我々は、造影剤を使用せずに眼内に3次元血管造影を生成するための非侵襲的超音波技術を提示する。
眼内の網膜は、体内で最もエネルギーを要求する組織の1つであり、したがって、豊富な血液供給からの酸素送達の高い速度を必要とする。脈絡膜の毛細血管薄層は網膜の外表面に並び、ほとんどの脊椎動物の網膜で支配的な酸素源です。しかし、この血管床は、光吸収性の高い網膜の背後に位置しているため、従来の光学技術では画像化が困難です。ここでは、眼の深部血管床(0.5〜3cm)を高い時空間分解能で画像化するための、その後の流れ増強を伴う高周波超音波技術について説明する。この非侵襲的方法は、有核赤血球を有する種(非哺乳動物および胎児動物モデル)において良好に機能する。造影剤を使用せずに非侵襲的な3次元血管造影の生成を可能にし、ドップラーベースの超音波イメージング技術よりも高感度で血流角度に依存しない。
脊椎動物の網膜上の高い代謝は、2つの対照的なニーズの間に固有のトレードオフを課す。高い血流量と血管のない光路。赤血球の灌流の視覚的障害を避けるために、すべての脊椎動物の網膜は、光受容体の後ろの毛細血管のシートを介して酸素と栄養素を受け取ります1,2,3。しかし、この栄養素と酸素の単一の供給源は網膜の厚さに拡散制限を課す4,5ので、多くの視覚的に活性な種は、この代謝的に活性な器官に追加の血液供給を提供するために、様々な精巧な血管網を有する6。これらの血管床には、哺乳類および一部の魚類の網膜層を灌流する血管4、7、8、9、10、多くの魚類、爬虫類、および鳥類に見られる網膜の内側(光向き)側の血管4、11、12、13、および魚類脈絡膜の向流血管配置、脈絡膜reteミラビレは、超大気酸素分圧14、15、16、17、18、19、20の生成を可能にする。網膜栄養供給のためのこれらの追加の非脈絡膜経路は、優れた視力の代謝要求に燃料を供給する上で不可欠な役割を果たすにもかかわらず4、これらの血管構造の三次元解剖学は十分に理解されておらず、脊椎動物の眼の形態学的進化に関する我々の理解を制限する。
伝統的に、網膜血液供給は、眼底眼科検査などの光学的技術を用いて研究されてきた。このカテゴリーの技術は、非脈絡膜血管解剖学に関するハイスループットの非破壊的情報を高解像度で提供し21、したがって網膜血管構造の異常の臨床診断に容易に使用される22。しかしながら、網膜色素上皮は透過光を吸収し、これらの光学技術における視野の深さを制限し、造影剤21を使用せずに脈絡膜構造および機能に関する減少した情報を提供する。同様の深さの制限は、光干渉断層撮影法(OCT)でも経験される。この技術は、深度透過の技術的犠牲を払って光波を用いて高解像度眼底血管造影を生成することができ23、一方、強化された深度イメージングOCTは、網膜イメージング品質を犠牲にして脈絡膜を視覚化することができる24。磁気共鳴イメージングは、眼科検査とOCTの光学的限界を克服し、低解像度ではあるが網膜の血管層をマッピングすることができる25。組織学およびマイクロコンピュータ断層撮影法(μCT)は、光学技術の高分解能を維持し、全眼血管形態に関する情報を提供する4が、どちらの技術も眼のサンプリングを必要とするため、診療所や希少種または絶滅危惧種では不可能である。これらの確立された網膜画像化技術の限界のいくつかを克服するために、ここでの研究は、胚および心血管イメージングのために以前に説明したような類似の技術を適用することによって、眼全体にまたがる一連の等間隔の2次元超音波スキャン上で血液運動がインシリコでマッピングされる麻酔動物に関する超音波プロトコルを提示する26,27。28およびOCT血管造影29。このアプローチは、造影剤を使用せずに非侵襲的な3次元深眼血管造影の生成を可能にし、種間の眼内の血流分布をマッピングするための新しい道を開く。
以下の議定書は、デンマーク食品農業水産省、デンマーク獣医食品局(許可番号2016-15-0201-00835)内のデンマーク動物実験検査官の許可を得て実施されました。
1.麻酔および超音波媒体
2. 2Dおよび3D眼超音波画像取得
3. フロー強調画像再構成
