Mikro Bilgisayarlı Tomografi (Mikro-BT) Görüntüleme Yöntemi Ile Uzay Uçuşu Sonrası Küresel Oküler Yapının Değerlendirilmesi
Summary
Uzay uçuşunun oküler yapılarda hasara yol açıp açmadığını belirlemek için yüksek çözünürlüklü mikro bilgisayarlı tomografi görüntülemeyi kullanan bir protokol sayılmaktadır. Protokol ex vivo kemirgen oküler yapıların mikro-CT kaynaklı ölçüm gösterir. Oküler hasarı değerlendirmek için tahribatsız üç boyutlu bir teknik kullanarak uzay uçuşundan sonraki oküler morfolojik değişiklikleri değerlendirme yeteneğini gösteriyoruz.
Abstract
Raporlar, bir uzay uçuşu ortamına uzun süre maruz kalmanın, Uluslararası Uzay İstasyonu (ISS) görevi sırasında ve sonrasında astronotlarda morfolojik ve fonksiyonel oftalmik değişikliklere yol açarak ortaya çıkan raporlar olduğunu göstermektedir. Ancak, bu uzay uçuşu kaynaklı değişikliklerin altında yatan mekanizmalar şu anda bilinmemektedir. Bu çalışmanın amacı, mikro-BT görüntüleme kullanılarak fare retinası, retina pigment epiteli (RPE), koroid ve sklera tabakasının kalınlığını değerlendirerek uzay uçuşu ortamının oküler yapılar üzerindeki etkisini belirlemekti. 10 haftalık C57BL/6 erkek fareler 35 günlük bir görev için UUİ’de bulundu ve doku analizi için canlı olarak Dünya’ya döndü. Karşılaştırma için, dünya üzerindeki yer kontrol (GC) fareler aynı çevre koşulları ve donanım muhafaza edildi. Oküler doku örnekleri, sıçramadan sonraki 38(±4) saat içinde mikro-BT analizi için toplandı. Retinanın kesitinin görüntüleri, RPE, koroid ve sabit gözün sklera tabakası mikro-CT görüntüleme alma yöntemi kullanılarak eksenel ve sagital görünümde kaydedildi. Mikro-BT analizi, uzay uçuşu örneklerinde retina, RPE ve koroid tabaka kalınlığının kesit alanlarının GC’ye göre değiştirilmelerini, uzay uçuşu örneklerinin kontrollere göre önemli ölçüde daha ince kesitler ve katmanlar gösterdiğini göstermiştir. Bu çalışmadan elde edilen bulgular, mikro-BT değerlendirmesinin oküler yapı değişikliklerini karakterize etmek için hassas ve güvenilir bir yöntem olduğunu göstermektedir. Bu sonuçların çevresel stresin küresel oküler yapılar üzerindeki etkisinin anlaşılmasını iyileştirmesi beklenmektedir.
Introduction
Uzay uçuşunun mikroyerçekimi ortamında, sıvı kaymasının neden olduğu artmış intrakranial basınç (ICP) uzay uçuşuyla ilişkili nöro-oküler sendrom (SANS)1,,2,,3,4,5’ekatkıda bulunmuş olabilir. Nitekim, astronotların% 40 üzerinde sırasında ve uluslararası bir Uzay İstasyonu (ISS) misyonu6sonra SANS deneyimli, NASA TwinsStudy7 uzay uçuşu konu da dahil olmak üzere . SANS mevcut patofizyolojisi optik disk ödemi gibi fizyolojik değişiklikler içerir, küre düzleştirici, koroidal ve retina kıvrımları, hiperopik kırılma hata kaymaları, ve sinir lifi tabakası infarktları (yani, pamuk yün lekeleri) ve iyi belgelenmiştir5,8. Ancak, değişikliklerin ve hasarın gelişmesine katkıda bulunan faktörlerin altında yatan mekanizmalar belirsizdir. SANS’i daha iyi anlamak için, retinal yapı ve fonksiyondaki uzay uçuşuyla ilişkili değişiklikleri karakterize etmek için hayvan modelleri mevcuttur.
Aynı hayvanlar üzerinde yapılan bir önceki araştırmada, 35 günlük uzay uçuşunun fare retinası üzerindeki etkisini rapor ettik. Sonuçlar, uzay uçuşunun retina ve retina lösi damarlarında önemli hasara yol açtığıve hücre ölümü, inflamasyon ve metabolik stresle ilişkili bazı proteinlerin/yolların uzay uçuşu sonrasında önemli ölçüde değiştiğini açıklığakavuşturur.
Şu anda, hastalık gelişimi ve ilerlemesini izlemek için kurulmuş noninvaziv görüntüleme teknikleri çeşitli yanı sıra çeşitli çevresel stres, aynı zamanda yaygın olarak küçük kemirgen modellerinde kullanılan fizyolojik tepkiler vardır. Bu tekniklerden biri, anatomik yapıları ve patolojik süreçleri değerlendiren ve fareler10kadar küçük organizmalar üzerinde başarıyla kullanılan mikro-BT’dir.
