Waiting
Login processing...

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

Medicine

Trabekelverket svar på tryck Elevation i vardags mänskliga ögat

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

Trabekelverket (TM) migration till Schlemms kanal utrymme kan induceras av akut tryckhöjning av ophthalmodynamometer, och observerades av spektral domän optisk koherens tomografi. Målet med denna metod är att kvantifiera den morfometriska svaret hos levande utflöde till akut tryck förhöjning av levande vävnader in situ.

Abstract

De mekaniska egenskaperna hos det trabekulära nätverket (TM) är kopplade till utflödesmotstånd och det intraokulära trycket (lOP) reglering. Den logiska grunden bakom denna teknik är den direkta observationen av det mekaniska svaret hos TM till akut lOP höjd. Före skanning, är IOP mäts vid baslinjen och under IOP höjd. Limbus skannas av spektral-domän optisk koherens tomografi vid baslinjen och under IOP höjd (ophthalmodynamometer (ODM) appliceras vid 30 g kraft). Avsökningar bearbetas för att förbättra visualiseringen av kammarvattnet utflödesvägen med ImageJ. Kärllandmärken används för att identifiera motsvarande placeringarna i baslinjen och lOP elevationsavsökningsvolymer. Schlemms kanal (SC) tvärsnittsarea (SC-CSA) och SC längd från främre till bakre längs dess långa axel mäts manuellt vid 10 platser inom ett 1 mm segment av SC. Medelvärde inre till yttre väggavstånd (kort axellängd) beräknas som arean för SC dividerat med desslång axellängd. För att undersöka bidrag angränsande vävnader som innebär IOP höjder, är mätningar upprepas utan och med glatt muskulatur med instillation av tropikamid. TM migration till SC motstånd från TM styvhet, men förstärks av stödet för dess fastsättning på intilliggande glatta muskulaturen i ciliarkroppen. Denna teknik är den första att mäta den levande humana TM-reaktion på tryck förhöjning in situ under fysiologiska betingelser inom det mänskliga ögat.

Introduction

Glaukom är världens näst vanligaste orsaken till irreversibel blindhet 1. Förhöjt intraokulärt tryck (lOP) är en stor kausal riskfaktor för förekomsten och framskridandet av glaukom 2-7.   LOP regleras av balans mellan bildandet och utflödet av kammarvatten 8. Platserna för störst utflödesmotstånd är juxtacanicular vävnad och den inre väggen av Schlemms kanal (SC), kontaktytan mellan SC och det trabekulära nätverket (TM) 9-11. Medan TM styvhet kan bidra till att förebygga för SC kollaps i ansiktet av lOP höjd, Overby et al., 12 nyligen visat att genexpression i glaukom ändras, vilket resulterar i ökad SC endotelial förstyvning, vilket hindrar bildning av porer, vilket leder till lOP förhöjning av glaukomatösa ögon 13. TM morfologi och styvhet korrelerar med utflöde anläggning 14,15, med betoning på than behöver för att mäta sina biomekaniska egenskaper.

Atomkraftsmikroskopi mätningar av TM visar förhöjda stelhet i ögonen som donerats av glaukompatienter (81 kPa) jämfört med ögonen från donatorer utan glaukom (4,0 kPa) 16, men dessa mätningar gjordes i dissekerades ex vivo vävnader. Den bakre TM är förankrad i ciliarmuskeln via främre senor av de längsgående muskelcellerna som sätter in i den yttre skivade och cribiform TM 17. Ciliarmuskeln (CM) aktivitet kan öka TM stramhet, härma förhöjda TM styvhet 17. Förmågan att observera förändringar i resistans till SC kollaps inducerad av störningar i glatt muskulatur har visats i en djurmodell 18. Vi har visat förmåga att icke-invasivt bild primärvatten humor utflöde systemet i levande mänskliga ögon distalt till och med SC använder spektral domän optisk koherens tomografi (OCT) <sup> 19-21. Med hjälp av denna teknik, har vi visat förmåga att kvantifiera morfometriska svaret från TM och SC till akut IOP höjd 22.

Det övergripande målet för den metod som beskrivs här var att kvantifiera morfometriska svar levande utflöde akut IOP höjd i levande vävnad in situ. Denna teknik har fördelen att undersöka TM under fysiologiska förhållanden, vilket inkluderar bidrag från både kontraktila fiberaktivitet inom TM och CM till TM-styvhet, jämfört med publicerade mätningar gjorda i dissekerade vävnader. Logiken bakom tillämpningen av denna teknik för att observation av den mekaniska TM svaret är att det ger oss annars otillgängliga insikter i mekaniska beteendet hos TM, som vi nu vet att länkas direkt till utflödesmotstånd och IOP regel 13. Att urskilja bidraget av kontraktila vävnader till den totala styvheten, en liten cohort ämnen undersöktes utan och med undertryckande av glatt muskelaktivitet genom administrering av tropikamid.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Etik uttalande: Godkännande erhölls från Institutional Review Board vid University of Pittsburgh School of Medicine innan ämne rekrytering började. Alla ämnen som skriftligt informerat samtycke innan deltagande i studien.