眼の血管床を画像化する流れ増強超音波技術は、種の範囲に適用することができ、現在、46の異なる脊椎動物種で使用されている(図1、表1)。非成体哺乳類脊椎動物における有核赤血球の存在は、シネ記録における静的組織と比較して、流れる血液の正のコントラストを提供する(補足ファイル2)。しかし、フレームごとに分析すると、血液と周囲の組織との明確な区別はそれほど明確ではありません(図2A)。このプロトコルで説明されている血流増強手順は、基本的に、2D空間(Tフレームで作られたスライス)でのマルチタイムポイント記録を単一の画像にコンパイルし、流れる血液に位置するピクセル単位の固有の信号値変動が周囲の静的組織よりも高い標準偏差をスコアリングし、したがって正のコントラストを生成する(図2B)。血管のコントラストを知覚的に高めるために、ルックアップテーブルを使用して疑似カラー画像を生成することができます(図2C)。3D集録では、既知の間隔を持つ複数の平行スライスを3D画像データ(補足ファイル3および補足ファイル4)に結合して、3次元ボリュームレンダリング(図2D)および解剖学的モデリング(図2Eおよび補足ファイル5)に使用することができます。 ドップラーベースの超音波イメージングは、血流を具体的に画像化するオプションも提供しますが、説明した方法よりも感度が低く(図2Gを図2Hおよび図2Iと比較してください)、血流の向きが音波の方向に直接または垂直に近い場合はそうではありません。このプロトコルで説明されている流量増強手順は、面内および面外の両方の血流の向きとは無関係です。
フロー強化超音波手順により、有核赤血球を有するさまざまな種で血流イメージングが可能になります(図3A-D)。いくつかの魚類における脈絡膜レテミラビルのような深部眼血管床は、種内に存在すれば画像化することができる(図2の黄色の矢印、図3B、図4)。この方法は、成体哺乳動物における有核赤血球の不在によって制限され、流れ増強手順はある程度の血流コントラストを生成するが、有核赤血球を有する種ほど明確ではない(図3E、F)。
流量増強超音波は、運動ノイズに敏感であり、例えば、呼吸運動は、画像のぼやけおよび組織境界強調などのアーチファクトを引き起こし得る(図4A−C、 補足ファイル6)。プロスペクティブまたはレトロスペクティブゲーティングを使用して、モーションノイズを調整することができます(図4D、E)。
図1:眼血管系の流れ増強超音波画像化に適した様々な種の例。(B)シベリアチョウザメ(アシペンセルバエリイ).(C)ヨーロッパのシーバス(ディセントラルカス・ラブラックス)。(D)ピエロのフェザーバック(チタラオルナータ).(E)十字架の鯉(カラシウスカラシウス)。(F)胚性家畜ニワトリ(Gallus gallus domesticus)。非反応性の金属重量と緩いゴムバンド(A、C、D)を使用して単純な保持装置を構築することは有用であり得る。大型の不動ラボベースの超音波イメージングシステム(A-D、F)と小型フィールド手術システム(E)の両方に使用できます。胚鳥のように温度管理された水浴に保持できない小型で温度感受性の高い種をイメージングする場合、サンプルがインキュベーター(F)の内部にある間にイメージングを行うことができます。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図2:眼超音波スキャンに対する流れ増強の効果(A)1000フレームのシネ記録における金魚の目の生のBモード超音波画像の例。血流はシネ記録(補足ファイル2)で観察することができますが、静的なフレームで見ることは困難です。(B)フロー強調グレースケール画像(Aと同じスライス)。網膜および網膜後血管床の両方が増強される。(C) Bの画像の擬似色分け版で、ImageJファイアルックアップテーブル付き。(D)3D取得に基づいて、A-Cと同じ金魚の目の血流をボリュームレンダリング表示。(e)A−Dにおける眼の2つのセグメント(網膜および網膜後血管)解剖学的モデル(インタラクティブモデルについては補足資料5を参照のこと)。(エフ-I)別の金魚(F)の眼の生のBモード超音波画像は、カラードップラーベースのフローイメージング(G)をこのプロトコルに記載されたフロー強化方法と比較する(H−I、注IはF上のHのオーバーレイである)。緑色の矢印は網膜血管を示し、黄色の矢印は脈絡膜レテミラビレを示す。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図3:様々な脊椎動物種における流れ増強眼超音波画像の代表例。 (A)セネガルビチル(Polypterus senegalus)。(B)赤い腹のピラニア(ピゴセントラスナッテレリ)。(C)グリーンイグアナ(イグアナイグアナ)。(D)胚性(18日目)家畜ニワトリ(Gallus gallus domesticus)。(E)ハウスマウス(Mus musculus)。(F)ブラウンラット(Rattus norvegicus)。有核赤血球を有する種では、流れ増強手順は眼血流の有用な画像(A-D)をもたらすが、成体哺乳動物(除核赤血球)では、流れる血液と周囲の組織(E-F)との間に限られたコントラストしか生じない。緑色の矢印は網膜血管を示す。青い矢印は、絨毛毛細血管などの網膜後血管を示す。黄色の矢印は脈絡膜レテミラビレを示す。後期胚性家畜ニワトリでは、ペクテン眼内の血流が観察され得る(Fの下の緑色の矢印)。