Mikro-BT mikroboyutlu bir çözünürlük elde edebilirsiniz, ve uygun kontrast madde 10 eklenmesi ile yumuşak dokuların hacimsel analizi için yüksek kontrast sağlayabilir10,11,12,13,14. Mikro-BT teknolojisi, numunelerin geometrik profilindeki fiziksel hasarı en aza indirdiği ve yapılar arasındaki mekansal ilişkiyi değiştirmediği için brüt anatomi, ışık mikroskobu ve histoloji incelemesi gibi geleneksel yöntemlere göre avantajlıdır. Buna ek olarak, yapıların üç boyutlu (3D) modelleri mikro-CT görüntüleri12,,14yeniden inşa edilebilir. Bugüne kadar, uzay ortamına maruz kaldıktan sonra görme bozukluğu gösteren kanıtlara rağmen, retinal yapı ve fonksiyon uzay uçuşu ile ilişkili değişikliklerin daha iyi anlaşılması için hayvan modellerinde az sayıda veri mevcuttur. Mevcut çalışmada, fareler uulalı 35 günlük bir görev için iss gemiye retina, RPE ve koroid katmanları mikro-CT kullanarak mikroyapı ölçülerek oküler doku yapıları üzerinde uzay ortamının etkisini belirlemek için uçakla edildi.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bu çalışmanın sonuçları, özellikle retina, RPE ve gözün koroid tabakaları başta olmak üzere GC gruplarına kıyasla mikro-CT tekniğini kullanarak uzay uçuşu fare gözünde yapısal değişiklikler olduğunu göstermiştir. Mikro-BT manipülasyon gerek kalmadan değişiklikleri karakterize etmek için etkili ve tahribatsız bir teknik sağlar. PMA boyama kullanımı, yeniden yapılanma sonrası net 3D tomografik görüntüleri başarılı bir şekilde elde etmek için mikro-CT görüntülerin kalitesini artırdı ve numunenin yapısını fiziksel olarak değiştirme ihtiyacını önceden belirtti. Bu görüntülerin bir yararı da, tüm ilgi alanının dijital olarak görüntülenmesi ve bu nedenle bulguların tekrarlanabilirliğinin yanı sıra erişilebilirliği de artırmasıdır. Bu çalışma sırasında üretilen mikro-CT görüntüleri sayesinde, hedeflenen örnek her tabakanın kalınlığının belirlenmesi için retina, RPE, koroid ve sklera tabakası gibi birden fazla yapının farklılaşmasını gösterdi.
Protokol içinde kritik bir adım, örneklerin boyutları ve dokuları nedeniyle manipülasyonudur. Numunenin işlenmesi, hazırlık sırasında numuneye baskı yapılmadan dikkatle yapılmalıdır. Mikro-BT bazı sınırlamalar vardır: çözünürlük ve parametreler için standart değerlerin eksikliği. Tarama sırasında, farklı mikro-CT tarayıcılar farklı görüntü işleme algoritmaları olabilir; henüz bir gri tonlama için kalibrasyon herhangi bir sorunun üstesinden gelmek için takip edilebilir. Taramadan sonra, görüntülerin rekonstrüksiyonu doku ve yapılacak analizdayalı olmalıdır. Görüntü kalitesi tomografik sisteme, ayarlara, numune boyutuna ve hazırlama yöntemlerine bağlı olduğundan kritik olabilir16,17.
Çeşitli normal ve patolojik doku türlerinin incelenmesinde başarılı olması nedeniyle, diğer analizler için hacimsel verilerin derlenmesi için gelecekteki araştırmalarda mikro-BT görüntüleme yetenekleri kullanılmalıdır. Bu nedenle, bu çalışmanın amacına dayanarak, iki boyutlu ölçümler kullanmak kabul edilebilir, ancak brüt 3D yapının segmentasyonu da tüm numunenin kesin bir anahat sağlamak için yararlı olabilir. Tahribatsız bir tekniğin tüm avantajlarına rağmen, mikro-BT immünohistokimya gibi diğer yöntemlerin yerini almaz, ancak istenirse sonraki histoloji analizlerini tamamlar ve sağlar.
Uzun bir uzay uçuşu durumu sırasında ve sans olarak tanımlanan uzay görevi sonrasında astronotlar yapısal ve fonksiyonel oküler değişiklikler bir dizi üretir. Bulgular hiperopik vardiya, küre düzleştirici, koroidal / retina lifleri ve pamuk yünlekeleri 19içerir. Bu hayvan mikro-BT çalışmasında astronotların optik koherens tomografisinin (OKT) retinal sinir lif tabakasının kalınlaşma, retina ve koroidal tabakaincelmesi bulgusu belgelenmiştir. Bu sonuçlar beklenmedikti. Bu tutarsızlık kafa karıştırıcı faktörlerden kaynaklanabilir. Farelerin insana göre sınırlı sefaload sıvı değişimi var. Bu sıvı değişimi eksikliği yerçekimsel değişikliklere farklı tepkiler uyandırmış olabilir. İkinci olarak, fareler sıçramadan sonra 38 saat içinde kesildi, ve yeniden adaptasyon için akut bir yanıt da retina ve koroid morfolojik değişikliklere katkıda bulunabilir. Bu olasılığın teyidi, uzay uçuşu sırasında ve görevden sonra uzun vadede daha fazla ölçüm gerektirir.
Bu çalışmanın sonuçları, uzay uçuş koşullarının, özellikle yerçekimsel değişikliklerin, gözde akut ve kısa süreli bir tepkiye yol açabileceğini göstermektedir. Oküler üzerindeki akut değişikliklerin retina fonksiyonu ve uzay uçuşuna bağlı yapı değişiklikleri mekanizması üzerindeki sonuçlarını belirlemek için daha fazla araştırma yapılması gerekmektedir.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu çalışma NASA Uzay Biyolojisi hibe # NNX15AB41G ve LLU Bölümü Temel Bilimler tarafından desteklenmiştir. Sungshin Choi, Dennis Leveson ve Rebecca Klotz uzay uçuşu çalışmamızın başarısına önemli ölçüde katkıda bulundular ve desteklerini çok takdir ediyoruz. Yazarlar da onların büyük yardım için tüm NASA Biyonumune Paylaşım Programı grubu teşekkür etmek istiyorum.
Yazarlar da Mikro-CT hizmeti için Diş Araştırma Merkezi teşekkür etmek istiyorum.
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).
