تقييم الهيكل العالمي للرّيّة بعد الرحلات الفضائية باستخدام طريقة التصوير المقطعي المحوسبة الدقيقة (الدقيقة CT)
Summary
نقدم بروتوكولًا باستخدام التصوير المقطعي المحوسب الدقيق عالي الدقة لتحديد ما إذا كانت الرحلات الفضائية تسبب تلفًا على هياكل العين. يُظهر البروتوكول القياس المشتق من التصوير المقطعي المحوسب الصغير للهياكل البصرية للقارض السابقة. نبرهن على القدرة على تقييم التغيرات المورفولوجية البصرية بعد الرحلات الفضائية باستخدام تقنية tridimensional غير مدمرة لتقييم تلف العين.
Abstract
وتبين التقارير أن التعرض الطويل الأمد لبيئة الرحلات الفضائية يحدث تغيرات في العيون في الفضاء أثناء وبعد بعثة محطة الفضاء الدولية. غير أن الآليات الأساسية لهذه التغيرات التي تُستحثها الرحلات الفضائية غير معروفة حاليا. وكان الغرض من هذه الدراسة هو تحديد أثر بيئة الرحلات الفضائية على هياكل العين عن طريق تقييم سمك شبكية العين الماوس، وظهارة صبغ الشبكية (RPE)، وطبقة المشيمية، وطبقة الصريبة باستخدام التصوير المقطعي المجهري. تم إيواء الفئران الذكور C57BL/6 البالغة من العمر عشرة أسابيع على متن جهاز ISS في مهمة تستغرق 35 يومًا ثم عادت إلى الأرض حية لتحليل الأنسجة. وللمقارنة، فإن فئران التحكم الأرضي على الأرض تُحفظ في ظروف وعتاد بيئيين متماثلين. تم جمع عينات من الأنسجة العينية لتحليل الأشعة المقطعية الدقيقة في غضون 38 (±4) بعد ساعات من splashdown. تم تسجيل صور المقطع العرضي للشبكية ، RPE ، المشيمية ، وطبقة الصُلب من العين الثابتة في منظر محوري و برجي باستخدام طريقة اقتناء التصوير المقطعي الصغرى. وأظهر التحليل المجهري المقطعي المحوسب أن المناطق المقطعية في شبكية العين، وRPE، وسمك طبقة المشيمية قد تغيرت في عينات الرحلات الفضائية مقارنة بائحته، حيث أظهرت عينات الرحلات الفضائية أجزاء عرضية وطبقات أرق بكثير مقارنة بالضوابط. وتشير النتائج التي توصلت إليها هذه الدراسة إلى أن التقييم المقطعي المجهري هو طريقة حساسة وموثوق بها لتوصيف تغيرات بنية العين. ومن المتوقع أن تحسن هذه النتائج فهم أثر الإجهاد البيئي على هياكل العين العالمية.
Introduction
في بيئة الجاذبية الصغرى لرحلات الفضاء، قد يكون الضغط داخل الجمجمة (ICP) الناجم عن تحول السوائل قد ساهم في متلازمة العين العصبي المرتبطة بالرحلات الفضائية (SANS)1،2،3،4،5. في الواقع، أكثر من 40٪ من رواد الفضاء قد شهدت سانس أثناء وبعد محطة الفضاء الدولية (محطة الفضاء) بعثة6، بما في ذلك موضوع الرحلات الفضائية من دراسة التوائم ناسا7. يشمل علم الفيزيولوجيا المرضية الحالي لـ SANS التغيرات الفسيولوجية مثل وذمة القرص البصري ، وتسطيح الكرة الأرضية ، والطيات المشيمية والشبكية ، وتحولات الخطأ الانكساري المفرط ، وطبقات الألياف العصبية (أي بقع الصوف القطني) وهي موثقة جيدًا5،8. غير أن الآليات الأساسية للتغييرات والعوامل التي تسهم في تطور الضرر غير واضحة. 11- ومن أجل الحصول على فهم أفضل لـ “SANS”، تتوافر نماذج حيوانية لتصفيف التغيرات المرتبطة بتحليقات الفضاء في بنية الشبكية ووظيفته.
