Diepe vasculaire beeldvorming in het oog met flow-enhanced echografie
Summary
We presenteren een niet-invasieve ultrasone techniek voor het genereren van driedimensionale angiografieën in het oog zonder het gebruik van contrastmiddelen.
Abstract
Het netvlies in het oog is een van de meest energie-eisende weefsels in het lichaam en vereist dus hoge snelheden van zuurstofafgifte van een rijke bloedtoevoer. De capillaire lamina van het vaatvlies bekleedt het buitenoppervlak van het netvlies en is de dominante bron van zuurstof in de meeste gewervelde netvliezen. Dit vaatbed is echter een uitdaging om in beeld te brengen met traditionele optische technieken vanwege de positie achter het zeer lichtabsorberende netvlies. Hier beschrijven we een hoogfrequente echografietechniek met daaropvolgende flow-enhancement om diepe vaatbedden (0,5-3 cm) van het oog met een hoge spatiotemporale resolutie in beeld te brengen. Deze niet-invasieve methode werkt goed bij soorten met nucleated rode bloedcellen (niet-zoogdier- en foetale diermodellen). Het maakt het genereren van niet-invasieve driedimensionale angiografieën mogelijk zonder het gebruik van contrastmiddelen, en het is onafhankelijk van bloedstroomhoeken met een hogere gevoeligheid dan op Doppler gebaseerde ultrasone beeldvormingstechnieken.
Introduction
Het hoge metabolisme op het netvlies van de gewervelde dieren legt een intrinsieke afweging op tussen twee contrasterende behoeften; hoge bloedstroomsnelheden en een licht pad zonder bloedvaten. Om visuele verstoring van het perfuseren van rode bloedcellen te voorkomen, ontvangt het netvlies van alle gewervelde dieren zuurstof en voedingsstoffen via een vel haarvaten achter de fotoreceptoren, de choriocapillaris1,2,3. Deze enkele bron van voedingsstoffen en zuurstof legt echter een diffusiebeperking op tot de dikte van het netvlies4,5, dus veel visueel actieve soorten bezitten een verscheidenheid aan uitgebreide vasculaire netwerken om extra bloedtoevoer naar dit metabolisch actieve orgaan te bieden6. Deze vaatbedden omvatten bloedvaten die de interne retinale lagen doordrenken bij zoogdieren en sommige vissen4,7,8,9,10, bloedvaten aan de binnenkant (licht gericht) van het netvlies die bij veel vissen, reptielen en vogels worden aangetroffen4,11,12,13, en tegenstroom vasculaire arrangementen van het vischoroïde, de vaatvliesrete mirabile, dat de vorming van superatmosfeer zuurstof partiële drukken14,15,16,17,18,19,20 mogelijk maakt. Ondanks het feit dat deze extra niet-choroïdale paden voor retinale nutriëntentoevoer een essentiële rol spelen bij het voeden van de metabolische vereisten van superieur zicht4, is de driedimensionale anatomie van deze vasculaire structuren slecht begrepen, waardoor ons begrip van de morfologische evolutie van het gewervelde oog wordt beperkt.
Traditioneel is retinale bloedtoevoer bestudeerd met behulp van optische technieken, zoals fundus oftalmoscopie. Deze categorie technieken biedt high-throughput niet-destructieve informatie over niet-choroïdale bloedvatanatomie in hoge resolutie21 en wordt daarom gemakkelijk gebruikt bij de klinische diagnose van afwijkingen in de retinale vaatstructuur22. Het retinale pigmentepitheel absorbeert echter het doorgelaten licht en beperkt de beelddiepte in deze optische technieken, waardoor minder informatie over de choroïdale structuur en functie wordt verkregen zonder het gebruik van contrastmiddel21. Vergelijkbare dieptebeperkingen worden ervaren in optische coherentietomografie (OCT). Deze techniek kan fundusangiografieën met hoge resolutie genereren met behulp van lichtgolven ten koste van dieptepenetratie23, terwijl de verbeterde dieptebeeldvorming OCT het vaatvlies kan visualiseren ten koste van de retinale beeldvormingskwaliteit24. Magnetische resonantie beeldvorming overwint de optische beperkingen van oftalmoscopie en OCT en kan vasculaire lagen in het netvlies in kaart brengen, zij het met een lage resolutie25. Histologie en microcomputed tomografie (μCT) handhaven de hoge resolutie van de optische technieken en geven informatie over vasculaire morfologie voor het hele oog4, maar beide technieken vereisen oculaire bemonstering en zijn daarom niet mogelijk in de kliniek of zeldzame of bedreigde soorten. Om enkele van de beperkingen van deze gevestigde retinale beeldvormingstechnieken te overwinnen, presenteert de studie hier een echografieprotocol op verdoofde dieren, waarbij de bloedbeweging in silico in kaart wordt gebracht op een reeks gelijk verdeelde tweedimensionale echografieën die een heel oog overspannen door een vergelijkbare techniek toe te passen zoals eerder beschreven voor embryonale en cardiovasculaire beeldvorming26,27, 28 en in OCT angiografie29. Deze aanpak maakt het mogelijk om niet-invasieve driedimensionale diepe oculaire angiografieën te genereren zonder een contrastmiddel te gebruiken en opent nieuwe wegen voor het in kaart brengen van de bloedstroomverdeling in het oog over soorten.
