Imaging of physiological retinal structures in various raptor species using Optical Coherence Tomography (OCT)

Velasco Gallego, María Luisa (2015): Imaging of physiological retinal structures in various raptor species using Optical Coherence Tomography (OCT). Dissertation, LMU München: Tierärztliche Fakultät

Abstract

Die Optische Kohärenztomografie (OCT) ist eine neue Technik, die vor kurzem in der Humanophthalmologie etabliert wurde und sich durch ihr Potential auszeichnet, Retinastrukturen in vivo und nicht-invasiv (ohne Augenkontakt) in einer Qualität vergleichbar mit der von Histologieschnitten darzustellen. Diese Technik ermöglicht es, minimale pathologische Veränderungen bei fast histologischer Auflösung darzustellen, sowie longitudinale Untersuchungen im Verlauf der Erkrankung oder Therapie durchzuführen. In der Tiermedizin, vor allem in der Vogel-Ophthalmologie, wurde bis jetzt OCT nur sehr selten angewendet. Das Hauptziel dieser Studie war es daher, die Eignung der OCT-Technik als eine Darstellungsmethode in der Vogel-Ophthalmologie zu evaluieren. Um dieses Ziel zu erreichen, fokussierte diese Studie auf die Darstellung der physiologischen Retinastrukturen von Greifvögeln. Des Weiteren wurde die Anwendung von OCT bei vielen verschiedenen Greifvogelarten evaluiert, um erste Hinweise auf Unterschiede zwischen unterschiedlichen Arten und auf innerartliche Unterschiede der Retinastruktur zu gewinnen. Die Ergebnisse der OCT-Augenuntersuchungen wurden mittels histologischer Untersuchungen validiert. Um die Möglichkeiten der Darstellung der physiologischen Retinastrukturen von Greifvögeln mittels OCT zu überprüfen, wurden 56 wilde Tag- und Nachtgreifvögel drei verschiedener Familien und 12 verschiedener Arten untersucht. Alle einbezogenen Vögel waren Patienten der Klinik für Vögel, Reptilien, Amphibien und Zierfische der Ludwig-Maximilians-Universität München und wurden meist mit Verdacht auf Trauma vorgestellt. Die OCT-Untersuchungen wurden an Augen und Retinaregionen durchgeführt, welche nach einer vorherigen ophthalmologischen Untersuchung als gesund erachtet wurden. Bei Vögeln, die aufgrund ethischer und Tierschutzgründen euthanasiert werden mussten, wurden die Augen zur Validierung der OCT-Technik histologisch untersucht. Zur Darstellung der Retina wurde in der vorliegenden Untersuchung das Modell Spectralis® HRA+OCT Plus (Heidelberg Engineering, Heidelberg, Germany) verwendet. Die Bearbeitung der Fotos wurde mit der Spectralis Software Heidelberg Eye Explorer® (HEYEX) version 5.4 (October 2011, Heidelberg Engineering, Heidelberg, Germany) durchgeführt. Abhängig von der zu erwartenden Stresstoleranz des Patienten erfolgte die OCT Untersuchung im wachen Zustand oder es wurde vor Beginn der Untersuchung eine Sedation mit Midazolam (2 mg/kg KM) oder eine Inhalationsnarkose durchgeführt. Bei der Untersuchung des Fundus wurden fünf unterschiedliche Areale einbezogen, und zwar eine Region unmittelbar superior des Pecten oculi einschließlich eines Teils des Ansatzes des Sehnervenkopfes, die sagitalste Region des retinalen Äquators und des Fundus superior sowie die am weitesten temporal und nasal gelegenen Bereiche des Äquators. Dickemessungen der Retinaschichten in unterschiedlichen Retinaabschnitten wurden durchgeführt, um potentielle Dickeunterschiede darzustellen. Die Messungen beinhalteten erstens die gesamte Retina-Dicke (TRT) von dem retinalen Pigmentepithel bis zur Membrana limitans interna, zweitens die Nervenfaserschicht und Ganglienzellschicht (RNFL+GCL), drittens die äußere Retina (OR), mit den Schichten zwischen dem retinalen Pigmentepithel und der innersten Grenze der äußeren Körnerschicht, und viertens die Schichten zwischen dem retinalen Pigmentepithel und der äußeren Grenzmembran (RPE-ELM). Die histologischen Schnitte der Augen wurden nach einem Standardprotokoll mittels Davison’s Lösung als Fixation und Haematoxylin & Eosin Färbung angefertigt. Mittels OCT-Technik konnte die physiologische Struktur der Greifvogelretina mit einer Auflösung, die nicht von anderen tomographischen Techniken erreicht wird, reproduzierbar dargestellt werden. Die TRT und die RNFL+GCL war bei allen Spezies in der Region superior des Pectens maximal und verminderte sich zu den peripheren Regionen hin. Im Gegensatz dazu blieben die OR und die RPE-ELM von gleicher Dicke. Zwischen den einzelnen Spezies variierten die gemessenen Werte. Die gesamte Retinadicke (TRT) war bei Taggreifvögeln höher als bei Nachtgreifvögeln. Die Werte für OR und RPE-ELM hingegen waren bei Nachtgreifvögeln höer als bei Taggreifvögeln. Bei Pernis apivorus, Asio otus und Aegolius funereus konnte die äußere Körnerschicht nicht differenziert werden. Die OCT-Untersuchung der Greifvogel-Retina kann zusammenfassend als eine wertvolle Methode in der Vogelophthalmologie beurteilt werden. Diese Studie bietet die Grundlage für die Interpretation von OCT-Ergebnissen hinsichtlich pathologischer Veränderungen der Retina von Greifvögeln, sowie die Basis für eine in vivo Kontrolle von Krankheitsverläufen der Retina und die Beurteilung von Behandlungserfolgen über die Zeit.

