Waiting
Login processing...

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

Medicine

Trabekelværket Reaktion på tryk Elevation i Living menneskelige øje

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

Trabekelværket (TM) migration til Schlemm s kanal rum kan være fremkaldt af akut pres elevation ved ophthalmodynamometer og observeret af spektral domæne optisk kohærens tomografi. Målet med denne fremgangsmåde er at kvantificere morfometriske respons af den levende udstrømning tarmkanalen til akut pres elevation i levende væv in situ.

Abstract

De mekaniske karakteristika af trabekelværket (TM) er knyttet til udstrømning modstand og intraokulært tryk (IOP) regulering. Rationalet bag denne teknik er den direkte observation af den mekaniske reaktion af TM til akut IOP elevation. Før scanning, er IOP målt ved baseline og under IOP elevation. Limbus scannes ved spektral-domæne optisk kohærens tomografi ved baseline og under IOP elevation (ophthalmodynamometer (ODM) anvendt ved 30 g kraft). Scanninger behandles kan forbedre visualiseringen af ​​den vandige humor udstrømningsvej hjælp ImageJ. Vaskulære vartegn bruges til at identificere tilsvarende steder i baseline og IOP elevation scan mængder. Schlemm-kanalen (SC) tværsnitsareal (SC-CSA) og SC længde fra anterior til posterior langs dens lange akse måles manuelt ved 10 steder inden for en 1 mm segment af SC. Mean indre til ydre væg afstand (kort akse længde) beregnes som arealet af SC divideret med denslange akse længde. For at undersøge bidrag tilstødende væv, således IOP stigninger, er målingerne gentages uden og med glat muskulatur afslapning med instillation af tropicamid. TM migration til SC er modstand fra TM stivhed, men forstærkes af støtte fra sin tilknytning til tilstødende glatte muskulatur i corpus ciliare. Denne teknik er den første til at måle levende menneske TM reaktion på tryk elevation in situ under fysiologiske betingelser inden det menneskelige øje.

Introduction

Glaukom er verdens næststørste årsag til irreversibel blindhed 1. Forhøjet intraokulært tryk (IOP) er en væsentlig kausal risikofaktor for tilstedeværelsen og progression af glaukom 2-7.   IOP er reguleret af balance mellem dannelse og afgang af kammervæske 8. Placeringerne af størst udstrømning modstand er de juxtacanicular væv og indervæggen af Schlemm-kanalen (SC), grænsefladen mellem SC og trabekelværket (TM) 9-11. Mens TM stivhed kan bidrage til forebyggelse af SC sammenbrud i lyset af IOP elevation, Overby et al. 12 for nylig vist, at genekspression i glaukom ændres, hvilket resulterer i øget SC endotel afstivende, hæmmer dannelse af porer, hvilket fører til IOP forhøjelse i glaucomatøse øjne 13. TM morfologi og stivhed korrelerer med udstrømning facilitet 14,15, understreger tHan har brug for at måle dens biomekaniske egenskaber.

Atomic force mikroskopi målinger af TM viser forhøjet stivhed i øjnene doneret af glaukompatienter (81 kPa) sammenlignet med øjne fra donorer uden glaukom (4,0 kPa) 16, men disse målinger blev foretaget i dissekerede ex vivo væv. Den bageste TM er forankret i ciliærmusklen via forreste sener i langsgående muskelceller som indsætte i den ydre bladformede og cribiform TM 17. Ciliærmusklen (CM) aktivitet kan øge TM tautness, efterligner forhøjet TM stivhed 17. Evnen til at iagttage ændringer i modstanden mod SC kollaps induceret af forstyrrelser af glat muskulatur er blevet vist i en dyremodel 18. Vi har demonstreret evne til ikke-invasivt billede den primære vandige humor udstrømning systemet i levende menneskelige øjne distalt til og med SC hjælp spektrale domæne optisk kohærens tomografi (OCT) <sup> 19-21. Under anvendelse af denne teknik har vi demonstreret evne til at kvantificere morfometriske reaktion af TM og SC til akut IOP elevation 22.

Det overordnede mål med den her beskrevne metode var at kvantificere morfometriske respons den levende udstrømning tarmkanalen til akut IOP elevation i levende væv in situ. Denne teknik har den fordel, at undersøge TM under fysiologiske betingelser, som omfatter bidrag fra både kontraktile fibre aktivitet inden for TM og CM til TM stivhed sammenlignet med offentliggjorte målinger i dissekerede væv. Rationalet bag at anvende denne teknik til observation af den mekaniske TM svaret er, at det giver os ellers utilgængelige indsigt i den mekaniske opførsel af TM, som vi nu ved at være knyttet direkte til udstrømning modstand og IOP regel 13. At skelne bidrag kontraktile væv til den samlede stivhed, en lille cohort af forsøgspersoner blev undersøgt uden og med undertrykkelse af glatmuskel-aktivitet ved administration af tropicamid.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Etik Statement: Godkendelse blev opnået fra Institutional Review Board fra University of Pittsburgh School of Medicine, før emnet rekruttering begyndte. Alle emner leveres skriftligt informeret samtykke før deltagelse i undersøgelsen.