Protocol
Representative Results
Discussion
Vasculaire beeldvorming met behulp van flow-enhanced echografie biedt een nieuwe methode voor niet-invasieve beeldvorming van de vasculatuur van het oog die verschillende voordelen biedt ten opzichte van de huidige technieken, maar zijn intrinsieke beperkingen heeft. Het belangrijkste voordeel van flow-enhanced echografie is het vermogen om oculaire angiografieën te genereren met een scherptediepte die het retinale pigmentepitheel overschrijdt, wat de scherptediepte in optische technieken beperkt. In echografie worden r…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk heeft financiering ontvangen van de Carlsberg Foundation (CF17-0778; CF18-0658), de Lundbeck Foundation (R324-2019-1470; R346-2020-1210), de Velux Foundations (00022458), de A.P. Møller Foundation for the Advancement of Medical Science, het Horizon 2020 onderzoeks- en innovatieprogramma van de Europese Unie onder de Marie Skłodowska-Curie-subsidieovereenkomst (nr. 754513) en de Aarhus University Research Foundation.
Materials
| MS-222 | Sigma | E10521-50G | |
| Benzocaine | Sigma | E-1501 | |
| Propofol | B Braun | 12260470_0320 |
|
| Alfaxalon | Jurox | NA | |
| Isoflurane | Zoetis | 50019100 | |
| Ultrasound scanner | VisualSonics | Vevo 2100 |
References
- Yu, C. Q., Schwab, I. R., Dubielzig, R. R. Feeding the vertebrate retina from the Cambrian to the Tertiary. Journal of Zoology. 278 (4), 259-269 (2009).
- Yu, D. Y., Cringle, S. J. Oxygen distribution and consumption within the retina in vascularised and avascular retinas and in animal models of retinal disease. Progress in Retinal and Eye Research. 20 (2), 175-208 (2001).
- Country, M. W. Retinal metabolism: A comparative look at energetics in the retina. Brain Research. 1672, 50-57 (2017).
- Damsgaard, C., et al. Retinal oxygen supply shaped the functional evolution of the vertebrate eye. Elife. , 8 (2019).
- Buttery, R. G., Hinrichsen, C. F. L., Weller, W. L., Haight, J. R. How thick should a retina be? A comparative study of mammalian species with and without intraretinal vasculature. Vision Research. 31 (2), 169-187 (1991).
- Ames, A., Li, Y., Heher, E., Kimble, C. Energy metabolism of rabbit retina as related to function: high cost of Na+ transport. The Journal of Neuroscience. 12 (3), 840-853 (1992).
- Chase, J. The Evolution of retinal vascularization in mammals: A comparison of vascular and avascular retinae. Ophthalmology. 89 (12), 1518-1525 (1982).
- Johnson, G. L. Ophthalmoscopic studies on the eyes of mammals. Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Series B, Biological Sciences. 254 (794), 207-220 (1968).
- Johnson, G. L. I. Contributions to the comparative anatomy of the mammalian eye, chiefly based on ophthalmoscopic examination. Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Series B, Biological Sciences. 194 (194-206), 1-82 (1901).
- Rodriguez-Ramos Fernandez, J., Dubielzig, R. R. Ocular comparative anatomy of the family Rodentia. Veterinary Ophthalmology. 16, 94-99 (2013).
- Copeland, D. E. Functional vascularization of the teleost eye. Current Topics in Eye Research. 3, 219-280 (1980).
- Meyer, D. B., Crescitelli, F. . The Visual System in Vertebrates. Handbook of Sensory Physiology. 7, (1977).
- Potier, S., Mitkus, M., Kelber, A. Visual adaptations of diurnal and nocturnal raptors. Seminars in Cell & Developmental Biology. 106, 116-126 (2020).
- Wittenberg, J. B., Wittenberg, B. A. Active secretion of oxygen into the eye of fish. Nature. 194, 106-107 (1962).
- Damsgaard, C. Physiology and evolution of oxygen secreting mechanism in the fisheye. Comparative Biochemistry and Physiology. 252, 110840 (2021).
