Flow-Enhanced Ultrason ile Gözde Derin Vasküler Görüntüleme
Summary
Kontrast madde kullanılmadan gözde üç boyutlu anjiyografiler oluşturmak için non-invaziv bir ultrason tekniği sunuyoruz.
Abstract
Göz içindeki retina, vücuttaki en enerji gerektiren dokulardan biridir ve bu nedenle zengin bir kan kaynağından yüksek oranda oksijen iletimi gerektirir. Koroidin kılcal laminası retinanın dış yüzeyini kaplar ve çoğu omurgalı retinasında baskın oksijen kaynağıdır. Bununla birlikte, bu vasküler yatağın, yüksek ışık emici retinanın arkasındaki konumu nedeniyle geleneksel optik tekniklerle görüntülenmesi zordur. Burada, gözün derin vasküler yataklarını (0.5-3 cm) yüksek spatiotemporal çözünürlükte görüntülemek için daha sonra akış iyileştirme ile yüksek frekanslı bir ultrason tekniğini tanımladık. Bu invaziv olmayan yöntem, çekirdekli kırmızı kan hücrelerine sahip türlerde (memeli olmayan ve fetal hayvan modelleri) iyi çalışır. Kontrast madde kullanılmadan non-invaziv üç boyutlu anjiyografilerin üretilmesine olanak sağlar ve Doppler bazlı ultrason görüntüleme tekniklerinden daha yüksek hassasiyete sahip kan akış açılarından bağımsızdır.
Introduction
Omurgalı retinasındaki yüksek metabolizma, iki zıt ihtiyaç arasında içsel bir denge oluşturur; yüksek kan akış hızları ve kan damarlarından yoksun hafif bir yol. Kırmızı kan hücrelerinin perfüze edilmesinin görsel rahatsızlığını önlemek için, tüm omurgalıların retinası, fotoreseptörlerin arkasındaki bir kılcal damar tabakası olan koryokapillaris1,2,3 aracılığıyla oksijen ve besin alır. Bununla birlikte, bu tek besin ve oksijen kaynağı, retinanın kalınlığına bir difüzyon sınırlaması getirir4,5, bu nedenle görsel olarak aktif birçok tür, metabolik olarak aktif olan bu organa ek kan kaynağı sağlamak için çeşitli ayrıntılı vasküler ağlara sahiptir6. Bu vasküler yataklar, memelilerde ve bazı balıklarda iç retinal tabakaları perfüze eden kan damarlarını4,7,8,9,10, birçok balıkta, sürüngende ve kuşta bulunan retinanın iç (ışığa bakan) tarafındaki kan damarlarını4,11,12,13 ve balık koroidinin, koroid rete’nin ters akımlı vasküler düzenlemelerini içerir. mirabile, süper atmosferik oksijen kısmi basınçlarının üretilmesine izin verir14,15,16,17,18,19,20. Retinal besin kaynağı için bu ek koroidal olmayan yolların, üstün görmenin metabolik gereksinimlerini karşılamada önemli bir rol oynamasına rağmen4, bu vasküler yapıların üç boyutlu anatomisi tam olarak anlaşılamamıştır ve omurgalı gözünün morfolojik evrimi hakkındaki anlayışımızı sınırlamaktadır.
Geleneksel olarak, retinal kan akımı, fundus oftalmoskopisi gibi optik teknikler kullanılarak incelenmiştir. Bu teknik kategorisi, yüksek çözünürlükte21 koroidal olmayan kan damarı anatomisi hakkında yüksek verimli tahribatsız bilgiler sağlar ve bu nedenle retinal damar yapısındaki anormalliklerin klinik tanısında kolayca kullanılır22. Bununla birlikte, retinal pigment epiteli iletilen ışığı emer ve bu optik tekniklerde görüş derinliğini sınırlar, kontrast madde kullanılmadan koroidal yapı ve fonksiyon hakkında daha az bilgi sağlar21. Benzer derinlik sınırlamaları optik koherens tomografide (OKT) de yaşanmaktadır. Bu teknik, derinlik penetrasyonunun teknik pahasına ışık dalgaları kullanarak yüksek çözünürlüklü fundus anjiyografileri üretebilir23, gelişmiş derinlik görüntüleme OCT’si ise retinal görüntüleme kalitesi pahasına koroidi görselleştirebilir24. Manyetik rezonans görüntüleme, oftalmoskopi ve OCT’nin optik sınırlamalarının üstesinden gelir ve düşük çözünürlükte de olsa retinadaki vasküler tabakaları haritalayabilir25. Histoloji ve mikrobilgisayarlı tomografi (μBT), optik tekniklerin yüksek çözünürlüğünü korur ve tüm göz vasküler morfolojisi hakkında bilgi sağlar4, ancak her iki teknik de oküler örnekleme gerektirir ve bu nedenle klinikte veya nadir veya nesli tükenmekte olan türlerde mümkün değildir. Bu yerleşik retinal görüntüleme tekniklerinin bazı sınırlamalarının üstesinden gelmek için, buradaki çalışma, embriyonik ve kardiyovasküler görüntüleme için daha önce tarif edildiği gibi karşılaştırılabilir bir teknik uygulanarak, tüm gözü kapsayan bir dizi eşit aralıklı iki boyutlu ultrason taraması üzerinde kan hareketinin siliko olarak haritalandırıldığı anestezi altındaki hayvanlar üzerinde bir ultrason protokolü sunmaktadır26,27, 28 ve OCT anjiyografide29. Bu yaklaşım, kontrast madde kullanmadan non-invaziv üç boyutlu derin oküler anjiyografilerin üretilmesine izin verir ve türler arasında göz içindeki kan akışı dağılımını haritalamak için yeni yollar açar.