1. Data Acquisition

  1. Pres Elevation
    1. Tag baseline målinger (IOP og oktober målinger) ved at indgyde en dråbe 0,5% proparacain i øjet. Vent 3 minutter for effekt.
    2. Gælder forsigtigt pres på den tidsmæssige sclera med ophthalmodynamometer, 30 g i kohorte 1 og 5 og derefter 10 g i kohorte 2. Så kan de ønskede (IOP og OLT) målinger på følgende måde
      1. IOP Målinger
        1. Mål baseline IOP. Ophøje trykket som beskrevet i afsnit 1.1.
        2. I kohorte 1 indgyde en dråbe 0,5% proparacain, tillad 3 min for effektivitet, og anvende 30 g tryk til sclera. Mens trykket bliver anvendt, måle IOP bruge tonometer efter manufacturer instruktioner.
        3. I kohorte 2, indpode en dråbe 0,5% proparacain, tillad 3 min for effektivitet, og anvende 5 g scleral tryk ved anvendelse af en ophthalmodynamometer. Måle IOP under tryk elevation hjælp af tonometer efter producentens anvisninger.
          1. Vent 5 min efter 5 g måling.
          2. Påfør 10 g scleral tryk ved ophthalmodynamometer, og måle IOP under tryk elevation hjælp af tonometer efter producentens anvisninger. Notér IOP og tilstand (dvs. baseline eller 10 g) i undersøgelsen rekord.
      2. Oktober Scanning
        1. Seat emnet ved OLT-scanneren. Indtast patientdata demografiske data for nye emner, eller hent demografiske data fra OLT database for tidligere scannede emner.
        2. Vælg den forreste segment 512 x 128 scan protokol. Centrere øjet i videobilledet vinduet. Reducer afstanden mellem scannerenog øjne, indtil hornhinden tværsnit billede vises i scanningen vindue
        3. Ved hjælp af verbale kommandoer placere tidsmæssige limbus til midten af ​​scanningen vindue ved at lede patientens blik i den nasale retning
        4. Erhverve baseline scanning, og se scanningen for kvalitet. HVIS acceptabel, gemme og hvis ikke acceptabelt, skal du gentage dette trin.
          1. Accepter scanninger hvis der ikke blinker, og vinklen visualiseres hele volumen uden at glide ud af kanten af ​​billedet eller spejlvende på toppen.
        5. Indgyde en dråbe 0,5% proparacain, tillad 3 min for effektivitet, og gentage trin 1.3.2 gennem 1.3.5.
        6. For kohorte 1, gælder 30 g sclerale pres fra ophthalmodynamometer, og erhverve scanningen, mens trykket bliver anvendt. Fjern trykket og se scanningen for kvalitet. HVIS acceptabel, gemme og hvis ikke acceptabelt, skal du gentage dette trin.
        7. For kohorte 2, gælder 5 g sclerale pres fra ophthalmodynamometer, og erhverve scanningen mens tryk tilføres. Fjern trykket og se scanningen for kvalitet. HVIS acceptabel, gemme og hvis ikke acceptabelt, skal du gentage dette trin.
        8. Vent 5 min tillader øjet at tilbagesøge den 5 g trykket forstyrrelse.
        9. For kohorte 2, gælder 10 g sclerale pres fra ophthalmodynamometer, og erhverve scanningen, mens trykket bliver anvendt. Fjern trykket og se scanningen for kvalitet. HVIS acceptabel, gemme og hvis ikke acceptabelt, skal du gentage dette trin.
        10. Registrere scanningstid, tilstand (dvs. baseline eller 10 g) og placering i undersøgelsen record.

