Roman Photoacoustic microscopie en optische coherentie tomografie Dual-modaliteit Chorioretinal Imaging in levende konijn ogen
Summary
Dit manuscript beschrijft de nieuwe instelling en werkwijze van een photoacoustic microscopie en optische coherentie tomografie dual-modaliteit systeem voor noninvasive, etiket-vrije chorioretinal beeldvorming van grotere dieren, zoals konijnen.
Abstract
Photoacoustic oogbeschadigingen en/of imaging is een opkomende ophthalmic imaging technologie die noninvasively oogbeschadigingen en/of weefsel door het licht energie omzetten in geluidsgolven kunt visualiseren en wordt momenteel intensief onderzocht. Echter de meeste gerapporteerd werk tot nu toe is gericht op de beeldvorming van het achterste segment van de ogen van kleine dieren, zoals ratten en muizen, die uitdagingen voor klinische menselijke vertaling als gevolg van kleine oogbol maten met zich meebrengt. Dit manuscript beschrijft een roman photoacoustic microscopie (PAM) en optische coherentie tomografie (OCT) dual-modaliteit systeem voor beeldvorming van het achterste segment van de ogen van grotere dieren, zoals konijnen. De configuratie van het systeem, systeem uitlijning, dierlijke voorbereiding en dual-modaliteit experimentele protocollen voor in vivo, noninvasive, etiket-vrije chorioretinal imaging bij konijnen zijn gedetailleerd. De doeltreffendheid van de methode wordt aangetoond door middel van representatieve experimentele resultaten, met inbegrip van therapieën van het netvlies en choroidal verkregen door de PAM en de LGO. Dit manuscript biedt een praktische gids voor de beeldvorming resultaten bij konijnen te reproduceren en bevordering van photoacoustic oogbeschadigingen en/of imaging in grotere dieren.
Introduction
Afgelopen decennia zijn getuige geweest van de explosieve ontwikkeling van het gebied van biomedische photoacoustic imaging1,2,3,4,5,6,7 ,8. Gebaseerd op de energieomzetting van licht in geluid, de opkomende beeldvorming van de photoacoustic kunt visualiseren biologische monsters op schalen van organellen, cellen, weefsels, organen voor het gehele lichaam kleine-dier en kan onthullen de anatomische functionele, moleculaire, genetische, en metabole informatie1,2,9,10,11,12. Photoacoustic imaging heeft unieke toepassingen gevonden in een waaier van biomedische velden, zoals cel biologie13,14, vasculaire biologie15,16, neurologie17,18 , oncologie19,20,21,22, Dermatologie23, farmacologie24en hematologie25,26. De toepassing ervan in de oogheelkunde, dat wil zeggen photoacoustic oogbeschadigingen en/of imaging, heeft aangetrokken aanzienlijke belangen van zowel wetenschappers en clinici en wordt momenteel actieve onderzocht.
In tegenstelling tot routinematig gebruikt oogbeschadigingen en/of imaging technologieën27, zoals fluoresceïne-angiografie (FA) en indocyanine groene angiografie (ICGA) (gebaseerd op fluorescentie contrast), optische coherentie tomografie (OCT) (gebaseerd op optische verstrooiing contrast) , en haar afgeleide OCT angiografie (gebaseerd op motie contrast van de rode bloedcellen), de photoacoustic oculair imaging gebruikt optische absorptie als het contrast-mechanisme. Dit is anders dan conventionele oogbeschadigingen en/of imaging-technologieën en biedt een uniek instrument voor de studie van optische absorptie-eigenschappen van het oog, die meestal geassocieerd met de pathofysiologische status van oogbeschadigingen en/of weefsel28 zijn. Tot op heden, aanzienlijke is uitstekend werk verricht in photoacoustic oogbeschadigingen en/of imaging29,30,31,32,33,34,35, 36,,37, maar deze studies richten op het achterste segment van de ogen van kleine dieren, zoals ratten en muizen. De baanbrekende studies tonen goed aan de haalbaarheid voor photoacoustic imaging in oogheelkunde, maar er is nog een lange weg te gaan naar klinische vertaling van de technologie sinds de oogbol maten van ratten en muizen zijn veel kleiner (minder dan eenderde) dan dat. van de mens. Als gevolg van de verspreiding van ultrasone golven over een aanzienlijk langere afstanden, kan signaal intensiteit en beeldkwaliteit sterk lijden wanneer de techniek wordt gebruikt voor de beeldvorming van het achterste segment van grotere ogen.