1. Datainsamling

  1. Tryck Elevation
    1. Ta baslinjemätningar (lOP och oktober mätningar) genom att ingjuta en droppe 0,5% proparakain i ögat. Vänta 3 minuter för effekt.
    2. Tryck försiktigt på den temporala sklera med ophthalmodynamometer, 30 g i kohort 1 och 5 och sedan 10 g i kohort 2. Så de önskade (IOP och ULT) mätningar enligt följande
      1. LOP Mätningar
        1. Mät baslinje lOP. Höj trycket som beskrivs i avsnitt 1.1.
        2. I kohort 1 ingjuta en droppe 0,5% proparakain, låt 3 min för effektivitet, och tillämpa 30 g tryck på sklera. Medan tryck appliceras, mät lOP med hjälp tonometern följande manufacturer anvisningar.
        3. I kohort 2, ingjuta en droppe 0,5% proparakain, låt 3 min för effektivitet, och tillämpa 5 g skleral tryck med hjälp av en ophthalmodynamometer. Mät IOP under tryckhöjning med hjälp av tonometern enligt tillverkarens anvisningar.
          1. Vänta 5 minuter efter 5 g mätningen.
          2. Applicera 10 g skleral tryck genom ophthalmodynamometer och mät lOP under tryck höjd med hjälp av tonometer enlighet med tillverkarens instruktioner. Anteckna IOP och tillstånd (dvs. baslinjen eller 10 g) i studien rekord.
      2. Oktober Skanning
        1. Seat motivet på ULT skannern. Ange patientens demografiska data för nya ämnen, eller hämta demografiska data från ULT databas för tidigare skannade ämnen.
        2. Välj främre segmentet 512 x 128 scan-protokoll. Centrera ögat i videobilden fönstret. Minska avståndet mellan skannernoch ögon tills hornhinnan tvärsnitts bilden visas i skanningsfönstret
        3. Använda verbala kommandon placera temporala limbus till mitten av skanningsfönstret genom att rikta patientens blick i näsans riktning
        4. Förvärva skannings baslinjen, och se över skanningen för kvalitet. IF acceptabel, spara, och om inte acceptabelt, upprepa detta steg.
          1. Acceptera skanningar om det inte finns några blinkar, och vinkeln visualiseras hela volymen utan driver bort från kanten av bilden eller vända på toppen.
        5. Ingjuta en droppe 0,5% proparakain, låt 3 min för effektivitet, och upprepa steg 1.3.2 till 1.3.5.
        6. För kohort 1, gäller 30 g skleral påtryckningar från ophthalmodynamometer och förvärva avsökning trycket appliceras. Ta bort trycket och se över skanningen för kvalitet. IF acceptabel, spara, och om inte acceptabelt, upprepa detta steg.
        7. För kohort 2, tillämpas 5 g skleral tryck genom ophthalmodynamometer, och förvärva avsökning trycket appliceras. Ta bort trycket och se över skanningen för kvalitet. IF acceptabel, spara, och om inte acceptabelt, upprepa detta steg.
        8. Vänta fem minuter gör det möjligt för ögat att återhämta sig från 5 g tryck störning.
        9. För kohort 2, gäller 10 g skleral påtryckningar från ophthalmodynamometer och förvärva avsökning trycket appliceras. Ta bort trycket och se över skanningen för kvalitet. IF acceptabel, spara, och om inte acceptabelt, upprepa detta steg.
        10. Spela skannings tid, tillstånd (dvs. baslinjen eller 10 g) och plats i studien rekord.