Protocol
Representative Results
Discussion
Akımla güçlendirilmiş ultrason kullanılarak yapılan vasküler görüntüleme, göz vaskülatürünün non-invaziv görüntülenmesi için mevcut tekniklere göre çeşitli avantajlar sunan, ancak içsel sınırlamaları olan yeni bir yöntem sağlar. Akışla güçlendirilmiş ultrasonun birincil avantajı, optik tekniklerde alan derinliğini sınırlayan retinal pigment epitelini aşan bir alan derinliğine sahip oküler anjiyografiler üretme yeteneğidir. Ultrason görüntülemede, uzamsal çözünürlük ve ala…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu çalışma Carlsberg Vakfı’ndan (CF17-0778; CF18-0658), Lundbeck Vakfı (R324-2019-1470; R346-2020-1210), Velux Vakıfları (00022458), A.P. Møller Tıp Biliminin İlerlemesi Vakfı, Marie Skłodowska-Curie hibe anlaşması kapsamında Avrupa Birliği’nin Horizon 2020 araştırma ve inovasyon programı (No. 754513) ve Aarhus Üniversitesi Araştırma Vakfı.
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 |
References
- Yu, C. Q., Schwab, I. R., Dubielzig, R. R. Feeding the vertebrate retina from the Cambrian to the Tertiary. Journal of Zoology. 278 (4), 259-269 (2009).
- Yu, D. Y., Cringle, S. J. Oxygen distribution and consumption within the retina in vascularised and avascular retinas and in animal models of retinal disease. Progress in Retinal and Eye Research. 20 (2), 175-208 (2001).
- Country, M. W. Retinal metabolism: A comparative look at energetics in the retina. Brain Research. 1672, 50-57 (2017).
- Damsgaard, C., et al. Retinal oxygen supply shaped the functional evolution of the vertebrate eye. Elife. , 8 (2019).
- Buttery, R. G., Hinrichsen, C. F. L., Weller, W. L., Haight, J. R. How thick should a retina be? A comparative study of mammalian species with and without intraretinal vasculature. Vision Research. 31 (2), 169-187 (1991).
- Ames, A., Li, Y., Heher, E., Kimble, C. Energy metabolism of rabbit retina as related to function: high cost of Na+ transport. The Journal of Neuroscience. 12 (3), 840-853 (1992).
- Chase, J. The Evolution of retinal vascularization in mammals: A comparison of vascular and avascular retinae. Ophthalmology. 89 (12), 1518-1525 (1982).
- Johnson, G. L. Ophthalmoscopic studies on the eyes of mammals. Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Series B, Biological Sciences. 254 (794), 207-220 (1968).
- Johnson, G. L. I. Contributions to the comparative anatomy of the mammalian eye, chiefly based on ophthalmoscopic examination. Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Series B, Biological Sciences. 194 (194-206), 1-82 (1901).
- Rodriguez-Ramos Fernandez, J., Dubielzig, R. R. Ocular comparative anatomy of the family Rodentia. Veterinary Ophthalmology. 16, 94-99 (2013).
- Copeland, D. E. Functional vascularization of the teleost eye. Current Topics in Eye Research. 3, 219-280 (1980).
- Meyer, D. B., Crescitelli, F. . The Visual System in Vertebrates. Handbook of Sensory Physiology. 7, (1977).
- Potier, S., Mitkus, M., Kelber, A. Visual adaptations of diurnal and nocturnal raptors. Seminars in Cell & Developmental Biology. 106, 116-126 (2020).
- Wittenberg, J. B., Wittenberg, B. A. Active secretion of oxygen into the eye of fish. Nature. 194, 106-107 (1962).
- Damsgaard, C. Physiology and evolution of oxygen secreting mechanism in the fisheye. Comparative Biochemistry and Physiology. 252, 110840 (2021).
- Damsgaard, C., et al. A novel acidification mechanism for greatly enhanced oxygen supply to the fish retina. Elife. 9, (2020).