2. Databehandling

  1. Sæt en høj kapacitet USB-lagerenhed i OLT. Vælg "Eksporter" fra Records menuen på OLT. Udpeg en fil placering til eksporterede filer på USB-drevet. De-vælge ".zip" valgmulighed. Indtast patientens navn for scans, der skal eksporteres, og vælg de scanninger, der skal eksporteres. Indled eksporten.
  2. Når eksporten er færdig, skal du afbryde USB-drevet og fjerne fra OLT. Sæt høj kapacitet USB-drev, der indeholder de eksporterede billeder ind i billedbehandling arbejdsstation.
  3. Start billedbehandling program i dette tilfælde ImageJ.
  4. Importer rå billeddata; Vælg "File -> Import -> Raw" i menuen Filer. Vælg filen med ender på "_cube_raw.img" der skal behandles fra USB-drev.
  5. Gem den importerede fil ved hjælp af et nyt navn, så det oprindelige billede gemmes uændret (http://www.ori.dhhs.gov/education/products/RIandImages).
  6. Indtast import- parametre som følger, Image seværdighed: 8 bit, Bredde: 512, Højde: 1.024, Offset: 0; Antal billeder: 128.
  7. Vælg "Plugins -> R edlemskab -> StackReg" fra plugins menuen. Og vælg derefter "Rigid Krop"Valgmulighed. Vælg derefter "File -> Gem som -> TIFF" for at gemme den på linie stak.
  8. Vælg "Process -> Filtre -> Mean 3D" fra processen menuen. Indtast parametre X = 1, Y = 1, og Z = 1 som filtreringsmuligheder. Gentag dette trin to gange.
  9. Vælg "Filer -> Gem som -> TIFF" for at gemme den gennemsnitlige stack. Drej musehjulet til at flytte til frame 1 af den aktive stak.
  10. Vælg "Proces -> Forbedre Local Contrast (CLAHE)" fra Processing menuen. Brug parametre blokstørrelse: 31, histogram siloer: 256, Maximum Slope: 5, Mask: ingen, og kontroller "hurtig" valgmulighed. Brug højre piletast for at gå videre til næste billede.
  11. Flyt til frame 2 af den aktive stakken og gentag Proces-> Forbedre Local Contrast (CLAHE). Gentag indtil alle rammer har haft kontrast forbedret.
  12. Vælg "File -> Gem som -> TIFF"; at gemme kontrast-forstærket stak. Vælg derefter "Image -> Tilpas -> Size" fra Billed-menuen. Fravælg "Begræns Aspect Ratio" valgmulighed, og indtast derefter Bredde: 2.048 og højde: 1.024 værdier.
  13. Vælg "Billede -> Transformer -> Flip lodret" fra Billed-menuen. Vælg derefter "Analyze -> Set Scale" fra menuen Analyser. Indtast Afstand i pixels: 2.048, kendt afstand: 4000, og Pixelstørrelsesforhold: 1, og klik på OK. Vælg "Filer -> Gem som -> TIFF" for at gemme den kalibrerede 1: 1 billedformat stakken.
  14. Langsomt dreje musehjulet visuelt undersøger scanninger for at identificere en karakteristisk fartøj passage til at tjene som et referencepunkt i scanninger. Optage billedet og henvisning rammenummer i analysen regneark.
  15. Tryk på venstre pil nøgle 15 gange for at gå til den første måling ramme. Vælg "Freehand SelectionsR21; værktøj fra værktøjslinjen.
  16. Placer musen i midten af ​​SC, og tryk på pil op. Gentag dette trin, indtil SC fylder skærmen.
  17. Manuelt segment SC ved cirkelbevægelser grænsen med musen. Hold kontrol (Ctrl) nede, og tryk på D for det aktuelle billede ramme. Hold Ctrl-tasten, og tryk på M. Transskribere måling af SC tværsnitsareal og måling stelnummer til analysen regneark. De-vælge det skitserede område. Tryk på den højre piletast 3 gange. Gentag dette trin, indtil SC er målt i 10 frames.
  18. Tryk på venstre pil nøgle 30 gange for at vende tilbage til den første måling ramme.
  19. Vælg den lige segment værktøj fra værktøjslinjen.
  20. Tegn en lige linje fra de forreste-mest til posterior-fleste steder på SC. Hold Ctrl-tasten nede og trykke på D for kun den aktuelle ramme. Hold Ctrl-tasten nede og trykke på M. Transcribe SC længde og ramme nummer til analysen regneark. De-vælge det skitserede område. Tryk på den højre piletast3 gange. Gentag dette trin, indtil SC længde er målt i de samme 10 frames som SC tværsnitsareal.
  21. Sæt ligningen SC-IOWD = SC-CSA / aksiale længde i analysen regneark til at beregne gennemsnitlige SC indre væg til ydre væg afstand (SC-IOWD) ved at dividere området målinger af målingerne længde.
  22. Tryk på venstre pil nøgle 30 gange for at vende tilbage til den første måling ramme.
  23. Vælg den lige segment værktøj fra værktøjslinjen.
  24. Tegn en lige linje fra anterior-mest på SC til grænsen af ​​trabekelværket og forkammeret. Sørg for, at linjen er vinkelret på grænsen. Hold Ctrl og tryk på D, så M.
  25. Tegn en linje fra den bageste-mest placering af SC og grænsen af ​​TM og forkammeret. Sørg for, at den linje vinkelret på grænsen. Hold Kontrol og tryk D, så M.
  26. Tegn en linje fra midten af ​​SC og grænsen af ​​TM og forkammeret. Sørg for, at line vinkelret på grænsen. Hold Ctrl-tasten nede og trykke på D for kun den aktuelle ramme.
  27. Transskribere de tre TM tykkelsesmålinger og ramme nummer til analysen regneark. For at gøre dette skal du trykke på højre piletast 3 gange. Gentag dette trin, indtil TM tykkelse er målt i de samme 10 frames som SC tværsnitsareal.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Under anvendelse af disse data erhvervelse og image analyse teknikker, er virkningerne af små og store ændringer i IOP på udstrømning tract morfologiske parametre som SC tværsnitsareal opnået (figur 1). Vi kan se, at høje niveauer af IOP stigning frembringe en observerbar sammenbrud SC, som er repræsenteret ved en stor reduktion i tværsnitsareal. Øjet synes at være i stand til at rumme små stigninger i IOP, som det fremgår af den manglende ændring i SC-CSA (figur 1). Disse resultater viser, at teknikken er i stand til at kvantificere morfometriske respons udstrømning tarmkanalen til en akut IOP udfordring. Ingen anden familie af teknologier eller teknikker giver både visuel og kvantitative oplysninger om udstrømning tarmkanalen biomekanik.