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図4:呼吸運動は、遡及的ゲーティングによって緩和することができる運動ノイズを誘発する。 (A-B)ヨーロッパのプライス(胸膜板)の眼における呼吸運動の例。赤い点は、A(スライス54/410)とB(スライス92/410)で同じ画像座標にあるが、目の位置がずれていることが観察できる(補足資料6のシネ記録も参照)。(C) 410フレームのフル録画で流量強調動作を実行しようとすると、モーションノイズが原因で失敗する。組織の境界は、動きのために人工的に強化される。(d)A〜Bの赤い点での正規化された信号強度(SI)に基づくレトロスペクティブゲーティング動作。正規化されたSI>50(合計38フレーム)を有するフレームのみ、すなわち、眼がBと同じ位置にあることを示すフレームのみが、フロー強調手順に含まれる。(E)遡及的にゲートされたフロー強調手順の結果の画像。C と比較します。ゲート画像では、人工的な境界強調が回避され、脈絡膜レーテミラビレ(黄色い矢印)の血流が観察できる。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
表1:眼血流を画像化するために流量増強超音波技術が使用された種のリスト。 本方法の適用可能性は、静的背景と比較して血管床のコントラストリッチな表現を生成する能力に基づいている。この表をダウンロードするには、ここをクリックしてください。
補足ファイル 1: フロー拡張計算を自動化するマクロ・スクリプト。 スクリプトは IJ1 マクロ言語で記述され、ImageJ マクロ関数 (単一スライス記録の場合) または ImageJ バッチ処理 (複数スライス 3D 記録の場合) の両方を使用して実行できます。 このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。
補足ファイル2:金魚(カラシウス・アウラトゥス)の目に生のBモードシネ記録。血流は、ビデオの再生中には観察できますが、図 2A のように 1 つのフレームでは観察できません。このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。
補足ファイル3:血流増強セクションの金魚(Carassius auratus)の目を通してビデオをスライスします。このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。
補足ファイル4:金魚(カラシウス・アウラトゥス) の流れ増強眼の3次元TIFファイル。画像は、ファイルサイズを最小限に抑えるために3 x 3 x 3でビン分割されています(空間解像度とファイルサイズが27倍に縮小)。このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。
補足ファイル5:金魚(Carassius auratus) の目における網膜前後の血管のインタラクティブな3Dモデル。このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。
補足ファイル6:ヨーロッパのプライス(胸膜炎プレート) の目に生のBモードシネ記録。呼吸の動きに注意してください。 このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。
流れ増強超音波を用いた血管画像化は、現在の技術よりもいくつかの利点を提供するが、その本質的な限界を有する眼の血管系の非侵襲的画像化のための新しい方法を提供する。流れ増強超音波の主な利点は、網膜色素上皮を超える被写界深度を有する眼血管造影を生成する能力であり、これは光学技術における被写界深度を制限する。超音波イメージングでは、空間分解能と被写界深度は最終的に超音波トランスデューサ周波数によって決定され、周波数が高いほど空間分解能は向上しますが、被写界深度が浅くなるため、トランスデューサ周波数の選択は画像深度と空間分解能の間にトレードオフをもたらします。私たちの経験では、画像深度が1cmの小さな目には高周波超音波トランスデューサ(≥50MHz)を使用し<、画像深度1.5〜3.0cmの大きな目には低周波トランスデューサ(20〜40MHz)を使用して、最適な網膜超音波イメージングが達成されます。3D超音波スキャンの場合、追加のスライス寸法の解像度は、2D超音波スキャンのスタック内のスキャン間のステップサイズによって設定されます。私たちの経験では、20μm未満のステップサイズで3Dスキャンを行うことは困難です。
