Strukturalne oceny in vivo chorób oczu w modelach gryzoni przy użyciu optycznej koherentnej tomografii
24 lipca 2020
Tutaj opisujemy użycie optycznej koherentnej tomografii spektralnej (SD-OCT) do wizualizacji struktur siatkówki i oka in vivo w modelach zwyrodnienia siatkówki, jaskry, retinopatii cukrzycowej i krótkowzroczności.
Optyczna koherentna tomografia w domenie spektralnej jest cennym narzędziem do obrazowania struktur oka in vivo oraz do śledzenia zmian wymiarów oka w czasie w różnych modelach chorób oczu. Używamy SDOCT do pomiaru grubości siatkówki w modelach zwyrodnienia siatkówki w retinopatii cukrzycowej, grubości siatkówki i bańek w modelu jaskry oraz długości osiowej w modelu krótkowzroczności. Technika SDOCT jest prosta, ale praktyka ma kluczowe znaczenie dla uzyskania dobrych obrazów.
Eksperymentowanie z różnymi protokołami jest ważne dla określenia, który protokół najlepiej odpowiada każdej potrzebie badawczej. Procedurę zademonstruje Andrew Feola, główny badacz z Centrum Rehabilitacji Wizualnej i Neurokognitywnej. Zacznij od otwarcia oprogramowania optycznej tomografii koherentnej w domenie spektralnej i wprowadzenia informacji o badaniu akwizycyjnym i ramieniu leczenia.
Na karcie Patient Exam (Egzamin pacjenta) kliknij opcję Test examiner (egzaminator testowy) i wybierz nazwę egzaminatora. Kliknij opcję Nazwa badania, aby zdefiniować badanie i otworzyć kartę Badanie, aby dodać nowe badanie lub zmodyfikować leczenie w istniejącym badaniu. Kliknij po prawej stronie opcji Select Treatment Arm (Wybierz ramię leczenia), aby wybrać ramię leczenia.
Aby dodać nowy punkt czasowy dla całej grupy, kliknij przycisk Dodaj pacjenta. W oknie należy wpisać numer identyfikacyjny, imię i nazwisko. Wybierz płeć pacjenta i datę urodzenia.
Aby dodać poszczególne szczury, kliknij przycisk Dodaj egzamin. Aby zidentyfikować szczury, kliknij na egzamin i kliknij Edytuj egzamin. Wprowadź numer identyfikacyjny w polu Wprowadź notatki i kliknij przycisk Zapisz zmiany.
Następnie przymocuj odpowiedni obiektyw do urządzenia. Wybierz odpowiednią konfigurację w oprogramowaniu i wybierz odpowiednią pozycję ramienia referencyjnego. Na karcie Badanie pacjenta kliknij dwukrotnie podświetlony egzamin, aby przejść do zakładki Obrazowanie i rozpocząć obrazowanie.
Aby załadować wstępnie ustawiony protokół skanowania, kliknij przycisk Wybierz protokół z listy. W przypadku szczurzych modeli jaskry i retinopatii cukrzycowej wybierz ustawienie wstępne, które składa się z dwóch OD i dwóch OS, odpowiednio dla skanów prawego i lewego oka. Po umieszczeniu znieczulonego szczura w systemie wyrównywania gryzoni, nałóż lubrykant na oczy zwierzęcia.
Tuż przed obrazowaniem użyj delikatnej chusteczki do zadań, aby usunąć nadmiar soli fizjologicznej i użyj dwóch ruchów obrotowych systemu wyrównywania gryzoni, aby ustawić szczura tak, aby wzrok był poziomy i patrzył w dół osi soczewki optycznej tomografii koherentnej. Użyj trybu swobodnego biegu, aby zorientować siatkówkę w celu zbierania danych. Następnie użyj trybu Aim do ciągłego wyświetlania zarówno poziomych, jak i pionowych skanów B w czasie rzeczywistym.