Gennem undersøgelsen blev ingen signifikant ændring i TM tykkelse overholdes. Som svar på en 23 mmHg IOP stigning blev SC indre til ydre væg afstand reduceret med 5,03 um. Wed og med undertrykkelse af glat muskel aktivitet, en 6 mmHg stigning i IOP forårsagede SC indre til ydre væg afstand at falde med 0,18 um og 2,34 um hhv. Desuden baseline SC-CSA faldet fra 4597 ± 2503 um 2 til 3588 ± 1.198 um 2 (middel ± standardafvigelse) med glat muskel aktivitet undertrykkelse. Sammen med indsættelse af forreste sener fra ciliærmusklen der indsætte i den ydre bladformede og cribiform TM 17, indebærer dette et styresystem til at opretholde SC åbenhed involverer glatte muskulatur. Yderligere undersøgelse fortjente.

Figur 1
Figur 1. Schlemms kanalen område versus intraokulært tryk i levende øjne. Schlemm s kanal (SC) tværsnitsarealer fra de to kohorter af fag leveres. Fejlsøjler nuværende 1 standardafvigelse i intraocular tryk (IOP) på X-aksen, og SC område på Y-aksen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Den foreliggende teknik udnytter ikke-invasiv overvågning af den mekaniske respons af blødt væv til at kvantificere SC kollaps. Det fremtidige arbejde under anvendelse af humane cadaver øjne er nødvendig for at kalibrere væv omlægninger faktiske væv stivhed efter dissektion. Men, vil sådanne undersøgelser lider de samme begrænsninger af tidligere udstrømning modeller; specifikt, at bidragene fra levende muskel til væv spændinger vil ikke være til stede. Yderligere kalibrering i et levende pattedyr øje model kan tillade kalibrering af billedbehandling og direkte målinger af stivhed i TM.

Der er adskillige begrænsninger for teknikken. Det er endnu ikke demonstreret på andre oktober platforme. Litteraturen foreslår, at de samme strukturer kan visualiseres på andre OLT enheder imidlertid følsomhed over for ændringer i forbindelse med akut IOP elevation på disse enheder er endnu ikke påvist i menneskelige øjne. Den foreliggende indretning blev anvendt ud af bekvemmelighed, som ingen yderligere optik erkræves til forreste segment scanning. Den største udfordring for dette arbejde er identifikation af SC inden scanningerne. Det er umuligt at helt identificere SC inden for en enkelt skive. Afhøring af den mængde er forpligtet til først at lokalisere det område af væv, der indeholder SC. Dets identitet bliver så bekræftet ved observation af opkøber kanal ostia og samtrafik mellem de forskellige segmenter af SC, der vises skive til skive. Det er vores erfaring, vil SC præsentere mellem 0 til 4 åbninger i limbus, der kan flette ind i enkelte store åbninger i nærheden af ​​en opkøber kanal ostium, eller kollapse til en klemt sektion af fuldstændig lukning.

Den største betydning af dette gennembrud teknik er, at der ikke er nogen anden mulighed for vurdering af TM stivhed in situ. Morfologi og stivhed af TM korrelerer med udstrømning facilitet 14,15, understreger behovet for at måle de biomekaniske egenskaber ved udstrømning vej. I fremtiden,sådanne målinger kan give indsigt utilgængelige i forvaltningen af ​​grøn stær i øjeblikket.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Dr. Schuman modtaget royalties for intellektuel ejendom licenseret af Massachusetts Institute of Technology og Massachusetts Eye og Ear Ambulatorium til 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

Medicin Optisk Sammenhæng Tomography trabekelværket Biomekanik intraokulært tryk forordning Vandig humor Udstrømning
Trabekelværket Reaktion på tryk Elevation i Living menneskelige øje
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