في تحقيق سابق على نفس الحيوانات، أبلغنا عن تأثير 35 يوما من الرحلات الفضائية على شبكية العين الماوس. النتائج توضح أن الرحلات الفضائية تسبب ضررا كبيرا في شبكية العين وشبكية الأوعية الدموية، وبعض البروتينات / المسارات المرتبطة بموت الخلايا والالتهاب والإجهاد الأيضي قد تغيرت بشكل كبير بعد رحلة الفضاء9.
حاليا، هناك مجموعة متنوعة من تقنيات التصوير غير الباضع التي أنشئت لرصد تطور المرض وتطوره، فضلا عن الاستجابات الفسيولوجية لمختلف الضغوطات البيئية، والتي تستخدم أيضا على نطاق واسع في نماذج القوارض الصغيرة. واحدة من هذه التقنيات هي الدقيقة CT، الذي يقيم الهياكل التشريحية والعمليات المرضية، وقد استخدمت بنجاح على الكائنات الحية الصغيرة مثل الفئران10.
يمكن أن تحقق الأشعة المقطعية الدقيقة دقة صغيرة الحجم ، ويمكن أن توفر تباينًا كبيرًا للتحليل الحجمي للأنسجة الرخوة مع إضافة عامل التباين المناسب10،11،12،13،14. تكنولوجيا التصوير المقطعي المجهري مفيدة مقارنة بالطرق التقليدية مثل التشريح الإجمالي، والمجهر الخفيف، وفحص الأنسجة، حيث أنها تقلل من الأضرار المادية للملامح الهندسية للعينات ولا تغير العلاقة المكانية بين الهياكل. وبالإضافة إلى ذلك، يمكن إعادة بناء ثلاثي الأبعاد (3D) نماذج من الهياكل من الصور الدقيقة CT12،14. 11- وحتى الآن، وعلى الرغم من وجود أدلة تثبت ضعف الرؤية بعد التعرض للبيئة الفضائية، لا تتوافر سوى بيانات قليلة في النماذج الحيوانية من أجل فهم أفضل للتغيرات المرتبطة بالرحلات الفضائية في بنية الشبكية ووظيفته. وفي الدراسة الحالية، نُقلت الفئران جوا في مهمة استغرقت 35 يوما على متن محطة الفضاء الدولية لتحديد أثر بيئة الرحلات الفضائية على هياكل الأنسجة العينية عن طريق قياس البنية المجهرية لشبكية العين، وRPE، والطبقات المشيمية باستخدام الأشعة المقطعية الدقيقة.
Protocol
Representative Results
Discussion
وأظهرت نتائج هذه الدراسة أن هناك تغييرات هيكلية في العين الماوس الرحلات الفضائية باستخدام تقنية التصوير المقطعي المجهري بالمقارنة مع مجموعات GC، وخاصة من شبكية العين، وRPE، والطبقات المشيمية للعين، كما يتضح من انخفاض سماكتها. يوفر التصوير المقطعي الدقيق تقنية فعالة وغير مدمرة لتوصيف التغييرات دون الحاجة إلى التلاعب. وقد عزز استخدام تلطيخ PMA جودة صور التصوير المقطعي المجهري للحصول بنجاح على صور ملونة ثلاثية الأبعاد بعد إعادة البناء، مما تخلى عن أي حاجة إلى تغيير بنية العينة فعليًا. ومن المزايا الإضافية لهذه الصور أنها تعرض المنطقة محل الاهتمام الرقمي بأكملها، مما يزيد من إمكانية الوصول إلى النتائج وإمكانية استنساخها. من خلال الصور المقطعية الدقيقة التي تم إنتاجها خلال هذه الدراسة ، أظهرت العينة المستهدفة تمايزًا بين الهياكل المتعددة مثل شبكية العين ، وRPE ، وR choroid ، و layersclera لتحديد سمك كل طبقة.