Przesuń głowicę skanującą bliżej oka, aż siatkówka będzie widoczna, i użyj systemu wyrównania gryzoni, aby dostosować pozycję zwierzęcia, aż głowa nerwu wzrokowego będzie widoczna pośrodku. Ustaw skanowanie poziome w poziomie, a skanowanie w pionie w pionie. Dostosuj odległość roboczą tak, aby obraz siatkówki był płaski, a nie zakrzywiony, a następnie wyreguluj pozycję ramienia referencyjnego, aby obraz znajdował się w pobliżu górnej części okna wyświetlacza.
W przypadku obrazowania siatkówki jaskry, zwyrodnienia siatkówki i retinopatii cukrzycowej zdefiniuj skan objętościowy o wymiarach trzy na trzy milimetry, który składa się z 1 000 skanów A przez 100 skanów B przez 1 powtórzony skan B w celu uśrednienia. Wyśrodkuj nerw wzrokowy w osi poziomej i pionowej tak, aby skan objętościowy znajdował się w środku prosto wzdłuż osi nosowej, skroniowej i górnej, dolnej. Kliknij przycisk Migawka, aby zrobić zdjęcie, a następnie kliknij przycisk Zapisz, aby zapisać obraz.
Uzyskaj skan promieniowy wyśrodkowany na głowie nerwu wzrokowego, czyli 1 000 skanów A przez 4 skany B przez 20 powtarzających się skanów B. Wielokrotne skany B można wykorzystać do zwiększenia klarowności obrazu oka lub siatkówki, aby ułatwić interpretację obszarów oka lub warstw siatkówki podczas analizy danych. Następnie zapisz obraz i powtórz skanowanie w poszukiwaniu przeciwległego oka.
Aby przetworzyć obrazy, otwórz odpowiedni program do modelowania matematycznego. Aby przetworzyć siatkówkę, wybierz skany optycznej tomografii koherentnej do załadowania i kliknij, aby zdefiniować środek głowy nerwu wzrokowego. Program wygeneruje pionowe linie, które określają odległości po obu stronach głowy nerwu wzrokowego.
W siatkówce szczura linie te znajdują się w odległości 0,5 i 1,2 milimetra od środka głowy nerwu wzrokowego, w sumie cztery pionowe linie reprezentujące nosową, skroniową i dolną, górną oś oka, w zależności od obecnie analizowanego promieniowego skanu B. Wzdłuż każdej linii nakreśl warstwę włókien nerwowych siatkówki, wewnętrzną warstwę splotowatą, wewnętrzną warstwę jądrową, zewnętrzną warstwę splotowatą, zewnętrzną warstwę jądrową, zewnętrzną błonę ograniczającą, wewnętrzne i zewnętrzne segmenty, nabłonek barwnikowy siatkówki i całkowitą grubość siatkówki. Po wyznaczeniu wszystkich warstw wyeksportuj pomiary do arkusza kalkulacyjnego w celu analizy danych.
Reprezentatywne obrazy optycznej koherentnej tomografii koherentnej w domenie spektralnej ujawniają cieńszą zewnętrzną warstwę jądrową, która zawiera ciała komórek fotoreceptorów w siatkówkach z wywołanego światłem zwyrodnienia siatkówki myszy BALB/c w porównaniu z nieuszkodzonymi myszami kontrolnymi. Po ilościowym określeniu grubości warstwy siatkówki obserwuje się znaczącą różnicę między nieuszkodzonymi i wywołanymi światłem zwyrodnieniami siatkówki w odniesieniu do całkowitej grubości siatkówki, grubości zewnętrznej warstwy jądrowej oraz grubości segmentu wewnętrznego i zewnętrznego. W modelu nadciśnienia ocznego obserwuje się wyraźną przebudowę głowy nerwu wzrokowego, w tym bańki nerwu wzrokowego po ośmiu tygodniach.
Kwantyfikacja grubości warstwy włókien nerwowych siatkówki po ośmiu tygodniach nadciśnienia ocznego ujawnia znaczne ścieńczenie w porównaniu z pomiarami wyjściowymi. Obrazowanie siatkówki z modelu szczura z cukrzycą i zwierząt kontrolnych Wistar ujawnia, że w wieku sześciu tygodni warstwa włókien nerwowych siatkówki i całkowita grubość siatkówki są zmniejszone u szczurów z cukrzycą w porównaniu ze szczurami Wistar w siatkówce obwodowej, przy czym największe różnice obserwuje się w dolnych i skroniowych kwadrantach siatkówki. Osiowa długość oka w mysim modelu krótkowzroczności jest widocznie dłuższa niż obserwowana w oczach typu dzikiego w wieku 84 dni.
