Multifunktionelle OCT zur präklinischen Bildgebung im Maus- und Rattenauge

Immer noch sind viele der häufigsten Erblindungsursachen nicht ausreichend erforscht, was nicht nur eine frühzeitige Diagnose verkompliziert, sondern auch die Entwicklung potenter Behandlungsmethoden erschwert. Um die Pathogenese von Krankheiten wie altersbezogener Makuladegeneration (AMD) oder Glaukom (grüner Star) besser verstehen zu können, wurde eine Vielzahl von Tiermodellen entwickelt. Der Goldstandard für solche präklinischen Forschungsvorhaben ist die Histologie, die mikroskopische Bilder von anatomischen Details und Gewebsstrukturen liefert. Allerdings müssen die Tiere vor histologischen Untersuchungen getötet warden. Mithin besteht eine große Nachfrage nach nicht-invasiven bildgebenden Verfahren, die sowohl die Messung von anatomischen und physiologischen Parametern in vivo und in situ, als auch Longitudinalstudien in ein und demselben Tier und daher eine Reduktion der benötigten Tieranzahl ermöglichen. Ziel dieses Projekts ist die Entwicklung von multifunktioneller Optischer Kohärenztomographie (optical coherence tomography, OCT) als nicht-invasive Alternative zur Histologie in der präklinischen Forschung in Maus- und Rattenmodellen. OCT ist ein optisches Verfahren, das zwei- und drei-dimensionale Bildgebung der Gewebsmorphologie mit hoher Auflösung ermöglicht. OCT ist mittlerweile eine Standardtechnik in der Augenheilkunde im Menschen und wurde jüngst auch als vielversprechende Technik zur Bildgebung der Kleintiernetzhaut demonstriert. Funktionelle OCT-Methoden wie die polarisationsempfindliche OCT und die Doppler OCT bieten zusätzliche Information über Gewebsstruktur und funktion (Polarisationseigenschaften, Blutfluss), welche mit der herkömmlichen OCT-Technik, die bloß auf der Intensität des vom Gewebe rückgestreuten Lichts basiert, nicht zugänglich ist. Die zusätzliche Information in funktionellen OCT-Bildern erweitert die Kontrastierungs- und die quantitativen Messmöglichkeiten. In diesem Projekt soll ein neuartiges multifunktionelles OCT-System entwickelt werden. Dieses soll polarisationsempfindliche und Doppler OCT in einem einzigen Gerät vereinen und für die Bildgebung im Maus- und Rattenauge optimiert werden. Mit diesem Gerät sollen die folgenden Eigenschaften und Parameter in gesunden Tiereaugen untersucht werden, um die Basis für Studien in Krankheitsmodellen zu legen: Quantitative Messung der Melaninpigmentierung basierend auf der Depolarisation von Licht Messung der Doppelbrechung in der retinalen Nervenfaserschicht Messung der Faserorientierung und Doppelbrechung in der Sklera Darstellung der retinalen Blutgefäße und Blutflussmessung Zur Validierung werden die Resultate mit histologischen Schnitten derselben Gewebsstrukturen, die mittels modernster Konfokal-, Zwei-Photonen- und Elektronenmikroskopieverfahren abgebildet werden, korreliert. Außerdem sollen für die AMD- und Glaukom-Forschung relevante Kleintiermodelle mit dem multifunktionalen OCT-Gerät untersucht werden, um die Pathogenese zu verfolgen und Marker zur Früherkennung zu identifizieren. Die quantitative funktionelle Bildgebung bietet dabei Zugang zu anatomischen und physiologischen Parametern, welche mit herkömmlichen Technologien unzugänglich sind. Da OCT außerdem eine nicht-invasive in-vivo Technik ist, können dieselben Tiere zu verschiedenen Zeitpunkten untersucht werden. Damit unterstützt auf OCT basierende präklinische Forschung im Kleintierauge das 3R-Prinzip zur Vermeidung, Verfeinerung und Verringerung (Replacement, Refinement, Reduction) von Tierversuchen.

In diesem Projekt wurde ein neuartiger Prototyp für die optische Bildgebung bei Kleintieraugen entwickelt und in mehreren präklinischen Studien an Kleintiermodellen für Augenerkrankungen eingesetzt. Der Prototyp ermöglicht die nicht-invasive und hochaufgelöste Bildgebung der in-vivo Nagetier-Retina bei schnellen Erfassungsraten und mit multifunktionalem Kontrast. Neben der morphologischen Bildgebung, die auf der Reflektivität verschiedener Gewebe basiert, misst unser Prototyp gleichzeitig auch die Polarisationseigenschaften des Gewebes und die 3D-Angiographie der Mikrovaskulatur. Dieser dreifache Kontrast wurde genutzt, um quantitative Bildgebung durchzuführen, einschließlich der Kartierung der Netzhautschichtdicke, lokalisierter Messungen der Melaninpigmentierungsdichte und Perfusionskartierung. Nach Spezifikationsmessungen und bildgebenden Experimenten an gesunden Tieren haben wir den Prototyp für mehrere Kurz- und Längsschnittstudien an Krankheitsmodellen der Augenpathologie eingesetzt. Wir konnten zeigen, dass sowohl strukturelle als auch funktionelle Veränderungen in vivo verfolgt und gemessen werden können, wenn der Augeninnendruck verändert wird. Wichtige Aspekte der altersbedingten Makuladegeneration (AMD) wie die Entwicklung abnormaler Netzhautgefäße und winzige Veränderungen der äußeren Netzhautstrukturen wurden in Längsschnittstudien an zwei Mausmodellen erkannt und quantitativ erfasst. Die Ergebnisse der hochauflösenden Bildgebungsstudien wurden mit dem Goldstandard, der histologischen Aufarbeitung, korreliert. Im Gegensatz zur Histologie, die die Tötung von Tieren erfordert, kann unser optischer Bildgebungsansatz jedoch immer wieder an genau der gleichen Augenposition und zu verschiedenen Zeitpunkten durchgeführt werden und ermöglicht so in- vivo und in-situ Untersuchungen der Läsionsentwicklung über die Zeit. Daher unterstützt die in diesem Projekt entwickelte Methodik nicht nur die drei Rs - ersetzen, reduzieren und verfeinern - sondern stellt auch eine leistungsfähige Technologie für Longitudinalstudien an Kleintiermodellen dar, die sich auf eine verbesserte Diagnose und Behandlung von Hauptursachen von Blindheit fokusieren, von denen Millionen von Menschen weltweit betroffen sind.