Ögonbottenfotografering som ett praktiskt verktyg för att studera Mikrovaskulära Svaren till Cardiovascular Disease Risk Factors i epidemiologiska studier

Medicine

Your institution must subscribe to JoVE's Medicine section to access this content.

Fill out the form below to receive a free trial or learn more about access:

 

Summary

Retinal bildanalys är en diskret procedur för att visualisera mikrocirkulationen. Effekterna av hjärt sjukdomsriskfaktorer kan resultera i förändringar av näthinnans kärl kalibrar. De förfaranden för att skaffa ögonbottenbilder och stegen för att beräkna fartygets kalibrar beskrivs.

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations | Reprints and Permissions

De Boever, P., Louwies, T., Provost, E., Int Panis, L., Nawrot, T. S. Fundus Photography as a Convenient Tool to Study Microvascular Responses to Cardiovascular Disease Risk Factors in Epidemiological Studies. J. Vis. Exp. (92), e51904, doi:10.3791/51904 (2014).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

Den mikrocirkulationen består av blodkärl vars diameter understiger 150 nm. Det utgör en stor del av cirkulationssystemet och spelar en viktig roll för att upprätthålla kardiovaskulär hälsa. Näthinnan är en vävnad som linjer inre av ögat och det är den enda vävnad som tillåter en icke-invasiv analys av mikrovaskulaturen. Numera kan ögonbottenbilder högkvalitativa förvärvas med hjälp av digitalkameror. Retinal bilder kan samlas i fem minuter eller mindre, även utan dilatation av eleverna. Denna diskreta och snabbt förfarande för att visualisera mikrocirkulationen är attraktiv att gälla i epidemiologiska studier och övervaka kardiovaskulär hälsa från tidig ålder upp till ålderdomen.

Systemiska sjukdomar som påverkar cirkulationen kan medföra progressiva morfologiska förändringar i näthinnans kärl. Till exempel, har förändringar i kärl kalibrar av näthinnans artärer och vener associerats med hypertension, atheroskleros, och ökad risk för stroke och hjärtinfarkt. Fartyget bredder härleds med hjälp av bildanalys mjukvara och bredden på de sex största artärer och vener sammanfattas i centrala näthinnan arteriolär Equivalent (Crae) och Central Retinal Venular Equivalent (CRVE). De senare funktioner har visat sig vara användbart för att studera effekterna av modifierbara livsstil och miljö hjärt sjukdomsriskfaktorer.

De förfaranden för att skaffa ögonbottenbilder och analyssteg för att få Crae och CRVE beskrivs. Variationskoefficienter av upprepade mätningar av Crae och CRVE är mindre än 2% och inom-rater pålitlighet är mycket höga. Med hjälp av en panelstudie, den snabba insatser av de retinala kärl kalibrar till kortsiktiga förändringar i partikelluftföroreningar, en känd riskfaktor för kardiovaskulär mortalitet och morbiditet, rapporteras. Sammanfattningsvis är retinal avbildning föreslås som ett bekvämt och instrumentella verktyg för epidemiologisk studies för att studera mikrovaskulära svar på hjärt sjukdomsriskfaktorer.

Introduction

Den mikrocirkulationen består av blodkärl vars diameter understiger 150 nm och innehåller minsta motstånd artärer, arterioler, kapillärer och venoler. Dessa fartyg utgör en stor del av cirkulationssystemet och spelar en viktig roll för att upprätthålla kardiovaskulär hälsa. Kärlet diameter av 150 um är en fysiologisk och en fysisk gräns. De reologiska egenskaperna för fartyg med en diameter mindre än 150 nm skiljer sig från stora artärer. De flesta av de autoregulatoriska motstånds förändringar sker nedströms från 150 nm i kärlbäddar uppvisar blodflödet auto 1. Den mikrocirkulationen har två viktiga funktioner. Den primära funktionen är att förse cellerna med syre och metaboliska substrat för att matcha efterfrågan vävnad och för att dränera slaggprodukter och koldioxid. Förändringar i antalet utbytesfartyg och mikrovaskulär strömningsmönster reducerar effektivt utbyte yta och kan Lead till suboptimal vävnadsperfusion samt en oförmåga att möta metaboliskt behov 2. Vidare faller det hydrostatiska trycket inuti den vaskulära bädden och mikrocirkulationen spelar en roll i regleringen av den totala perifera motståndet 3.