Te dane dotyczące krótkowzroczności oka pochodzą od myszy pozbawionej genu zegara, co sugeruje, że geny zegara przyczyniają się do rozwoju krótkowzroczności. Pomiar struktur oka za pomocą SDOCT może być stosowany w połączeniu z innymi testami, takimi jak elektroretinogram i odpowiedź optomotoryczna, w celu wykrycia subtelnych zmian w czasie w wielu modelach chorób oczu.
Wyświetl pełny transkrypt i uzyskaj dostęp do tysięcy filmów naukowych
Przegląd
Niniejszy artykuł omawia zastosowanie optycznej koherentnej tomografii w domenie widma (SD-OCT) do obrazowania struktur siatkówki i oka in vivo. Podkreślono użyteczność tej techniki w różnych modelach chorób oczu, w tym w przypadku degeneracji siatkówki oraz jaskry.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Oftalmologia
- Neuronauka
- Techniki obrazowania
Wstęp
- SD-OCT jest nieinwazyjną metodą obrazowania.
- Umożliwia ona wizualizację struktur oka w czasie rzeczywistym.
- Technika ta ma kluczowe znaczenie dla monitorowania chorób oczu.
- W zależności od zastosowań badawczych mogą być wymagane różne protokoły.
Cel badania
- W celu zademonstrowania zastosowania SD-OCT w modelach chorób oczu.
- W celu pomiaru grubości siatkówki w retiopatii cukrzycowej.
- W celu oceny zmian w modelach jaskry i krótkowzroczności.
Zastosowane metody
- Wykorzystanie optycznej koherentnej tomografii w dziedzinie widma.
- Pomiar grubości siatkówki oraz wypukłości tarczy nerwu wzrokowego.
- Monitorowanie długości osiowej oka w modelach krótkowzroczności.
- Wdrożenie różnych protokołów obrazowania.
Główne wyniki
- Skuteczne obrazowanie struktur siatkówki in vivo.
- Efektywne śledzenie zmian w oku w czasie.
- Wykazano znaczenie optymalizacji protokołu.
- Uzyskano wgląd w postęgowanie chorób oczu.
Wnioski
- SD-OCT jest wartościowym narzędziem w badaniach okulistycznych.
- Umożliwia ono lepsze zrozumienie chorób siatkówki.
- Dalsze badania mogą dopracować techniki obrazowania.
Najczęściej zadawane pytania
Znaczenie dla przemysłu
Strukturalna ocena chorób oczu in vivo z wykorzystaniem optycznej koherentnej tomografii w domenie widmowej (SD-OCT) umożliwia ilościowe śledzenie zmian w siatkówce i nerwie wzrokowym w czasie w modelach gryzoni. To nieinwazyjne podejście obrazowe wspomaga ograniczanie ryzyka mechanistycznego poprzez dostarczanie podłużnych pomiarów grubości poszczególnych warstw, które korelują z progresją choroby. Metoda ta zwiększa pewność prognostyczną w walidacji celów terapeutycznych oraz w wyborze modeli przedklinicznych dla leków okulistycznych.
Strategiczne zastosowania w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym
Wczesne odkrywanie i walidacja celu
- Wartość naukowa: Umożliwia weryfikację hipotez terapeutycznych poprzez ilościowe określanie stopnia cieńczenia warstw siatkówki w modelach degeneracyjnych.
- Wartość operacyjna: Dostarcza powtarzalnych, podłużnych danych do walidacji funkcjonalnych celów w modelach jaskry i retinopatii cukrzycowej.
- Wartość prognostyczna: Wspiera selekcję projektów w portfolio dzięki obiektywnemu pomiarowi parametrów strukturalnych, takich jak cieńczenie zewnętrznej warstwy jądrowej i wgłębienie tarczy nerwu wzrokowego.