2. Databearbetning

  1. Anslut en USB-lagringsenhet med hög kapacitet i ULT. Välj "Export" från menyn Poster om ULT. Utse en fil plats för exporterade filer på USB-enheten. De-välj ".zip" alternativet. Ange patientens namn för scans som skall exporteras, och välj skannar som ska exporteras. Initiera exporten.
  2. När exporten är klar, avmontera USB-enheten och ta bort från ULT. Anslut hög kapacitet USB-enhet som innehåller de exporterade bilderna till bildbehandlings arbetsstation.
  3. Starta bildbehandlingsprogram i det här fallet ImageJ.
  4. Importera råbilddata; Välj "Arkiv -> Importera -> Raw" från Arkiv-menyn. Markera filen med som slutar på "_cube_raw.img" som ska bearbetas från USB-enheten.
  5. Spara den importerade fil med ett nytt namn, så att den ursprungliga bilddata sparas oförändrad (http://www.ori.dhhs.gov/education/products/RIandImages).
  6. Ange importparametrar enligt följande, typ Image: 8 bit, Bredd: 512, Längd: 1,024, Offset: 0; Antal bilder: 128.
  7. Välj "Plugins -> R EGISTRERING -> StackReg" från plugins menyn. Och välj sedan "Stelkropps"Alternativet. Välj sedan "Arkiv -> Spara som -> TIFF" för att spara inriktade stapeln.
  8. Välj "Process -> Filter -> Mean 3D" från processmenyn. Ange parametrar X = 1, Y = 1, och Z = 1 som filteralternativ. Upprepa detta steg två gånger.
  9. Välj "Arkiv -> Spara som -> TIFF" för att spara i genomsnitt stapeln. Snurra mushjulet för att flytta till bildruta 1 i den aktiva stacken.
  10. Välj "Process -> Förbättra lokal kontrast (CLAHE)" från processor menyn. Använd parametrar blockstorlek: 31, histogram fack: 256, Max Slope: 5, mask: ingen, och kontrollera "snabb" alternativet. Använd höger piltangent för att gå vidare till nästa ram.
  11. Flytta till ram 2 av den aktiva stacken och upprepa Process-> Förbättra lokal kontrast (CLAHE). Upprepa tills alla ramar har haft kontrastförstärkt.
  12. Välj "Arkiv -> Spara som -> TIFF"; för att spara kontrastförstärkt stack. Välj sedan "Bild -> Ställ in -> Size" på Bild-menyn. Avmarkera "Tvinga Aspect Ratio" alternativet, sedan ange Bredd: 2048 och höjd: 1,024 värden.
  13. Välj "Bild -> Omforma -> Flip vertikalt" på Bild-menyn. Välj sedan "Analyze -> Set Skala" från Analysera menyn. Ange Avstånd i pixlar: 2048, känt avstånd: 4.000 och pixelproportioner: 1 och klicka på OK. Välj "Arkiv -> Spara som -> TIFF" för att spara den kalibrerade 1: 1 aspect ratio stack.
  14. Sakta snurra mushjulet för att visuellt undersöka skannar för att identifiera en distinkt fartyg korsning för att fungera som en referenspunkt inom skanningar. Spela bildnumret och referens ramnumret i analysen kalkylbladet.
  15. Tryck på vänster piltangent 15 gånger för att gå till den första mätningen ramen. Välj "Freehand SelectionsR21; verktyg i verktygsfältet.
  16. Placera musen i mitten av SC och tryck på uppåtpilen. Upprepa detta steg tills SC fyller skärmen.
  17. Manuellt segmentet SC genom att ringa gränsen med musen. Håll kontroll (Ctrl) tangenten och trycker på D för den aktuella bildramen. Håll Ctrl-tangenten och trycker på M. transkribera mätning av SC tvärsnittsarea och mätning ramnummer till analysen kalkylbladet. Avmarkera den skisserade området. Tryck på höger piltangent 3 gånger. Upprepa detta steg tills SC har mätts i 10 bildrutor.
  18. Tryck på vänster piltangent 30 gånger för att återgå till den första mätningen ramen.
  19. Välj rakt segment verktyget i verktygsfältet.
  20. Rita en rak linje från den främre-mest till bakersta lägen på SC. Håll Ctrl-tangenten och trycker på D för endast den aktuella ramen. Håll Ctrl-tangenten och trycker på M. Transcribe SC längd och ramnummer till analysen kalkylbladet. Avmarkera den skisserade området. Tryck på högerpilen3 gånger. Upprepa detta steg tills SC längd har mätts i samma 10 bilder som SC tvärsnittsarea.
  21. Sätt ekvationen SC-IOWD = SC-CSA / axiell längd i analysen kalkylprogram för att beräkna genomsnitts SC innerväggen till ytterväggavstånd (SC-IOWD) genom att dividera mätningarna området genom mätningar längd.
  22. Tryck på vänster piltangent 30 gånger för att återgå till den första mätningen ramen.
  23. Välj rakt segment verktyget i verktygsfältet.
  24. Rita en rak linje från den främre-mest på SC gränsen till trabekelverket och främre kammaren. Se till att linjen är vinkelrät mot gränsen. Håll Ctrl och tryck på D, då M.
  25. Dra en linje från den bakersta läge för SC och gränsen av TM och den främre kammaren. Se till att den linje som är vinkelrät till gränsen. Hold Control och tryck på D, då M.
  26. Dra en linje från centrum av SC och gränsen av TM och den främre kammaren. Kontrollera att line vinkelrätt mot gränsen. Håll Ctrl-tangenten och trycker på D för endast den aktuella ramen.
  27. Transkribera tre TM tjockleksmätning och ramnummer till analys kalkylblad. För att göra detta genom att trycka på höger piltangent 3 gånger. Upprepa detta steg tills TM tjocklek har mätts i samma 10 bilder som SC tvärsnittsarea.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Med hjälp av dessa datainsamling och bildanalysteknik, är effekterna av små och stora förändringar i det intraokulära trycket på utflöde morfologiska parametrar såsom SC tvärsnittsarea erhålles (Figur 1). Vi kan se att höga nivåer av IOP ökning producera en märkbar kollaps av SC, som representeras av en stor minskning av tvärsnittsarea. Ögat synes kunna ta emot små ökningar i lOP, vilket bevisas av avsaknaden av förändring i SC-CSA (Figur 1). Dessa resultat visar att tekniken är i stånd att kvantifiera morfometriska svaret hos utflödesområdet till en akut lOP utmaning. Ingen annan familj av teknik eller tekniker ger både visuell och kvantitativ information om utflöde biomekanik.

