusetts Eye en Ear Infirmary naar Zeiss, Inc.

Dankbetuigingen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Gedeeltelijk ondersteund door National Institute of Health-contracten R01-EY13178 en P30-EY08098 (Bethesda, MD), de Eye and Ear Foundation (Pittsburgh, PA) en onbeperkte subsidies van Research to Prevent Blindness (New York, NY).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
Spectral Domain OCTZeissCirrus
Imaging WorkstationAppleiMac
OphthalmodynamometerBaillairt Matalene Ophthalmodynamometer, Surgical instruments CO., Inc. New York, NY
Image Processing Programrsb.info.nih.gov/ijImageJ, FIJI

Referenties

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  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).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Herprints en machtigingen

Toestemming aanvragen om de tekst of afbeeldingen van dit JoVE-artikel te hergebruiken

Toestemming aanvragen

Trefwoorden

Intraoculaire drukOptische CoherentietomografieSchlemm kanaalAfvoerrouteOphthalmodynamometerImageJ analyseOntspanning van gladde spierenMorfometrische responsKamervloeistof

Gerelateerde artikelen