Richting van dit doel, we onlangs gemeld de noninvasive, etiket-vrije chorioretinal imaging in levende konijnen met behulp van geïntegreerde photoacoustic microscopie (PAM) en spectrale domein OCT (SD-OCT)38. Het systeem heeft uitstekende prestaties en het netvlies en vaatvlies van de ogen van grotere dieren op basis van endogene absorptie en verstrooiing contrast van oogbeschadigingen en/of weefsel kan visualiseren. Voorlopige resultaten bij konijnen laten zien dat de PAM noninvasively onderscheid kon maken tussen individuele netvlies en choroidal bloedvaten met behulp van een laser blootstelling dosis (~ 80 nJ) aanzienlijk lager ligt dan de veiligheidsgrens American National Standards Institute (ANSI) (160 nJ) bij 570 nm39; en de LGO kan duidelijk oplossen verschillende retinale lagen, het vaatvlies en de sclera. Het is de allereerste demonstratie van het achterste segment beeldvorming van grotere dieren met behulp van PAM en wellicht een belangrijke stap op weg naar klinische vertaling van de technologie, gezien het feit dat de grootte van de oogbol van konijnen (18,1 mm)40 bijna 80% van de axiale lengte van is mens (23.9 mm).
In dit werk, wij bieden een gedetailleerde beschrijving van de dual-modaliteit imaging systeem en experimentele protocollen die worden gebruikt voor noninvasive, etiket-vrije chorioretinal imaging in levende konijnen en tonen de systeemprestaties door representatieve Retina en choroidal imaging resultaten.
Protocol
Representative Results
Discussion
Een intact en regelmatige traanfilm is essentieel voor kwalitatief hoogwaardige fundus beelden. Een onregelmatige en verslechterde scheur films kunnen aanzienlijk degraderen beeld kwaliteit42. Ter bescherming van de integriteit van de traanfilm en hoornvlies oppervlakkige punctate keratopathy voorkomen, is het essentieel om te smeren van het hoornvlies met boerenbedrog zeer vaak, ongeveer elke twee min. Als er bezorgdheid over de dekking van het oog, gebruik van een spleetlamp en fluoresceïne str…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk werd gesteund door de genereuze steun van de 4K12EY022299 van het nationale Instituut van het oog (YMP), strijd voor zicht-International Retinal onderzoek Stichting FFS GIA16002 (YMP), onbeperkte departementale steun van onderzoek te voorkomen blindheid, en de Departement van de Universiteit van Michigan in oftalmologie en visuele wetenschappen. Dit werk gebruikt de Core Center voor Vision onderzoek gefinancierd door P30 EY007003 van het nationale Instituut van het oog.