Näthinnan är en skiktad vävnad foder i det inre av ögat. Dess huvudsakliga funktion är att omvandla det inkommande ljuset till en neural signal som ytterligare fortplantas till syncentrum för bearbetning av visuell information. Funktionen av näthinnan är att se världen utanför och alla okulära strukturer som deltar i denna process är optiskt transparenta. Detta gör det näthinnevävnad åtkomlig för icke-invasiv avbildning av mikrovaskulaturen 4. Retinal avbildning används för att identifiera sjukdomar i ögat. Till exempel kan en avancerad form av makuladegeneration leda till synförlust på grund av onormal tillväxt av blodkärl i makula. Dessa blodkärl har en tendens att vara mer permeabel och omfattas blöderg och läckage av blod och proteiner inom eller under näthinnan. De senare händelserna ansvarar för irreversibla skador på fotoreceptorer. Utveckling av glaukom korrelerar med en skada på ganglion celler och deras axoner. Effekten av denna process leder till koppning av det optiska skivan, vilket kan observeras i retinala bilderna 5. Diabetisk retinopati är orsakad av hyperglykemi som leder till skador på de retinala kärlväggar. Detta kan leda till ischemi, tillväxten av nya blodkärl och en förändring i kärl geometriska nätet. Dessutom kan blod retinal barriär bli föremål för nedbrytning, vilket orsakar läckage av vidgade hyperpermeable kapillärer och aneurysm 6.

Retinal mikrovaskulaturen visar homologi med de mikrovaskulära sängar som finns i hjärta, lungor och hjärna 7. Det är fastställt att systemiska sjukdomar som påverkar mikrocirkulationen i hjärnan kan orsaka parallella förändringar i näthinnan. Arteriolär narrowing och förbättrad arteriolär ljus reflex av näthinnan är förknippad med fartygs avvikelser, vita substansen lesioner och lacunes som orsakas av cerebral liten kärlsjukdom 8. Ett signifikant samband upptäcktes mellan smalare retinala venoler, en förändrad retinal mikrovaskulära nätverk och förekomsten av Alzheimers sjukdom. Det har föreslagits att hjärnan hos patienter ha en förändrad cerebral mikrovaskulatur som också är observerbar i näthinnan 9.

Bevis ökar också om sambandet mellan näthinnans kärlförändringar och kranskärlssjukdom 10,11. Förhållandet mellan diametern på näthinnans artärer och retinala vener (A / V) har visat sig vara en känslig proxy att reflektera högt blodtryck och åderförkalkning 12. En förträngning av artärerna och breddning av venerna, vilket leder till en minskad A / V-förhållande, bekräftar risken för stroke och hjärtinfarkt 13. Högt blodtryck kan orsaka direktretinal ischemi och retinala infarkter som blir synliga som bomullsexsudat och djupa retinala vita fläckar 14. Serre och Sasongko nyligen sammanfattade litteraturen och de visar att exponeringen för livsstil och miljö riskfaktorer (t.ex. kost, fysisk aktivitet, rökning och luftföroreningar) kan inducera morfologiska förändringar i näthinnans mikrovaskulära bädden 15. Viktigt har sådana retinala förändringar associerats med kardiovaskulära riskfaktorer, redan innan kliniska manifestationer av sjukdomar 16.

Betydande ökning av incidensen av kardiovaskulär morbiditet och mortalitet har hänförts till långa och kortfristiga exponeringar till partikelformiga material luftföroreningar 17,18. Forskning visar att partiklar (PM), en viktig del av luftföroreningar, bidrar till utvecklingen av hjärt-kärlsjukdom och inducerar kardiovaskulära händelser 19,20. En nedskrivning av funktionen hosden mikrovaskulära bädden tros spela en roll i de observerade föreningar. I detta avseende har ett samband mellan exponering för luftföroreningar och arteriolär förträngning i näthinnan rapporterats av Adar och kollegor 21. Den retinala arteriolär kaliber var smalare och venular kaliber var bredare bland de 4607 deltagarna i den multietniska Studie av åderförkalkning (MESA) som bodde i områden med ökad lång och kort sikt exponering för PM 2,5 (partiklar ≤ 2,5 mikrometer i diameter) 21. Systemisk inflammation som orsakas av kronisk exponering av luftföroreningar kan leda till bredare venular diameter 22. Detta bekräftar de studier som rapporterar effekterna av rökning på näthinnan mikrovaskulära bädden 23. En nyligen publicerad rapporter om sambandet mellan kortvarig luftföroreningar exponering och mikrovaskulära förändringar i friska vuxna (22-63 år) mätt med retinal ögonbottenfotografering 24. Ett ökat sjse inom PM 10 (partiklar ≤ 10 nm i diameter) och BC (sot, en förbrännings biprodukt som kan användas som ett mått på trafikrelaterade dieselavgaser) associerades med en minskning av arteriell kaliber 24,25.

I denna vetenskapliga video protokoll, är de förfaranden som beskrivs för att samla ögonbottenbilder i ögat, för att utföra bildanalys för att få arteriolära och venular fartygs kalibrar, och för att beräkna Central retinal arteriell Equivalent (Crae) och Central retinal Venular Equivalent (CRVE). Retinal avbildning är att få ökad uppmärksamhet eftersom näthinnan är den enda vävnad som gör att en diskret analys av mikrocirkulation och bilder kan hämtas från tidig ålder upp till ålderdomen 26,27. Crae och CRVE verkar vara känsliga parametrar som speglar effekterna av modifierbara livsstil och miljö hjärt sjukdomsriskfaktorer på mikrocirkulation. I manuskriptet, repeterbarhetenav analysen kärlet demonstreras. Dessutom är tillämpningen av retinal mikrocirkulation analys i epidemiologiska studier visat genom att sammanfatta våra resultat som erhållits i en upprepad-åtgärder design med fokus på effekterna av partiklar luftföroreningar exponering 24.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Etikstyrelsen Hasselt University och University Hospital Antwerp godkänt studierna. Deltagarna gav sitt skriftliga informerade samtycke till att delta.