Przesiew i opracowywanie testów
- Wartość naukowa: Dostarcza zestandaryzowane obrazy warstw siatkówki o wysokiej rozdzielczości, umożliwiając przygotowanie do analizy w modelach chorób.
- Wartość operacyjna: Ułatwia optymalizację protokołu i porównawczą analizę obu oczu poprzez skany radialne i wolumetryczne wycentrowane na głowie nerwu wzrokowego.
- Skalowalność: Umożliwia szybkie skanowanie przeciwległych oczu oraz wielokrotne pomiary w różnych punktach czasowych przy zachowaniu spójnych parametrów akwizycji.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Ciągłość translacyjna: Łączy fazę odkryć z walidacją przedkliniczną poprzez monitorowanie istotnych dla przebiegu choroby zmian strukturalnych w modelach gryzoni z cukrzycą oraz krótkowzrocznością.
- Minimalizacja ryzyka mechanistycznego: Ilościowo określa redukcję warstwy włókien nerwowych siatkówki oraz całkowitej grubości siatkówki, aby wspierać decyzje o dalszym rozwoju projektu w oparciu o analizę ryzyka.
- Pewność prognostyczna: Koreluje wyniki strukturalne z badaniami funkcjonalnymi, takimi jak elektroretinogram, w celu wieloparametrycznego modelowania choroby.
Integracja potoku i przepływu pracy
SD-OCT integruje się z kontinuum procesu odkrywania leków – od wczesnej walidacji celu, przez identyfikację związku wiodącego, aż po przedkliniczne badania skuteczności – zapewniając mierzalne i powtarzalne fenotypowanie oka.
- Biologia odkrywcza: Wspiera testowanie hipotez i wyjaśnianie szlaków sygnałowych poprzez pomiary grubości poszczególnych warstw w modelach chorób.
- Przesiewanie: Umożliwia standaryzację i powtarzalność testów dzięki zdefiniowanym protokołom skanowania i zautomatyzowanym pomiarom grubości.
- Analityka: Generuje ilościowe odczyty (np. grubość warstwy włókien nerwowych siatkówki, warstwy jądrowej zewnętrznej) do statystycznego porównania między grupami.
- Badania translacyjne: Łączy zmiany strukturalne z wynikami funkcjonalnymi, wspierając dopasowanie biomarkerów w badaniach przedklinicznych.
- Ponowne wykorzystanie w przedsiębiorstwie: Służy jako wielokrotnego użytku platforma obrazowania w wielu modelach chorób oczu przy minimalnej adaptacji protokołu.
Wpływ operacyjny i przedsiębiorczy
- Wartość naukowa: Pewność prognostyczna, walidacja celu, redukcja niejednoznaczności mechanistycznej w modelach chorób oczu.
- Wartość operacyjna: Standaryzacja, powtarzalność i skalowalność obrazowania oczu in vivo w różnych laboratoriach.
- Wartość strategiczna: Lepsze decyzje typu go/no-go, efektywność kapitałowa i zmniejszone biologiczne ryzyko na późnych etapach programów okulistycznych.
- Wpływ na portfolio: Priorytetyzacja dostosowana do ryzyka oraz decyzje o dalszym rozwoju w oparciu o podłużne punkty końcowe strukturalne.
Uwagi dotyczące wdrożenia
- Wymagana jest wiedza z zakresu anatomii oka, obsługi oprogramowania do obrazowania oraz pracy z gryzoniami w celu zapewnienia spójności akwizycji obrazów.
- Instrumentacja obejmuje system OCT w domenie widmowej, aparat do pozycjonowania gryzoni oraz odpowiednie soczewki okularystyczne.
- Standaryzacja międzyzespołowa wymaga harmonizacji protokołów w zakresie parametrów skanowania, przetwarzania obrazów i wyznaczania warstw.
- Rozważania dotyczące adaptacji obejmują korekty specyficzne dla modelu w zależności od długości osiowej w krótkowzroczności w porównaniu z grubością siatkówki w modelach degeneracyjnych.
- Ograniczenia praktyczne obejmują konieczność zastosowania znieczulenia, potencjalne artefakty ruchowe oraz proces nauki niezbędny do uzyskania optymalnej jakości obrazu.