Materials
| Dual-modality imaging system | |||
| OPO laser | Ekspla (Vilnius, Lithuania) | NT-242 | |
| Beam attenuator | Thorlabs, Inc. (Newton, NJ, USA) | AHWP10M-600 | |
| Motorized rotation stage | Thorlabs, Inc. (Newton, NJ, USA) | PRM1/MZ8 | |
| Motorized rotation stage controller | Thorlabs, Inc. (Newton, NJ, USA) | TDC001 | |
| Focusing lens | Thorlabs, Inc. (Newton, NJ, USA) | AC254-250-B | |
| Pinhole | Thorlabs, Inc. (Newton, NJ, USA) | P50S | |
| Collimating lens | Thorlabs, Inc. (Newton, NJ, USA) | AC127-030-B | |
| Photodiode | Thorlabs, Inc. (Newton, NJ, USA) | PDA36A | |
| Laser shutter | Vincent Associates Inc. (Toronto, Canada) | LS6S2T0 | |
| Laser shutter driver | Vincent Associates Inc. (Toronto, Canada) | VCM-D1 | |
| Dichroic mirror | Semrock, Inc. (Rochester, NY, USA) | Di03-R785-t3-25×36 | |
| Scan lens | Thorlabs, Inc. (Newton, NJ, USA) | OCT-LK3-BB | |
| Ophthalmic lens | Thorlabs, Inc. (Newton, NJ, USA) | AC080-010-B-ML | |
| Ultrasonic transducer | Optosonic Inc. (Arcadia, CA, USA) | Custom | |
| Amplifier | L3 Narda-MITEQ (Hauppauge, NY, USA) | AU-1647 | |
| Band-pass filter | Mini-Circuits (Brooklyn, NY, USA) | BLP-30+ | |
| Digitizer | DynamicSignals LLC (Lockport, IL, USA) | PX1500-4 | |
| Synchronization electronics | National Instruments Corporation (Austin, TX, USA) | USB-6353 | |
| OCT module | Thorlabs, Inc. (Newton, NJ, USA) | Ganymede-II-HR | |
| Dispersion compensation glass | Thorlabs, Inc. (Newton, NJ, USA) | LSM03DC | |
| Illumination LED light | Thorlabs, Inc. (Newton, NJ, USA) | MCWHF2 | |
| Power meter | Thorlabs, Inc. (Newton, NJ, USA) | S121C | |
| Power meter interface | Thorlabs, Inc. (Newton, NJ, USA) | PM100USB | |
| Height measurement tool | Thorlabs, Inc. (Newton, NJ, USA) | BHM1 | |
| Fundus camera | Topcon Corporation (Tokyo, Japan) | TRC 50EX | |
| Matlab | MathWorks (Natick, MA, USA) | 2017a | |
| Oscilloscope | Teledyne LeCroy (Chestnut Ridge, NY, USA) | WaveJet 354T | |
| Animal experiment | |||
| Water-circulating blanket | Stryker Corporation (Kalamazoo, MI, USA) | TP-700 | |
| Ketamine hydrochloride injection | Par pharmaceutical, Inc. (Woodcliff Lake, NJ, USA) | NDC code 42023-115-10 | |
| Xylazine hydrochloride | VetOne (Boise, ID, USA) | NDC code 13985-704-10 | |
| Tropicamide ophthalmic | Akorn Pharmaceuticals Inc. (Lake Forest, IL, USA) | NDC code 17478-102-12 | |
| Phenylephrine hydrochloride ophthalmic | Paragon BioTeck, Inc. (Portland, OR, USA) | NDC code 42702-102-15 | |
| Eye lubricant | Hub Pharmaceuticals LLC (Rancho Cucamonga, CA, USA) | NDC code 17238-610-15 | |
| Eyewash | Altaire Pharmaceuticals, Inc. (Aquebogue, NY, USA) | NDC code 59390-175-18 | |
| Tetracaine hydrochloride ophthalmic solution | Bausch & Lomb, Inc. (Rochester, NY, USA) | NDC code 24208-920-64 | |
| Flurbiprofen sodium ophthalmic solution | Bausch & Lomb, Inc. (Rochester, NY, USA) | NDC code 24208-314-25 | |
| Neomycin and Polymyxin B Sulfates and Dexamethasone Ophthalmic Ointment | Bausch & Lomb, Inc. (Rochester, NY, USA) | NDC code 24208-795-35 | |
| Meloxicam injection | Henry Schein Inc. (Queens, NY, USA) | NDC code 11695-6925-1 |
References
- Wang, L. V., Hu, S. Photoacoustic tomography: in vivo imaging from organelles to organs. Science. 335 (6075), 1458-1462 (2012).