1 Instrumentinställningar

  1. Ta bort de svarta skyddsskal från den digitala retinal kamera och huvudblocket på enheten.
  2. Öppna batterifacket och sätt i batteriet i kameran. Koppla inte ur kabeln ansluter batteriet och huvudenheten.
  3. Skruva fast kameran på huvudenheten och anslut de två kablarna. Anslut huvudenheten till elnätet och till datorn med den medföljande USB-kablar.
  4. Starta huvudenheten genom att slå på / av-knappen på "on". Starta kameran genom att slå på / av-knappen på "on".
  5. Starta datorn. Detta kommer att förhindra anslutningsfel mellan huvudenheten och datorn.

2 Fånga Photograph

  1. Starta retinal Imaging Control Software (och fyll i önskat lösenord). Programvaran är en del av den digitala retinal kameran (se materialtabellen för länk).
  2. Starta studien genom att klicka på "Study" ikonen i övre vänstra delen av skärmen. För en ny patient, fyll i alla uppgifter såsom patient-ID, patientens namn, födelsedatum, etc. Om patienten redan finns i systemet, fyll i "patient-ID" och använda "Sök historiklistan". Att dubbelklicka på namnet på patienten för att starta studien.
  3. Be patienten att ta en plats framför kameran, placera hans / hennes haka på hakan vila och pannan mot pannan vila och "låsa" i huvudet för att ta ett fotografi.
  4. Be patienten att titta rakt in i linsen på kameran. Flytta kamera i det horisontella (XY) plan till höger eller vänster öga.
  5. Använd hakstödet att positionera hornhinnan av patienten inne de två cirklarna som visas på kamerans skärm. Finjusteragenom att använda hjulet på joysticken.
  6. Flytta kameran framåt, bakåt och i sidled i XY-planet för att placera eleven i patienten inom cirklarna. Se till att eleven bildar en kontinuerlig cirkel. Genom att göra så, kommer irisen av patienten emellertid delas upp i två bitar.
  7. Använd "back trigger" på styrspaken för att växla från hornhinnan till näthinnan. I detta skede bör patienten observera grönt ljus. Be patienten att titta på grönt ljus.
  8. Fokusera kameran genom att rikta in de två linjerna som dyker upp när hjulet vid basen av joysticken slås. Vrid ratten tills de två linjerna bildar en kontinuerlig linje.
  9. Använd klartecken för att placera ögat i den optimala positionen för ett fotografi. Om det behövs, flytta ljuset med pilknapparna till höger om kameran. Placera det gröna ljuset på ett sätt som den optiska skivan centreras på kameraskärmen.
  10. Sök efter 2 vita fläckar som uppstått efter switching till näthinnan (i steg 2,7). För att hitta fläckarna, flytta enheten i XY-planet. Fläckarna syns som en suddig fläck. Flytta enheten framåt eller bakåt tills suddiga fläckar förvandlas till ljusa, vita fläckar. Den ljusare och rundare fläckarna är desto bättre kvalitet på bilden. Placera fläckarna tills båda är synliga. Använd den lilla ratten på styrspaken för att få fläckarna till mitten av kamerans display.
  11. Kontrollera att de två linjerna (från steg 2,8) bildar en kontinuerlig linje. Optiken skivan centreras på kameraskärmen och är flankerad av två ljusa, vita fläckar. Ta näthinnans fotografiet genom att avfyra på knappen ovanpå styrspaken.
  12. Spara bilden genom att trycka på "Studie Complete" knappen i det nedre högra hörnet av skärmen. Slutföra undersökningen sparar automatiskt bilderna i en karta och stänga studien.