フロー強化2D超音波は、高い時間分解能を有する。理想的には、流量増強血管イメージングには画像あたり≥1000フレームが必要であるため、画像スキャンごとに少なくとも8秒必要です。3Dフロー強化超音波を実行すると、時間分解能が大幅に低下し、スキャン時間はスキャンの3Dスタック内の画像の数とともに増加します。高い時間分解能を考えると、流れ増強2D超音波ワークフローは、実験操作中の相対血流速度および血流分布の時間的変化を識別するための方法として強い可能性を示す。したがって、将来の研究では、ワークフローを使用して、変更された環境条件(例えば、温度、pO2、pCO2)または薬理学的投与が眼および他の器官の血流にどのように影響するかを特定することができる。
超音波ワークフローは、ほとんどの非哺乳類脊椎動物からの有核赤血球の正のコントラストに依存しています。したがって、成体哺乳類および一部のサンショウウオ種の除核赤血球37 は、本ワークフローを用いて血流を効果的に増強するにはコントラストが少なすぎる(図3E、F)。従来の超音波ワークフローでは、マイクロバブルの血管注射は、哺乳類の血管系を同定するのに十分なコントラストを提供し38、ラット眼内の球後血管の血管造影を生成するために使用されてきた39。しかし、マイクロバブルは数分以内に破裂するため、3D血管造影の生成には連続したマイクロバブル注入が必要です。
フロー強化超音波は、目の同じ位置でのシーケンシャル記録に依存するため、小さなランダムな動きが画像をオフセットし、フロー強調計算を損なう可能性がある覚醒動物では、この技術は不可能です。したがって、本方法は、ランダムな動きを低減することによって画質を高めるために固定化のために適切な麻酔下で行われなければならない。しかし、規則的な呼吸運動の間に起こる眼の規則的な動きは、動物の換気パターンに前向きまたは遡及的にゲーティングすることによって相殺することができるので、換気サイクル内の同じ時間間隔からのスキャン記録のみがデータ分析に使用される。画像の換気運動を相殺するレトロスペクティブゲーティングアプローチは画像の安定性を大幅に改善しますが、信号強度の標準偏差の計算に含まれるフレーム数を著しく減少させ、信号対雑音比の低下につながります(図 4E と 図2C および 図2Iを比較)).この効果は、動物が呼吸の所望の段階にあるときにのみ画像データが取得される超音波スキャナでのプロスペクティブゲーティングを使用して緩和される。ただし、これにより、所望のフレーム数≥1000を集録する必要がある場合、集録時間が著しく増加します。
動物学および獣医師の研究において、眼の血管系の生理学および解剖学をマッピングするためのフロー強化超音波ワークフローのための複数の用途が見られます。エイフィン魚類、哺乳類、鳥類の血管系は比較的よく記述されている1,3,4,8,9,12,15,40であるが、これは非骨魚類(顎のない脊椎動物およびコンドリヒチアン)、両生類、および爬虫類には当てはまらない。これらのあまり理解されていない動物群にフロー強化超音波を実装し、これらのデータをよりよく研究された群の知識と統合することは、脊椎動物の眼の血管系の進化に関する基本的な洞察を提供するでしょう。眼の血管系は近縁種でも類似しているため4、幅広い種の眼血管系に関するこのような詳細な情報は、獣医師が発達上の欠陥、疾患、または身体的傷害による眼の血管系の奇形を特定するための基準点を提供します。さらに、高い時空間分解能で2次元血流情報を取得する能力は、深部血管床の血流分布に対する薬物動態学的影響を定量化する手段を提供し、医薬品開発および試験に多大な用途を有する。この技術に関する今後の研究は、除核赤血球を有する種における血液のコントラストを高める注射可能な化合物の同定に焦点を当てるべきであり、これは、生物医学研究および眼および他の深部血管床における血管機能障害の臨床診断において広大な用途を有する哺乳動物へのこの技術の適用可能性を拡大するであろう。
著者らは、完全な利益は存在しないと宣言している。
この研究はカールスバーグ財団(CF17-0778;CF18-0658)、ルンドベック財団(R324-2019-1470;R346-2020-1210)、Velux Foundations(00022458)、The A.P. Møller Foundation for the Advancement of Medical Science、Marie Skłodowska-Curie助成金協定(No. 754513)に基づく欧州連合のHorizon 2020研究イノベーションプログラム、およびオーフス大学研究財団。
Name | Company | Catalog Number | Comments |
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 |
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