- Beard, P. Biomedical photoacoustic imaging. Interface Focus. , (2011).
- Taruttis, A., Ntziachristos, V. Advances in real-time multispectral optoacoustic imaging and its applications. Nat Photonics. 9 (4), 219-227 (2015).
- Tian, C., Xie, Z., Fabiilli, M. L., Wang, X. Imaging and sensing based on dual-pulse nonlinear photoacoustic contrast: a preliminary study on fatty liver. Opt Lett. 40 (10), 2253-2256 (2015).
- Tian, C., et al. Dual-pulse nonlinear photoacoustic technique: a practical investigation. Biomed Opt Express. 6 (8), 2923-2933 (2015).
- Tian, C., et al. Non-Contact Photoacoustic Imaging Using a Commercial Heterodyne Interferometer. IEEE Sens J. 16 (23), 8381-8388 (2016).
- Kim, K. H., et al. Air-coupled ultrasound detection using capillary-based optical ring resonators. Sci Rep. 7, 1 (2017).
- Feng, T., et al. Bone assessment via thermal photo-acoustic measurements. Opt Lett. 40 (8), 1721-1724 (2015).
- Chen, S. -. L., Xie, Z., Carson, P. L., Wang, X., Guo, L. J. In vivo flow speed measurement of capillaries by photoacoustic correlation spectroscopy. Opt Lett. 36 (20), 4017-4019 (2011).
- Dean-Ben, X., Fehm, T. F., Razansky, D. Universal Hand-held Three-dimensional Optoacoustic Imaging Probe for Deep Tissue Human Angiography and Functional Preclinical Studies in Real Time. J Vis Exp. (93), e51864 (2014).
- Galanzha, E. I., et al. In vivo magnetic enrichment and multiplex photoacoustic detection of circulating tumour cells. Nat Nanotechnol. 4 (12), 855-860 (2009).
- Xiang, L., Wang, B., Ji, L., Jiang, H. 4-D photoacoustic tomography. Sci Rep. 3, (2013).
- Tian, C., et al. Plasmonic nanoparticles with quantitatively controlled bioconjugation for photoacoustic imaging of live cancer cells. Adv Sci. 3 (12), (2016).
- Zhou, F., Wu, S., Yuan, Y., Chen, W. R., Xing, D. Mitochondria-Targeting Photoacoustic Therapy Using Single-Walled Carbon Nanotubes. Small. 8 (10), 1543-1550 (2012).
- Maslov, K., Zhang, H. F., Hu, S., Wang, L. V. Optical-resolution photoacoustic microscopy for in vivo imaging of single capillaries. Opt Lett. 33 (9), 929-931 (2008).
- Hu, S., Maslov, K., Wang, L. V. Three-dimensional Optical-resolution Photoacoustic Microscopy. J Vis Exp. (51), e2729 (2011).
- Yao, J., et al. High-speed label-free functional photoacoustic microscopy of mouse brain in action. Nat Methods. 12 (5), 407-410 (2015).
- Yang, X., Skrabalak, S. E., Li, Z. -. Y., Xia, Y., Wang, L. V. Photoacoustic tomography of a rat cerebral cortex in vivo with au nanocages as an optical contrast agent. Nano Lett. 7 (12), 3798-3802 (2007).
- Agarwal, A., et al. Targeted gold nanorod contrast agent for prostate cancer detection by photoacoustic imaging. J Appl Phys. 102 (6), 064701 (2007).
- Zackrisson, S., van de Ven, S., Gambhir, S. Light in and sound out: emerging translational strategies for photoacoustic imaging. Cancer Res. 74 (4), 979-1004 (2014).
- Ermilov, S. A., et al. Laser optoacoustic imaging system for detection of breast cancer. J Biomed Opt. 14 (2), 024007 (2009).