3 Analys av retinal fotograferar

  1. Bestäm skalförhållande med measnder avståndet mellan centrum av macula (fovea) och centrum av den optiska skivan (blind fläck). Anatomiskt detta avstånd bestäms vara 4500 um eller 2,5 gånger diametern för den optiska skivan, med den sistnämnda är cirka 1800 um. Se till att avståndet mäts i pixlar. Beräkna skalförhållande genom att dividera 4500 av avståndet (i pixlar) mellan makula och blind fläck.
  2. Öppna retinal kärl analysprogram "Ivan".
    OBS: Programvaran skapas vid University of Wisconsin i Madison. Detaljerad information om användningen av IVAN tas från manualen.
  3. Fyll i skalförhållande och gå igenom konfigurationen.
  4. Kontrollera att tre gula ringar visas på näthinnan fotografiet. Skalan Kvoten bestämmer radien för den inre cirkeln och innesluter den optiska skivan. Verifiera att den mellersta punkten av innerringen är på mittpunkten av den optiska skivan. Om så inte är fallet, justeraplacering av cirkeln genom att använda piltangenterna. Radierna för de mellersta och yttre cirklar är 2x och 3x större än radien av den inre cirkeln, respektive. På detta sätt är zonerna A och B skapas på ett fast avstånd från den optiska skivan.
  5. Kontrollera att den bild på näthinnan har synnervspapillen i centrum av fotografiet. Det garanterar ett starkt fokus av bilden i zon B, och detta kommer att underlätta betygssättningen (Figur 4A).
  6. Observera att programvaran automatiskt känner blodkärlen och tilldelar dessa fartyg som venoler (Figur 4B).
  7. Skilj fartygen mellan arterioler och venoler baserade på fysiologiska skillnader. Arterioler kommer att anges i rött och venoler i blått (Figur 4C). Använd följande riktlinjer för att identifiera varje fartyg:
    1. Bestäm fartygets färg. Arterioler har en ljusare orange-röd färg med en stark central ljusreflektion. Venerna har mörkare purpur-Red färg med liten eller ingen central ljus reflex.
    2. Bestäm loppet av fartyget. Arterioler tenderar att vara rakare och jämnare i kontur; de är mer vanliga i både bana och disposition. Venoler är generellt mer slingrande och mer oregelbunden i kontur och diameter. Venoler är bredare i diameter vid skiv marginal än motsvarande arterioler.
    3. Identifiera fartyget genom att titta på notering av det föregående fartyget. I princip arteriolerna varvas med venoler. Därför, om en distinkt venule mäts, är mer sannolikt att vara en arteriole nästa fartyg.
    4. Definiera kryssmönster. Som en allmän regel, inte arterioler inte korsa arterioler och venoler korsar inte venoler. Om ett fartyg med okänd identitet korsar en venös filial inom eller distal till zon B, då det okända fartyget är en arteriole. Om den korsar en arteriolär filial inom eller distal till zon B, då är det en venule.
    5. Identifiera mindre grenar genom att spåra dem proximally till deras förgrening från ett moderkärlet, kan identiteten av vilken vara uppenbart från de första två riktlinjer. Använd vinklar mellan fartyg att skilja korsningar och förgreningar.
      OBSERVERA: Korsningar är ofta nästan vinkelrätt (90 °) eller, om de två fartygen är coursing parallellt, kan vinkeln av korsningen vara mycket grunt (mindre än 30 °). Avgreningar är vanligen något mindre än vinkelrätt (med vinkeln mellan de två grenarna från 30 ° till 45 °).
    6. Markera hela fartygets längd i betygszonen. Se till att standardavvikelsen för det valda fartyget inte överstiger värdet av 10. Mindre standardavvikelser indikerar en bra mätning.
  8. Använd programvara för att välja fartyg som inte valts av själva programvaran. Samma regler gäller för dessa fartyg som för fartygen automatiskt av programvaran.
  9. Bestäm Central retinal arteriell och Venular Equivalent (Craeoch CRVE) automatiskt IVAN.
  10. Beräkna Crae och CRVE från sina respektive förgrening dotter fartyg som använder reviderade formler av Parr och Hubbard 28.
    OBS: Förhållandet mellan stammar och grenar, med empiriskt härledda förgrenade koefficienter, ges i följande två formler för att approximera fartygs motsvarigheter. IVAN använder de sex största arterioler och venoler för beräkning Crae och CRVE. De formler tillämpas i en iterativ procedur för att para ihop de sex största arterioler (eller venoler) tills den centrala arteriolära (eller venular) fartyg motsvarande erhålls.
    Arterioler: Ekvation 1 (1)
    Venoler: Ekvation 2 (2)
    där w 1, v 2, och W är bredden av den smalare gren, den bredare gren, och den överordnade stammen, respektive.
    OBS: Antag that på en retinal fotograferar de sex största arterioler är 120, 110, 100, 90, 80 och 70 pm bred. Sätt 120 och 70 in i ekvation (1), såväl som 110 och 80, och 100 och 90. Efter den första iterationen det finns tre värden: 122,2, 120,0 och 118,4. Utför nästa iteration genom att para ihop 122,2 och 118,4, vilket gav 149,8. För över mitt nummer (120,0) till den slutliga iterationen. Pair 149,8 och 120,0 för erhållande 168,7 för Crae.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Reproducerbarhet av Crae och CRVE Bestämning

En panel av 61 personer mellan 22-56 år gammal och fri från kliniskt diagnostiserade kardiovaskulära sjukdomar rekryterades för att studera teknisk repeterbarhet och inom-rater variabilitet Central retinal arteriell Equivalent (Crae) och Central retinal Venular motsvarande (CRVE) bestämningar. Fundus av höger öga hos varje individ fotograferades två gånger inom en tidsperiod av 5 min med användning av en retinal kamera (fig 1 och 2). Denna procedur utfördes på fyra på varandra följande dagar, ungefär vid samma tid på dagen. Den genomsnittliga variationskoefficienterna ± standardavvikelse Crae och CRVE av bilder tagna i 5-minutersperiod var 1,76 ± 1,71 och 1,78 ± 1,51, respektive. Genomsnitt ± standardavvikelse för Crae och CRVE värdena var 151,31 ± 13,53 och 213,20 ± 18,44, respektive. Ingen signifikant difrenser observerades för Crae och CRVE värden erhållas på fyra på varandra följande dagar.