خطوة حاسمة ضمن البروتوكول هو التلاعب من العينات بسبب حجمها والملمس. التعامل مع العينة يجب أن يتم بعناية دون الضغط على العينة أثناء إعداد. وللصورة الدقيقة لل CT بعض القيود: الدقة وعدم وجود قيم موحدة للبارامترات. أثناء المسح الضوئي، قد يكون لدى الماسحات الضوئية المقطعية الدقيقة المختلفة خوارزميات متنوعة لمعالجة الصور؛ ومع ذلك قد يتم متابعة معايرة للتدرج الرمادي للتغلب على أي مشكلة. بعد المسح، ينبغي أن يكون بناء الصور على أساس الأنسجة والتحليل الذي سيتم القيام به. يمكن أن يكون حاسما منذ جودة الصورة يعتمد على نظام الوروموغرافية، والإعدادات، وحجم العينة، فضلا عن أساليب إعداد16،17.
نظراً لتطبيقها الناجح في دراسة عدة أنواع من الأنسجة الطبيعية وعلم الأمراض، وينبغي استخدام قدرات التصوير التصوير المقطعي الصغرى في البحوث المستقبلية لتجميع البيانات الحجمية لتحليلات أخرى. وهكذا، واستنادا إلى الغرض من هذه الدراسة، كان من المقبول استخدام قياسات ثنائية الأبعاد، ولكن تقسيم الهيكل الثلاثي الأبعاد الإجمالي يمكن أن يكون مفيدا أيضا لتوفير مخطط دقيق للعينة بأكملها. حتى مع كل مزايا تقنية غير مدمرة، فإن التصوير المقطعي المجهري لن يحل محل طرق أخرى مثل الكيمياء المناعية، ولكنه سيكمل ويسمح بتحليلات الأنسجة اللاحقة إذا رغبت في ذلك.
وتُنتج حالة الرحلات الفضائية المطولة سلسلة من التغييرات العينية الهيكلية والوظيفية في رواد الفضاء أثناء وبعد البعثة الفضائية التي تعرف بأنها “سانس”. وتشمل النتائج التحولات هيتوبيك، وتسطيح الكرة الأرضية، وطيات المشيمية / شبكية العين، والبقع القطنيةالصوف 19. على النقيض من التصوير المقطعي للترابط البصري لرواد الفضاء (أكتوبر) تم توثيق اكتشاف طبقة الألياف العصبية الشبكية سماكة ، ترقق الشبكية وطبقة المشيمية في هذه الدراسة الدقيقة المقطعية الحيوانية. وكانت هذه النتائج غير متوقعة. وقد يكون هذا التباين راجعاً إلى عوامل مربكة. الفئران لديها تحول سائل سيفلادود محدودة بالمقارنة مع الإنسان. وقد يكون هذا النقص في تحول السوائل قد أثار استجابات مختلفة لتغيرات الجاذبية. ثانيا، تم تشريح الفئران في غضون 38 ساعة بعد سبلاش، واستجابة حادة لإعادة التكيف قد تسهم أيضا في التغيرات المورفولوجية في شبكية العين والمشيمية. ويتطلب تأكيد هذه الإمكانية إجراء مزيد من القياسات أثناء الرحلات الفضائية وبعد انتهاء المهمة.
وتشير نتائج هذه الدراسة إلى أن ظروف الرحلات الفضائية، ولا سيما التغيرات الجاذبية، قد تُحدث استجابة حادة وقصيرة الأجل في العين. ويلزم إجراء مزيد من التحريات لتحديد عواقب التغيرات الحادة على العين على وظيفة الشبكية وآلية التغيرات في الهيكل المستحث بالتحليق الفضائي.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
وقد دعمت هذه الدراسة من قبل ناسا منحة البيولوجيا الفضائية # NNX15AB41G LLU قسم العلوم الأساسية. ساهم سونغشين تشوي ودنيس ليفيسون وريبيكا كلوتز بشكل كبير في نجاح دراستنا لرحلات الفضاء ونحن نقدر دعمهم الكبير. كما يود المؤلفون أن يشكروا مجموعة برنامج مشاركة التخصصات البيولوجية التي جمعتها ناسا على مساعدتهم الكبيرة.
كما يود المؤلفون أن يشكروا مركز أبحاث طب الأسنان لخدمة التصوير المقطعي الدقيق.