- Mallidi, S., Luke, G. P., Emelianov, S. Photoacoustic imaging in cancer detection, diagnosis, and treatment guidance. Trends Biotechnol. 29 (5), 213-221 (2011).
- Zhang, H. F., Maslov, K., Stoica, G., Wang, L. V. Functional photoacoustic microscopy for high-resolution and noninvasive in vivo imaging. Nat Biotechnol. 24 (7), 848 (2006).
- Keswani, R. K., et al. Repositioning Clofazimine as a Macrophage-Targeting Photoacoustic Contrast Agent. Sci Rep. 6, 23528 (2016).
- Strohm, E. M., Berndl, E. S., Kolios, M. C. Probing red blood cell morphology using high-frequency photoacoustics. Biophys J. 105 (1), 59-67 (2013).
- Nguyen, V. P., Kim, J., Ha, K. -. l., Oh, J., Kang, H. W. Feasibility study on photoacoustic guidance for high-intensity focused ultrasound-induced hemostasis. J Biomed Opt. 19 (10), 105010 (2014).
- Keane, P. A., Sadda, S. R. Retinal imaging in the twenty-first century: state of the art and future directions. Ophthalmology. 121 (12), 2489-2500 (2014).
- Keane, P., Sadda, S. Imaging chorioretinal vascular disease. Eye. 24 (3), 422-427 (2010).
- Jiao, S., et al. Photoacoustic ophthalmoscopy for in vivo retinal imaging. Opt Express. 18 (4), 3967-3972 (2010).
- Liu, T., et al. Near-infrared light photoacoustic ophthalmoscopy. Biomed Opt Express. 3 (4), 792-799 (2012).
- Song, W., et al. A combined method to quantify the retinal metabolic rate of oxygen using photoacoustic ophthalmoscopy and optical coherence tomography. Sci Rep. 4, 6525 (2014).
- Liu, W., Zhang, H. F. Photoacoustic imaging of the eye: a mini review. Photoacoustics. 4 (3), 112-123 (2016).
- de La Zerda, A., et al. Photoacoustic ocular imaging. Opt Lett. 35 (3), 270-272 (2010).
- Hu, S., Rao, B., Maslov, K., Wang, L. V. Label-free photoacoustic ophthalmic angiography. Opt Lett. 35 (1), 1-3 (2010).
- Silverman, R. H., et al. High-resolution photoacoustic imaging of ocular tissues. Ultrasound Med Biol. 36 (5), 733-742 (2010).
- Wu, N., Ye, S., Ren, Q., Li, C. High-resolution dual-modality photoacoustic ocular imaging. Opt Lett. 39 (8), 2451-2454 (2014).
- Hennen, S. N., et al. Photoacoustic tomography imaging and estimation of oxygen saturation of hemoglobin in ocular tissue of rabbits. Exp Eye Res. 138, 153-158 (2015).
- Tian, C., Zhang, W., Mordovanakis, A., Wang, X., Paulus, Y. M. Noninvasive chorioretinal imaging in living rabbits using integrated photoacoustic microscopy and optical coherence tomography. Opt Express. 25 (14), 15947-15955 (2017).
- Laser Institute of America. American National Standard for Safe Use of Lasers ANSI Z136.1 – 2007. American National Standards Institute, Inc. , (2007).
- Hughes, A. A schematic eye for the rabbit. Vision Res. 12 (1), 123 (1972).
- Ma, T., et al. Systematic study of high-frequency ultrasonic transducer design for laser-scanning photoacoustic ophthalmoscopy. J Biomed Opt. 19 (1), 016015 (2014).
- Song, W., Wei, Q., Jiao, S., Zhang, H. F. Integrated photoacoustic ophthalmoscopy and spectral-domain optical coherence tomography. J Vis Exp. (71), (2013).
- Mattison, S., Kim, W., Park, J., Applegate, B. Molecular Imaging in Optical Coherence Tomography. Curr Mol Imaging. 3 (2), 88-105 (2014).
