Dyp vaskulær avbildning i øyet med strømningsforbedret ultralyd

Summary

Vi presenterer en ikke-invasiv ultralydteknikk for å generere tredimensjonale angiografier i øyet uten bruk av kontrastmidler.

Abstract

Netthinnen i øyet er et av de mest energikrevende vevene i kroppen og krever dermed høye oksygentilførsel fra en rik blodtilførsel. Den kapillære lamina av choroid linjer den ytre overflaten av netthinnen og er den dominerende kilden til oksygen i de fleste virveldyr netthinner. Imidlertid er denne vaskulære sengen utfordrende å bilde med tradisjonelle optiske teknikker på grunn av sin posisjon bak den svært lysabsorberende netthinnen. Her beskriver vi en høyfrekvent ultralydteknikk med påfølgende strømningsforbedring til bildet dype vaskulære senger (0,5-3 cm) av øyet med høy romlig oppløsning. Denne ikke-invasive metoden fungerer bra i arter med nukleerte røde blodlegemer (ikke-pattedyr og fosterdyrmodeller). Det tillater generering av ikke-invasive tredimensjonale angiografier uten bruk av kontrastmidler, og det er uavhengig av blodstrømsvinkler med høyere følsomhet enn Doppler-baserte ultralydavbildningsteknikker.

Introduction

Den høye metabolismen på vertebrat netthinnen pålegger en iboende avveining mellom to kontrasterende behov; høye blodmengder og en lysvei blottet for blodårer. For å unngå synsforstyrrelser av perfusing røde blodlegemer, mottar netthinnen til alle vertebrater oksygen og næringsstoffer via et ark med kapillærer bak fotoreseptorene, choriocapillaris1,2,3. Imidlertid pålegger denne enkeltkilden av næringsstoffer og oksygen en diffusjonsbegrensning på tykkelsen på ^{netthinnen4,5}, så mange visuelt aktive arter har en rekke forseggjorte vaskulære nettverk for å gi ekstra blodtilførsel til dette metabolsk aktive ^organet6. Disse vaskulære sengene inkluderer blodkar som parfymerer de indre netthinnelagene i pattedyr og noen fisk4,7,8,9,10, blodkar på den indre (lysvendte) siden av netthinnen som finnes i mange fisk, reptiler og fugler4,11,12,13, og motstrøms vaskulære ordninger av fisken choroid, choroid rete mirabile, som gjør det mulig for generering av super-atmosfærisk oksygen delvis trykk14,15,16,17,18,19,20. Til tross for at disse ekstra ikke-koroidale banene for retinal næringsforsyning spiller en viktig rolle i å drive metabolske krav til overlegen ^visjon4, er den tredimensjonale anatomien til disse vaskulære strukturene dårlig forstått, noe som begrenser vår forståelse av den morfologiske utviklingen av virveldyrøyet.

Tradisjonelt har retinal blodtilførsel blitt studert ved hjelp av optiske teknikker, for eksempel fundus oftalmoskopi. Denne kategorien teknikker gir høy gjennomstrømning ikke-destruktiv informasjon om ikke-choroidal blodkar anatomi i høyoppløselig21 og er derfor lett brukt i klinisk diagnose av abnormiteter i retinal kar ^struktur22. Imidlertid absorberer netthinnepigmentepitelet det overførte lyset og begrenser synsdybden i disse optiske teknikkene, og gir redusert informasjon om koroidstruktur og funksjon uten bruk av ^{kontrastmiddel21}. Lignende dybdebegrensninger har erfaring med optisk koherenstomografi (OCT). Denne teknikken kan generere høyoppløselige fundus angiografier ved hjelp av lysbølger på den tekniske bekostning av dybdepenetrasjon23, mens den forbedrede dybdeavbildningen OCT kan visualisere choroiden på bekostning av retinal ^{bildekvalitet24}. Magnetisk resonansavbildning overvinner de optiske begrensningene ved oftalmoskopi og OCT og kan kartlegge vaskulære lag i netthinnen, om enn ved lav ^{oppløsning25}. Histologi og mikrocomputert tomografi (μCT) opprettholder den høye oppløsningen av de optiske teknikkene og gir informasjon om heløyet vaskulær ^morfologi4, men begge teknikkene krever okulær prøvetaking og er derfor ikke mulig i klinikken eller sjeldne eller truede arter. For å overvinne noen av begrensningene i disse etablerte retinal imaging teknikker, studien her presenterer en ultralyd protokoll på bedøvede dyr, hvor blodbevegelsen er kartlagt i silico på en rekke like-spaced todimensjonale ultralyd skanninger som spenner over et helt øye ved å bruke en sammenlignbar teknikk som beskrevet tidligere for embryonal og kardiovaskulær ^{imaging26,27, 28} og i OCT ^angiografi29. Denne tilnærmingen gjør det mulig for generering av ikke-invasive tredimensjonale dype okulære angiografier uten å bruke kontrastmiddel og åpner opp nye veier for kartlegging av blodstrømsfordeling i øyet på tvers av arter.

Protocol

Protokollen nedenfor ble utført med tillatelse fra Det danske inspektør for dyreforsøk i det danske mat-, landbruks- og fiskeridepartementet, Dansk Veterinær- og Matforvaltning (Tillatelsesnummer 2016-15-0201-00835). 1. Anestesi og ultralyd medium Bedøv forskningsdyret.MERK: Type og dose passende anestesi er svært artsavhengig. Generelt er immersion-baserte bedøvelser som MS-222 (etyl 3-aminobenzoat metansulfonsyre), benzokain (etyl 4-aminobenzoat) og propofol (2,6-diisopr…

Representative Results

Den strømningsforbedrede ultralydteknikken for å avbilde vaskulære senger i øyet kan påføres i en rekke arter og har for tiden blitt brukt i 46 forskjellige virveldyrarter (figur 1, tabell 1). Tilstedeværelsen av nukleerte røde blodlegemer i ikke-voksne pattedyr vertebrater gir positiv kontrast av flytende blod sammenlignet med statisk vev i cine opptak (Supplementary File 2). Men når det analyseres på ramme-for-ramme-basis, er det klare skillet me…

Discussion

Vaskulær avbildning ved hjelp av strømningsforbedret ultralyd gir en ny metode for ikke-invasiv avbildning av øyets vaskulatur som gir flere fordeler i forhold til dagens teknikker, men har sine iboende begrensninger. Den viktigste fordelen med strømningsforbedret ultralyd er evnen til å generere okulære angiografier med en dybdeskarphet som overskrider retinal pigment epitel, noe som begrenser dybdeskarpheten i optiske teknikker. Ved ultralydavbildning bestemmes romlig oppløsning og dybdeskarphet til slutt av ult…

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