- Damsgaard, C., et al. A novel acidification mechanism for greatly enhanced oxygen supply to the fish retina. Elife. 9, (2020).
- Wittenberg, J. B., Haedrich, R. L. The choroid rete mirabile of the fish eye. II. Distribution and relation to the pseudobranch and to the swimbladder rete mirabile. Biological Bulletin. 146 (1), 137-156 (1974).
- Wittenberg, J. B., Wittenberg, B. A. The choroid rete mirabile of the fish eye. I. Oxygen secretion and structure: comparison with the swimbladder rete mirabile. Biological Bulletin. 146 (1), 116-136 (1974).
- Berenbrink, M. Historical reconstructions of evolving physiological complexity: O2 secretion in the eye and swimbladder of fishes. Journal of Experimental Biology. 210, 1641-1652 (2007).
- Berenbrink, M., Koldkjaer, P., Kepp, O., Cossins, A. R. Evolution of oxygen secretion in fishes and the emergence of a complex physiological system. Science. 307 (5716), 1752-1757 (2005).
- 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).
- Yung, M., Klufas, M. A., Sarraf, D. Clinical applications of fundus autofluorescence in retinal disease. International Journal of Retina and Vitreous. 2 (1), 12 (2016).
- Ang, M., et al. Optical coherence tomography angiography: a review of current and future clinical applications. Graefe’s Archive for Clinical and Experimental Ophthalmology. 256 (2), 237-245 (2018).
- Spaide, R. F., Koizumi, H., Pozonni, M. C. Enhanced depth imaging spectral-domain optical coherence tomography. American Journal of Ophthalmology. 146 (4), 496-500 (2008).
- Shen, Q., et al. Magnetic resonance imaging of tissue and vascular layers in the cat retina. Journal of Magnetic Resonance Imaging. 23 (4), 465-472 (2006).
- Tan, G. X., Jamil, M., Tee, N. G., Zhong, L., Yap, C. H. 3D reconstruction of chick embryo vascular geometries using non-invasive high-frequency ultrasound for computational fluid dynamics studies. Annals of Biomedical Engineering. 43 (11), 2780-2793 (2015).
- Ho, S., Tan, G. X. Y., Foo, T. J., Phan-Thien, N., Yap, C. H. Organ dynamics and fluid dynamics of the HH25 chick embryonic cardiac ventricle as revealed by a novel 4D high-frequency ultrasound imaging technique and computational flow simulations. Annals of Biomedical Engineering. 45 (10), 2309-2323 (2017).
- Dittrich, A., Thygesen, M. M., Lauridsen, H. 2D and 3D echocardiography in the Axolotl (Ambystoma Mexicanum). Journal of Visualized Experiments: JoVE. (141), e57089 (2018).
- Jia, Y., et al. Split-spectrum amplitude-decorrelation angiography with optical coherence tomography. Optics Express. 20 (4), 4710-4725 (2012).
- Clarke, K. W., Trim, C. M., Trim, C. M. . Veterinary Anaesthesia E-Book. , (2013).
- Flecknell, P. . Laboratory Animal Anaesthesia. , (2015).
- West, G., Heard, D., Caulkett, N. . Zoo Animal and Wildlife Immobilization and Anesthesia. , (2014).
- Lauridsen, H., Hansen, K., Nørgård, M. &. #. 2. 1. 6. ;., Wang, T., Pedersen, M. From tissue to silicon to plastic: three-dimensional printing in comparative anatomy and physiology. Royal Society Open Science. 3 (3), 150643 (2016).
- Lauridsen, H., et al. Inside out: Modern imaging techniques to reveal animal anatomy. PLoS One. 6 (3), 17879 (2011).
- Ruthensteiner, B., Heß, M. Embedding 3D models of biological specimens in PDF publications. Microscopy Research and Technique. 71 (11), 778-786 (2008).
- Damsgaard, C., Lauridsen, H. Deep vascular imaging in the eye with flow-enhanced ultrasound. bioRxiv. , 447055 (2021).
- Mueller, R. L., Ryan Gregory, T., Gregory, S. M., Hsieh, A., Boore, J. L. Genome size, cell size, and the evolution of enucleated erythrocytes in attenuate salamanders. Zoology. 111 (3), 218-230 (2008).
- Greis, C. Quantitative evaluation of microvascular blood flow by contrast-enhanced ultrasound (CEUS). Clinical Hemorheology and Microcirculation. 49, 137-149 (2011).
- Urs, R., Ketterling, J. A., Tezel, G., Silverman, R. H. Contrast-enhanced plane-wave ultrasound imaging of the rat eye. Experimental Eye Research. 193, 107986 (2020).
- Walls, G. L. . The vertebrate eye and its adaptive radiation. , (1942).