Crae och CRVE värden för höger öga beräknades till en Crae och CRVE värde per dag. Därefter var repeterbarhet mätningarna utvärderas med hjälp av den Intraclass Correlation Coefficient (ICC), en dimensionslös statistik begränsas av 0 och 1 som beskriver reproducerbarhet upprepade mätningar i en population. Mätningarna gjordes av en enda rater. Därför en enkelriktad slumpmässiga effekter modellen får uppskatta inom-rater variabilitet 29. ICC var 0.919 (95% CI: 0.883, 0.946) och 0.898 (95% CI: 0.854, 0.932) för Crae och CRVE, respektive. Dessa ICC värden är väl över tröskeln på 0,6, vilket anses vara kliniskt signifikant och uppskattningarna både faller inom den breda kategorin som "nästan perfekt" i tillförlitlighet 30.

Panel Study för att undersöka effekten av Particulate Air Pollution

Studien genomfördes mellan januari 2012 och maj 2012 och inkluderade 84 personer. Deltagarna var 22-63 år gamla och fria från kliniskt diagnostiserade kardiovaskulära sjukdomar före och under studieperioden. Ett fotografi av fundus för höger öga togs med hjälp av en retinal kamera på var och en av tre separata tentamensdagar. Läsaren hänvisas till papperet i Louwies och medarbetare för detaljerad information om hur uppgifterna luftförorening samlades in 24. Under studieperioden, omgivnings PM 10 och BC nivåerna var höga i Belgien på grund av västlig riktning atmosfärisk transport av förorenad luft från Östeuropa. Detta visualiseras i en tid förfaller video (kompletterande information). Luftföroreningskoncentrationer tilldelades till varje deltagare för 2, 4, och 6 h föregår retinal examen. Luftföroreningsnivåer beräknades på dagen för den kliniska besök från midnatt fram till tidpunkten för näthinnans exam. Luftföroreningar har också tilldelats för föregående dag och två dagar innan näthinnan tentamen. Dessa koncentrationer sammanfattas som: lag2h, lag4h, lag6h, trög 24h och släpa 2d. Föroreningsspecifik, var exponering-respons-analys med hjälp av blandade modeller utförs. Närmare uppgifter om dessa analyser finns i den ursprungliga publikationen 24. Det fanns ett omvänt samband mellan Crae och halter av luftföroreningar (mätt som PM 10 och BC koncentrationer) i tim och det dagliga exponeringsfönster innan den kliniska undersökningen. En minskning i Crae på 0,93 m (95% CI: -1,42, -0,45, p = 0,0003) observerades för varje 10-mikrogram / ​​m³ ökning genomsnitt PM 10 under 24 timmar före undersökningen (Figur 3). Kortare timme PM 10 exponeringsfönster och PM 10 koncentrationer som genomsnittet av de senaste 2 dagarna avslöjade också en signifikant minskning av Crae värdena. En minskning i Crae på 1,84 μm (95% CI: -3,18, -0,51, p = 0,008) konstaterades också för varje 1-mikrogram / ​​m³ ökning av BC 24 timmar före undersökningen. Inga ytterligare signifikanta samband observerades mellan Crae och andra beräknade BC exponeringsfönster. En minskning i CRVE på 0,86 m (95% CI: -1,42, -0,30, p = 0,004) observerades för varje 10-mikrogram / ​​m³ ökning av PM 10 i exponeringsfönstret 24 timmar innan retinala bilden togs. Kortare exponerings fönster avslöjade ytterligare signifikanta effekter (Figur 3). Ett negativt samband mellan CRVE och BC exponering under 24 timmar före undersökningen observerades. Däremot ville effekten inte når nivån för statistisk signifikans (-1.18 m; 95% CI: -3,11, 0,75, p = 0,23).

Figur 1
Figur 1 Retina bild och exempel på en retinal kamera. kommenterad retinal fundus bild av det högra ögat av en frisk frivillig (vänster) och en bild av en icke-mydriatisk digital retinal kamera (höger). Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 2
Figur 2 Skärmdump av IVAN programvara. Exempel på en bild som behandlas med IVAN programvaran. Mjukvaran identifierar vaskulaturen och beräknar diametrar. Operatören övervakar resultaten och identifierar artärer (visas i rött) och venoler (visas i blått). Crae och CRVE beräknas sedan automatiskt. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 3
Figur 3 associering mellan luftföroreningar och retinala kärl kalibrar. Beräknad förändring av medelvärdet Crae och CRVE (95% KI) i förening med ett 10-mikrogram / ​​m³ ökning av PM 10 (vänster) eller en 1-mikrogram / ​​m³ ökning av BC (höger) för olika exponering släpar. Data erhölls från en panel av 84 personer. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 4
Figur 4.904 / 51904fig4highres.jpg "target =" _blank "> Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Kompletterande video. Time lapse video av koncentrationer av luftföroreningar under panelstudie.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Retina bildanalys föreslås som ett praktiskt verktyg för att studera mikrovaskulära svar i epidemiologiska studier. När operatören är erfaren, det tar mindre än fem minuter för att ta en ögonbotten bild. Dessutom kan denna diskreta förfarande för visualisering mikrocirkulationen användas för deltagare från tidig ålder upp till hög ålder.