Materials
| 10 wt. % phosphomolybdic | Sigma | 12026-57-2 | |
| Ethanol absolute by Baker Analyzed | VWR | 80252500 | |
| Phosphate Buffered Saline (PBS) | Merck | L1825 | |
| X-ray micro-CT system SkyScan 1272 scanner | Bruker |
References
- Dawson, L. The New Space Race. The Politics and Perils of Space Exploration. , 1-24 (2017).
- Mao, X. W., et al. Spaceflight environment induces mitochondrial oxidative damage in ocular tissue. Radiation Research. 180, 340-350 (2013).
- Overbey, E. G., et al. Mice Exposed to Combined Chronic Low-Dose Irradiation and Modeled Microgravity Develop Long-Term Neurological Sequelae. International Journal of Molecular Sciences. 20 (17), 4094 (2019).
- Nelson, E. S., Mulugeta, L., Myers, J. G. Microgravity-induced fluid shift and ophthalmic changes. Life. 4, 621-665 (2014).
- Lee, A. G., Mader, T. H., Robert Gibson, C., Brunstetter, T. J., Tarver, W. J. Space flight-associated neuro-ocular syndrome (SANS). Eye. 32, 1164-1167 (2018).
- Stenger, M. B., et al. . Evidence Report: Risk of Spaceflight Associated Neuro-ocular Syndrome (SANS). , (2017).
- Garrett-Bakelman, F. E., et al. The NASA Twins Study: A multidimensional analysis of a year-long human spaceflight. Science. 364, (2019).
- Mader, T. H., et al. Optic disc edema, globe flattening, choroidal folds, and hyperopic shifts observed in astronauts after long duration space flight. Ophthalmology. 118, 2058-2069 (2011).
- Mao, X. W., et al. Characterization of mouse ocular response to a 35-day spaceflight mission: Evidence of blood-retinal barrier disruption and ocular adaptations. Science Reports. 9 (1), 8215 (2019).
- Metscher, B. D. MicroCT for developmental biology: a versatile tool for high-contrast 3D imaging at histological resolutions. Developmental Dynamics. , 632-640 (2009).
- Silva, J. M. S., et al. Three-dimensional non-destructive soft-tissue visualization with X-ray staining micro-tomography. Science Reports. 5, 14088 (2015).
- Descamps, E., et al. Soft tissue discrimination with contrast agents using micro-CT scanning. Belgian Journal of Zoology. , 20-40 (2014).
- Wu, J., Yin, N. Anatomy research of nasolabial muscle structure in fetus with cleft lip: an iodine staining technique based on microcomputed tomography. Journal of Craniofacial Surgery. 25 (3), 1056-1061 (2014).
- Roque-Torres, G. D. . Application of Micro-CT in Soft Tissue Specimen Imaging. In: Orhan K. (eds) Micro-computed Tomography (micro-CT) in Medicine and Engineering. , 139-170 (2020).
- Overbey, E. G., et al. Spaceflight influences gene expression, photoreceptor integrity, and oxidative stress-related damage in the murine retina. Science Reports. 9 (1), 13304 (2019).
- Elkhoury, J. E., Shankar, R., Ramakrishnan, T. S. Resolution and Limitations of X-Ray Micro-CT with Applications to Sandstones and Limestones. Transport in Porous Media. 129, 413-425 (2019).
- Sombke, A., Lipke, E., Michalik, P., Uhl, G., Harzsch, S. Potential and limitations of X-Ray micro-computed tomography in arthropod neuroanatomy: A methodological and comparative survey. Journal of Comparative Neurology. 523 (8), 1281-1295 (2015).
- Huang, A. S., Stenger, M. B., Macias, B. R. Gravitational Influence on Intraocular Pressure: Implications for Spaceflight and Disease. Journal of Glaucoma. 28 (8), 756-764 (2019).
- Lee, A. G., et al. Spaceflight associated neuro-ocular syndrome (SANS) and the neuro-ophthalmologic effects of microgravity: a review and an update. NPJ Microgravity. 6, 7 (2020).