- Wittenberg, J. B., Haedrich, R. L. The choroid rete mirabile of the fish eye. II. Distribution and relation to the pseudobranch and to the swimbladder rete mirabile. Biological Bulletin. 146 (1), 137-156 (1974).
- Wittenberg, J. B., Wittenberg, B. A. The choroid rete mirabile of the fish eye. I. Oxygen secretion and structure: comparison with the swimbladder rete mirabile. Biological Bulletin. 146 (1), 116-136 (1974).
- Berenbrink, M. Historical reconstructions of evolving physiological complexity: O2 secretion in the eye and swimbladder of fishes. Journal of Experimental Biology. 210, 1641-1652 (2007).
- Berenbrink, M., Koldkjaer, P., Kepp, O., Cossins, A. R. Evolution of oxygen secretion in fishes and the emergence of a complex physiological system. Science. 307 (5716), 1752-1757 (2005).
- Keane, P. A., Sadda, S. R. Retinal imaging in the twenty-first century: State of the art and future directions. Ophthalmology. 121 (12), 2489-2500 (2014).
- Yung, M., Klufas, M. A., Sarraf, D. Clinical applications of fundus autofluorescence in retinal disease. International Journal of Retina and Vitreous. 2 (1), 12 (2016).
- Ang, M., et al. Optical coherence tomography angiography: a review of current and future clinical applications. Graefe’s Archive for Clinical and Experimental Ophthalmology. 256 (2), 237-245 (2018).
- Spaide, R. F., Koizumi, H., Pozonni, M. C. Enhanced depth imaging spectral-domain optical coherence tomography. American Journal of Ophthalmology. 146 (4), 496-500 (2008).
- Shen, Q., et al. Magnetic resonance imaging of tissue and vascular layers in the cat retina. Journal of Magnetic Resonance Imaging. 23 (4), 465-472 (2006).
- Tan, G. X., Jamil, M., Tee, N. G., Zhong, L., Yap, C. H. 3D reconstruction of chick embryo vascular geometries using non-invasive high-frequency ultrasound for computational fluid dynamics studies. Annals of Biomedical Engineering. 43 (11), 2780-2793 (2015).
- Ho, S., Tan, G. X. Y., Foo, T. J., Phan-Thien, N., Yap, C. H. Organ dynamics and fluid dynamics of the HH25 chick embryonic cardiac ventricle as revealed by a novel 4D high-frequency ultrasound imaging technique and computational flow simulations. Annals of Biomedical Engineering. 45 (10), 2309-2323 (2017).
- Dittrich, A., Thygesen, M. M., Lauridsen, H. 2D and 3D echocardiography in the Axolotl (Ambystoma Mexicanum). Journal of Visualized Experiments: JoVE. (141), e57089 (2018).
- Jia, Y., et al. Split-spectrum amplitude-decorrelation angiography with optical coherence tomography. Optics Express. 20 (4), 4710-4725 (2012).
- Clarke, K. W., Trim, C. M., Trim, C. M. . Veterinary Anaesthesia E-Book. , (2013).
- Flecknell, P. . Laboratory Animal Anaesthesia. , (2015).
- West, G., Heard, D., Caulkett, N. . Zoo Animal and Wildlife Immobilization and Anesthesia. , (2014).
- Lauridsen, H., Hansen, K., Nørgård, M. &. #. 2. 1. 6. ;., Wang, T., Pedersen, M. From tissue to silicon to plastic: three-dimensional printing in comparative anatomy and physiology. Royal Society Open Science. 3 (3), 150643 (2016).
- Lauridsen, H., et al. Inside out: Modern imaging techniques to reveal animal anatomy. PLoS One. 6 (3), 17879 (2011).
- Ruthensteiner, B., Heß, M. Embedding 3D models of biological specimens in PDF publications. Microscopy Research and Technique. 71 (11), 778-786 (2008).
- Damsgaard, C., Lauridsen, H. Deep vascular imaging in the eye with flow-enhanced ultrasound. bioRxiv. , 447055 (2021).
- Mueller, R. L., Ryan Gregory, T., Gregory, S. M., Hsieh, A., Boore, J. L. Genome size, cell size, and the evolution of enucleated erythrocytes in attenuate salamanders. Zoology. 111 (3), 218-230 (2008).
- Greis, C. Quantitative evaluation of microvascular blood flow by contrast-enhanced ultrasound (CEUS). Clinical Hemorheology and Microcirculation. 49, 137-149 (2011).
- Urs, R., Ketterling, J. A., Tezel, G., Silverman, R. H. Contrast-enhanced plane-wave ultrasound imaging of the rat eye. Experimental Eye Research. 193, 107986 (2020).
- Walls, G. L. . The vertebrate eye and its adaptive radiation. , (1942).