Litteratur ökar med avseende på samband mellan morfologiska förändringar i näthinnans kärl (till exempel förändringar i kärl kaliber, geometriskt mönster, etc.) och ändrings livsstil och miljö riskfaktorer 15,16. Experimentella och epidemiologiska arbeten visar att kortsiktiga och långtidsexponering luftföroreningar är starkt förknippad med kardiovaskulär morbiditet och mortalitet. Dock har en praktisk teknik såsom retinal ögonbottenfotografering använts mycket lite att studera mikrocirkulatoriska effekter som kan framkallas av luftföroreningar.

jove_content "> De olika steg som krävs för att få en hög kvalitet fundus bild förklaras i den här videon protokoll. Därefter metod ges för att erhålla arteriolär och venular mätningar kaliber, och mer specifikt den centrala näthinnan arteriolär Equivalent (Crae) och Central retinal Venular Equivalent (CRVE) 13,28. Resultaten av upprepade åtgärder analys visade att inom-rater resultat Crae och CRVE är mycket reproducerbar för bilder som tagits inom en tidsram på fyra dagar. Dessa resultat är i linje med de senaste observationerna som rapporterats av McCanna och kollegor. De senare författare rapporterade att Crae och CRVE värdena är stabila under en period av en månad. De rapporterade korrelationer för par av studiebesök på 0,9 och korrelationer minskade något med ökande längd på tidsintervallet 31.

Därefter visas den i en panelstudie med friska vuxna som retinal mikrocirkulation kan snabbt reagera på partikelföroreningar material luften. Mer specifikt är en minskning i Crae som avser en ökad kortvarig exponering för PM 10 och BC rapporterade 24. Förträngning av retinala arterioler är en proxy för att uppskatta risken för hjärt-kärlsjukdom och kardiovaskulär mortalitet 32-35. Det är tänkt att retinal mikrocirkulation kan användas för att sondera för kardiovaskulära effekter av luftföroreningar. I detta avseende, Adar och kollegor rapporterade för första gången om de kortsiktiga effekterna av luftföroreningar på den mänskliga näthinnan mikrovaskulaturen i en tvärsnittsanalys av MESA kohorten 21. De mikrovaskulära ändringar som rapporterats av Louwies et al. (2013) kompletterar de som finns av Adar et al. (2010). De sistnämnda författarna rapporterade en 0,4 um-minskning Crae (95% KI: -0,8, -0,04) per 9-mikrogram / ​​m³ ökning av genomsnittlig PM 2,5 föregående dag. Baserat på upprepade mätningar,. Louwies et al (2013) rapporterade en uppskattning av -1,2 m (95% CI: -1,61, -0,61) och det föreslås att den större effektstorlek kan bero på större variation i PM och BC exponeringskoncentrationerna i detta panelstudie 24.

Lunginflammation och låg kvalitet, systemisk inflammation har förknippats med exponering för luftföroreningar 36. Systemisk inflammation har också kopplats med endoteldysfunktion 37,38. Denna process kan påverka reaktiviteten av retinala blodkärl 39. Det antas att inflammatoriska reaktioner leda till förändrad endotel aktivitet, vilket kan återspeglas i förträngning av arteriolära kalibrar. Resultaten från panelstudie tyder på att detta skulle kunna ske inom en tidsram på mindre än 24 timmar på grund av exponering för PM 10 var omvänt förknippad med Crae under alla timme exponeringsfönster. Observationerna är i linje med den kända effekten av luft enkätmepannor på hälsan. Kortfristiga djurstudier med exponering för topp halter av luftföroreningar har visat att mikrovaskulaturen kan påverkas 40,41. Dessutom har humana interventionsstudier i kontrollerad miljö visat att endotelfunktion försämras vid exponering för dieselavgaser 42,43.

Sammanfattningsvis finns många utvecklings och anatomiska likheter mellan näthinnans blodkärl och mikrovaskulaturen av hjärtat, lungorna och hjärnan 10. Därför är den retinala blodkärlen anses en surrogatvävnad för systemisk mikrocirkulationen. En förändring i näthinnans blodkärl kan vara en värdefull prediktor för hjärt sjukdomsutveckling. Det bekväma och diskreta analys av retinal bilder anses nu vara användbart för populationsbaserade studier med fokus på hjärt-epidemiologi. Detta protokoll papper bör uppmuntra fler forskargrupper använda ögonbottenfotografering för att studera mikrovaskulär effekter av miljö och livsstilsfaktorer.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Författarna förklarar att de inte har några faktiska eller potentiella konkurrerande ekonomiska intressen.