Under studien var ingen signifikant förändring av TM tjocklek observeras. Som svar på en 23 mm Hg lOP ökning, var SC inre till yttre väggavståndet minskas med 5,03 | j, m. Wtan och undertryckande av glatt muskelaktivitet, orsakade en 6 mmHg ökning av IOP SC inre till yttre väggen avstånd för att minska med 0,18 um och 2,34 um respektive. Dessutom baslinjen SC-CSA sjunkit från 4597 ± 2503 pm 2 till 3588 ± 1,198 pm 2 (medelvärde ± standardavvikelse) med blank muskelaktivitet förtryck. Tillsammans med införandet av främre senor från ciliarmuskeln som sätter in i den yttre skivade och cribiform TM 17, innebär detta ett styrsystem för att bibehålla SC patency involverar glatt muskulatur. Ytterligare studier är befogad.

Figur 1
Figur 1. Schlemms kanalområdet jämfört med det intraokulära trycket i levande ögon. Schlemms kanal (SC) tvärsnittsarea från de två grupper av ämnen finns. Felstaplar närvarande 1 standardfel i intraocular trycket (lOP) på X-axeln, och SC område på Y-axeln.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Föreliggande teknik utnyttjar icke-invasiv observation av det mekaniska svaret hos mjuk vävnad för att kvantifiera SC kollaps. Framtida arbete med människolik ögon behövs för att kalibrera vävnads böjningar själva vävnaden styvhet efter dissektion. Men, kommer sådana studier drabbas av samma begränsningar tidigare utflöde modeller; specifikt, att bidrag levande muskler till vävnad spänning inte kommer att vara närvarande. Ytterligare kalibrering i en levande däggdjursögonmodell kan tillåta kalibrering av avbildning och direkta mätningar av styvhet av TM.

Det finns flera begränsningar för tekniken. Det har ännu inte visat på andra oktober plattformar. Litteraturen tyder på att samma strukturer kan visualiseras på andra oktober enheter, men känsligheten för förändringar i samband med akut IOP höjd på dessa enheter har ännu inte visats i det mänskliga ögat. Föreliggande anordning användes av bekvämlighetsskäl, eftersom inga ytterligare optik ärkrävs för skanning främre segment. Den största utmaningen i detta arbete är att identifiera SC inom skanningar. Det är omöjligt att definitivt identifiera SC inom en och samma skiva. Interrogation av volymen som krävs för att först lokalisera det område av vävnad innehållande SC. Dess identitet bekräftas sedan genom observation av rännan ostia och samtrafik mellan de olika segmenten av SC som visas skiva till skiva. I vår erfarenhet, kommer SC presentera mellan 0 och 4 öppningar inom limbus som kan slås samman till enstaka stora öppningar i närheten av en samlare kanal öppningen, eller komprimera till en klämd del av fullständig nedläggning.

Den största betydelsen av detta genombrott teknik är att det finns inget annat alternativ för bedömningen av TM-styvhet in situ. Morfologi och styvhet TM korrelerar med utflöde anläggning 14,15, betonar behovet av att mäta de biomekaniska egenskaperna hos utflödesvägen. I framtiden,sådana mätningar kan ge insikter tillgänglig just nu i förvaltningen av glaukom.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Dr. Schuman fått royalties för immateriella rättigheter licensierade av Massachusetts Institute of Technology och Massachusetts öga och öra Infirmary till 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 koherens tomografi trabekelverket biomekanik intraokulärt tryck förordning kammarvatten Utflöde
Trabekelverket svar på tryck Elevation i vardags mänskliga ögat
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