Neuartige photoakustische Mikroskopie und optische Kohärenztomographie Dual-Modalität chorioretinalen Bildgebung in lebenden Kaninchen Augen
Summary
Dieses Manuskript beschreibt der Roman Aufbau und Arbeitsweise einer photoakustischen Mikroskopie und optische Kohärenz Tomographie Dual-Modalität System für die nicht-invasive, markierungsfreie chorioretinalen Bildgebung von größeren Tieren wie Kaninchen.
Abstract
Photoakustische okuläre Bildgebung ist eine aufstrebende ophthalmic imaging-Technologie, die nicht-invasiv okuläre Gewebe durch die Umwandlung von Lichtenergie in Schallwellen visualisieren kann und wird derzeit intensiv untersucht. Allerdings berichteten die meisten Arbeiten bis heute auf die Bildgebung des posterioren Segments der Augen von Kleintieren, wie Ratten und Mäuse, ausgerichtet ist, die Herausforderungen für klinische menschliche Übersetzung durch kleine Augapfel Größen darstellt. Dieses Manuskript beschreibt einen neuartigen Photoakustischen Mikroskopie (PAM) und optische Kohärenz Tomographie (OCT) Dual-Modalität System für die hinteren Segment Bildgebung der Augen von größeren Tieren wie Kaninchen. Die Systemkonfiguration, System Ausrichtung, tierische Vorbereitung und Dual-Modalität experimentelle Protokolle für in Vivo, nicht-invasive, markierungsfreie chorioretinalen Bildgebung bei Kaninchen sind detailliert. Die Wirksamkeit der Methode wird durch repräsentative experimentelle Ergebnisse, einschließlich der Netzhaut und Aderhaut Gefäßsystem erzielten die PAM und OCT demonstriert. Diese Handschrift enthält einen praktischen Leitfaden für die Reproduktion der bildgebenden Ergebnisse bei Kaninchen und photoakustische okuläre Bildgebung bei größeren Tieren.
Introduction
Den letzten Jahrzehnten haben die explosive Entwicklung auf dem Gebiet der biomedizinischen photoakustische Bildgebung1,2,3,4,5,6,7 erlebt. ,8. Basierend auf der Energieumwandlung von Licht in Ton, die aufstrebenden photoakustische Bildgebung visualisieren biologische Proben in Maßstäben von Organellen, Zellen, Gewebe, Organe, kleinen Tier Ganzkörper und können offenbaren seine anatomische, funktionelle, molekulare, genetische, und metabolische Informationen1,2,9,10,11,12. Photoakustische Bildgebung hat in einer Reihe von biomedizinischen Bereichen Zelle Biologie13,14, vaskuläre Biologie15,16, Neurologie17,18 einzigartige Anwendungen gefunden. , Onkologie19,20,21,22, Dermatologie23, Pharmakologie24und Hämatologie25,26. Seine Anwendung in der Augenheilkunde, d. h. photoakustische okuläre imaging, hat erhebliche Interessen von Wissenschaftlern und Klinikern angezogen und wird derzeit aktiv untersucht.
Im Gegensatz zu routinemäßig okuläre bildgebender Technologien27, wie Fluorescein-Angiographie (FA) und Indocyanine green Angiographie (ICGA) (basierend auf Fluoreszenz Kontrast), Optische Kohärenztomografie (OCT) (basierend auf optischen Streuung Kontrast) , und seine Derivate OCT-Angiographie (basierend auf Bewegung Kontrast der roten Blutkörperchen), photoakustische Okular imaging Anwendungen optische Absorption als Kontrast-Mechanismus. Dies unterscheidet sich von herkömmlichen okuläre imaging-Technologien und bietet ein einzigartiges Werkzeug für das Studium der optischen Absorptionseigenschaften des Auges, die in der Regel von den pathophysiologischen Status der okulären Gewebe28zugeordnet sind. Heute, bedeutende erfolgte ausgezeichnete Arbeit in photoakustische okuläre imaging29,30,31,32,33,34,35, 36,37, aber diese Studien konzentrieren sich auf die hinteren Segment der Augen von Kleintieren, wie Ratten und Mäuse. Die bahnbrechenden Studien zeigen auch die Machbarkeit der photoakustische Bildgebung in der Augenheilkunde, aber gibt es noch ein langer Weg in Richtung klinische Übersetzung der Technologie seit Augapfel Größen von Ratten und Mäusen zu gehen sind viel kleiner (weniger als ein Drittel) als die des Menschen. Aufgrund der Ausbreitung der Ultraschallwellen eine deutlich größere Entfernungen kann Intensität und Bild Signalqualität stark leiden, wenn die Technik verwendet wird, für die Belichtung der posterioren Segments der größere Augen.
Auf dieses Ziel wir vor kurzem berichteten die nicht-invasive, markierungsfreie chorioretinalen Bildgebung bei lebenden Kaninchen mit integrierter photoakustische Mikroskopie (PAM) und spectral-Domain OCT (SD-OCT)38. Das System hat eine ausgezeichnete Leistung und konnte der Netzhaut und Aderhaut der Augen von größeren Tieren basierend auf endogene Absorption und Streuung Kontrast des okulären Gewebes zu visualisieren. Vorläufige Ergebnisse bei Kaninchen zeigen, dass PAM nicht-invasiv individuelle Netzhaut und Aderhaut Blutgefäße mit einem Laser Belichtungsdosis unterscheiden könnte (~ 80 nJ) deutlich unterhalb der American National Standards Institute (ANSI) Sicherheit (160 nJ) bei 570 nm-39; und das Office-Anpassungstool konnte eindeutig aufgelöst werden verschiedene Schichten der Netzhaut, der Aderhaut und der Sklera. Es ist die erste Demonstration der posterioren Segment Bildgebung von größeren Tieren mit PAM und möglicherweise einen wichtigen Schritt zur klinischen Übersetzung der man bedenkt, dass die Augapfel Größe der Kaninchen (18,1 mm)40 fast 80 % der axialen Länge der Technologie Menschen (23,9 mm).
In dieser Arbeit, wir bieten eine detaillierte Beschreibung des Dual-Modalität-imaging-System und experimentelle Protokolle verwendet für die nicht-invasive, markierungsfreie chorioretinalen Bildgebung bei lebenden Kaninchen und demonstrieren die Systemleistung durch repräsentative Retinal und Aderhaut bildgebenden Ergebnisse.
Protocol
Representative Results
Discussion
Eine intakte und regelmäßige Tränenfilm ist essentiell für qualitativ hochwertige Fundus Bilder. Eine unregelmäßige und verschlechterten zerreißen Filme können Bild Qualität42erheblich beeinträchtigen. Um die Integrität des Tränenfilms und Hornhaut oberflächlich punctata Keratopathie zu vermeiden, ist es wichtig, die Hornhaut mit Augenwischerei sehr häufig, etwa alle zwei Minuten zu schmieren. Gibt es irgendwelche Bedenken bezüglich der Deckkraft des Auges, verwenden eine Spaltlampe…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Diese Arbeit wurde unterstützt durch die großzügige Unterstützung des National Eye Institute 4K12EY022299 (YMP), Kampf für Sight-International Retinal Research Foundation FFS GIA16002 (YMP), uneingeschränkte Abteilungs Unterstützung aus der Forschung zur Erblindung zu verhindern, und die University of Michigan Department für Augenheilkunde und Visual Sciences. Diese Arbeit das Core Center für die Vision von P30 EY007003 vom National Eye Institute finanzierten Forschung genutzt.
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 |
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