Acknowledgments

Resultaten om mikrovaskulära svar på partikelluftföroreningar återges med tillstånd från Environmental Health Perspectives 24. De validerade meteorologiska och luftkvalitetsdata tillhandahölls vänligen av den belgiska kungliga meteorologiska institutet och flamländska miljöbyrån. Den retinala bildanalys programvara erhölls från Dr N. Ferrier (Madison JTH och Fundus fotograferar Reading Center, Ögonkliniken och Visual Sciences, University of Wisconsin-Madison). Tijs Louwies och Eline Provost stöds med VITO gemenskap. Eline Provost har en aspirant forskningsgemenskap i den flamländska Scientific fonden. Tim S. Nawrot är innehavare av ett europeiskt forskningsråd startbidrag.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Canon CR-2 nonmydriatic retinal camera  Hospithera (Brussels, Belgium) http://www.usa.canon.com/cusa/healthcare/products/eyecare/digital_non_mydriatic_retinal_cameras/cr_2. Any other retinal camera with comparable resolution and specifications can be used for the analysis of the retinal microvasculature. Compatibility should  be checked before starting a study.
IVAN: Vessel Measurement Software This software can be used without charge for scientific purpose. It can be obtained by contacting Dr. Nicola Ferrier (Madison School of Engineering and the Fundus Photograph Reading
Center, Department of Ophthalmology and Visual Sciences, University of Wisconsin–Madison). http://directory.engr.wisc.edu/me/faculty/ferrier_nicola. Phone: (608) 265-8793,
Fax: (608) 265-2316 or e-mail: ferrier@engr.wisc.edu
 

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Clough, G., Cracowski, J. L. Spotlight Issue: Microcirculation-From a Clinical Perspective. Microcirculation. 19, 1-4 (2012).
  2. Tsai, A. G., Johnson, P. C., Intaglietta, M. Oxygen gradients in the microcirculation. Physiological Reviews. 83, 933-963 (2003).
  3. Safar, M. E., Lacolley, P. Disturbance of macro- and microcirculation: relations with pulse pressure and cardiac organ damage. American Journal of Physiology-Heart and Circulatory Physiology. 293, (2007).
  4. Abramoff, M. D., Garvin, M. K., Sonka, M. Retinal imaging and image analysis. IEEE reviews in biomedical engineering. 3, 169-208 (2010).
  5. Tielsch, J. M., et al. A population-based evaluation of glaucoma screening-the Baltimore eye survey. American Journal of Epidemiology. 134, 1102-1110 (1991).
  6. Ciulla, T. A., Amador, A. G., Zinman, B. Diabetic retinopathy and diabetic macular edema - Pathophysiology, screening, and novel therapies. Diabetes Care. 26, 2653-2664 (2003).
  7. De Silva, D. A., et al. Associations of retinal microvascular signs and intracranial large artery disease. Stroke. 42, 812-814 (2011).
  8. Liew, G., et al. Differing associations of white matter lesions and lacunar infarction with retinal microvascular signs. International journal of stroke : official journal of the International Stroke Society. (2012).
  9. Cheung, C. Y., et al. Microvascular network alterations in the retina of patients with Alzheimer's disease. Alzheimer's & dementia : the journal of the Alzheimer's Association. 10, 135-142 (2014).
  10. Liew, G., Wang, J. J., Mitchell, P., Wong, T. Y. Retinal Vascular Imaging A New Tool in Microvascular Disease Research. Circulation-Cardiovascular Imaging. 1, 156-161 (2008).
  11. McGeechan, K., Liew, G., Wong, T. Y. Are retinal examinations useful in assessing cardiovascular risk. Am J Hypertens. 21, 847 (2008).
  12. McClintic, B. R., McClintic, J. I., Bisognano, J. D., Block, R. C. The relationship between retinal microvascular abnormalities and coronary heart disease: a review. The American Journal of Medicine. 123, (2010).
  13. Hubbard, L. D., et al. Methods for evaluation of retinal microvascular abnormalities associated with hypertension/sclerosis in the atherosclerosis risk in communities study. Ophthalmology. 106, 2269-2280 (1999).
  14. Niemeijer, M., van Ginneken, B., Russell, S. R., Suttorp-Schulten, M. S. A., Abramoff, M. D. Automated detection and differentiation of drusen, exudates, and cotton-wool spots in digital color fundus photographs for diabetic retinopathy diagnosis. Investigative ophthalmology & visual science. 48, 2260-2267 (2007).
  15. Serre, K., Sasongko, M. B. Modifiable Lifestyle and Environmental Risk Factors Affecting the Retinal Microcirculation. Microcirculation. 19, 29-36 (2012).
  16. Sun, C., Wang, J. J., Mackey, D. A., Wong, T. Y. Retinal Vascular Caliber: Systemic, Environmental, and Genetic Associations. Survey of Ophthalmology. 54, 74-95 (2009).
  17. Nawrot, T. S., et al. Stronger associations between daily mortality and fine particulate air pollution in summer than in winter: evidence from a heavily polluted region in western Europe. Journal of Epidemiology and Community Health. 61, 146-149 (2007).
  18. Zanobetti, A., et al. The temporal pattern of respiratory and heart disease mortality in response to air pollution. Environmental Health Perspectives. 111, 1188-1193 (2003).
  19. Brook, R. D., et al. Particulate Matter Air Pollution and Cardiovascular Disease An Update to the Scientific Statement From the American Heart Association. Circulation. 121, 2331-2378 (2010).
  20. Nawrot, T. S., Perez, L., Kunzli, N., Munters, E., Nemery, B. Public health importance of triggers of myocardial infarction: a comparative risk assessment. Lancet. 377, 732-740 (2011).
  21. Adar, S. D., et al. Air Pollution and the Microvasculature: A Cross-Sectional Assessment of In Vivo Retinal Images in the Population-Based Multi-Ethnic Study of Atherosclerosis. Plos Medicine. Plos Medicine, M. E. S. A. ). 7, (2010).
  22. Klein, R., Klein, B. E., Knudtson, M. D., Wong, T. Y., Tsai, M. Y. Are inflammatory factors related to retinal vessel caliber? The Beaver Dam Eye Study. Archives of ophthalmology. 124, 87-94 (2006).
  23. Harris, B., et al. The association of systemic microvascular changes with lung function and lung density: a cross-sectional study. PloS one. 7, (2012).
  24. Louwies, T., Panis, L. I., Kicinski, M., De Boever, P., Nawrot, T. S. Retinal Microvascular Responses to Short-Term Changes in Particulate Air Pollution in Healthy Adults. Environmental Health Perspectives. 121, 1011-1016 (2013).
  25. Barrett, J. R. Particulate Matter and Cardiovascular Disease Researchers Turn an Eye toward Microvascular Changes. Environmental Health Perspectives. 121, (2013).
  26. Gopinath, B., et al. Is quality of diet associated with the microvasculature? An analysis of diet quality and retinal vascular calibre in older adults. The British journal of nutrition. 110, 739-746 (2013).
  27. Kandasamy, Y., Smith, R., Wright, I. M. Relationship between the retinal microvasculature and renal volume in low-birth-weight babies. American journal of perinatology. 30, 477-481 (2013).
  28. Knudtson, M. D., et al. Revised formulas for summarizing retinal vessel diameters. Current Eye Research. 27, 143-149 (2003).
  29. Shrout, P. E., Fleiss, J. L. Intraclass correlations: uses in assessing rater reliability. Psychological bulletin. 86, 420-428 (1979).
  30. Landis, J. R., Koch, G. G. The measurement of observer agreement for categorical data. Biometrics. 33, 159-174 (1977).
  31. McCanna, C. D., et al. Variability of measurement of retinal vessel diameters. Ophthalmic epidemiology. 20, 392-401 (2013).
  32. Cheung, N., et al. Arterial compliance and retinal vascular caliber in cerebrovascular disease. Annals of Neurology. 62, 618-624 (2007).
  33. Wong, T. Y., et al. Retinal microvascular abnormalities and incident stroke: the atherosclerosis risk in communities study. Lancet. 358, 1134-1140 (2001).
  34. Wong, T. Y., et al. Retinal arteriolar narrowing and risk of coronary heart disease in men and women - The atherosclerosis risk in communities study. Jama-Journal of the American Medical Association. 287, 1153-1159 (2002).
  35. Wong, T. Y., et al. The prevalence and risk factors of retinal microvascular abnormalities in older persons - The cardiovascular health study. Ophthalmology. 110, 658-666 (2003).
  36. Hoffmann, B., et al. Chronic Residential Exposure to Particulate Matter Air Pollution and Systemic Inflammatory Markers. Environmental Health Perspectives. 117, 1302-1308 (2009).
  37. Hingorani, A. D., et al. Acute systemic inflammation impairs endothelium-dependent dilatation in humans. Circulation. 102, 994-999 (2000).
  38. Huang, A. L., Vita, J. A. Effects of systemic inflammation on endothelium-dependent vasodilation. Trends in Cardiovascular Medicine. 16, 15-20 (2006).
  39. Nguyen, T. T., et al. Flicker light-induced retinal vasodilation in diabetes and diabetic retinopathy. Diabetes Care. 32, 2075-2080 (2009).
  40. Nurkiewicz, T. R., Porter, D. W., Barger, M., Castranova, V., Boegehold, M. A. Particulate matter exposure impairs systemic microvascular endothelium-dependent dilation. Environmental Health Perspectives. 112, 1299-1306 (2004).
  41. Nurkiewicz, T. R., et al. Systemic microvascular dysfunction and inflammation after pulmonary particulate matter exposure. Environmental Health Perspectives. 114, 412-419 (2006).
  42. Barath, S., et al. Impaired vascular function after exposure to diesel exhaust generated at urban transient running conditions. Particle and Fibre Toxicology. 7, (2010).
  43. Tornqvist, H., et al. Persistent endothelial dysfunction in humans after diesel exhaust inhalation. American Journal of Respiratory and Critical Care Medicine. 176, 395-400 (2007).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Usage Statistics