Abstract

Optical coherence tomography (OCT) is a new technique which has recently been established for routine human ophthalmology, focusing on its potential to visualize retinal structures in vivo and non-invasive, without eye contact, in a quality close to histological sections. This technique therefore permits to detect ocular disorders at almost (interpolated) histological resolution and, to be pointed out, longitudinal investigations on the course of disease or therapy. In veterinary medicine, especially in avian ophthalmology, until now, OCT has been applied only very scarcely. The main purpose of the present study was to evaluate OCT technique as an adequate imaging method at the avian retina. The study focused on the visualization of the physiological retinal architecture in raptors. Secondly, the application of OCT was evaluated in a broad range of raptor species in order to get first indications of interspecific variations in retinal structure revealed by OCT. Finally, the results of OCT eye examination were validated using histology. In order to test the potential of OCT to visualize the physiological retinal architecture in raptors, 56 diurnal and nocturnal wild raptors belonging to 3 orders and 12 species, underwent OCT examination. All these birds were patients of the Clinic for Birds, Reptiles, Amphibians and Ornamental Fish of the University Ludwig Maximilian (Munich) and were brought to the clinic mainly with a history of trauma. The OCT examination was performed on eyes and retinal regions considered healthy based on a previous ophthalmoscopical examination. The eyes of the patients euthanized due to humanitarian reasons were destined to histology in order to validate the technique. A Spectralis® HRA+OCT Plus (Heidelberg Engineering, Heidelberg, Germany) was used to image and evaluate the retina of the patients. The processing of the pictures was made with the software Spectralis Software Heidelberg Eye Explorer® (HEYEX) version 5.4 (October 2011, Heidelberg Engineering, Heidelberg, Germany). Depending on the expected stress tolerance, the OCT examination was performed with the patient awake, under sedation with Midazolam (2 mg/kg BW) or under general anaesthesia with isoflurane inhalation anaesthesia. The areas of the fundus considered were the superior portion of the Pecten oculi including a part of the optical nerve head (ONH), the most sagittal area of the retinal equator, the most sagittal area of the superiorly visualized fundus, the most temporal equatorial fundus area and the most nasal equatorial fundus area. Thickness measurements of retinal layers in the different retinal areas were performed in order to record potential thickness variations. Measurements included first, the total retinal thickness, from the retinal pigment epithelium up to the internal limiting membrane; second, the retinal nerve fiber layer and ganglion cell layer; third, the outer retina, which included the layers between the retinal pigment epithelium up to the innermost border of the outer nuclear layer; and fourth, the layers between the retinal pigment epithelium and the external limiting membrane. The histological processing of the eyes followed a conventional method to obtain histological sections of the retina in birds, using the Davison’s solution as fixation solution, and haematoxylin & eosin staining. The physiological architecture of the raptor retina imaged could be visualized with reproduceable results, and at a resolution not available to date. Regarding the intraspecific variations, the total retinal thickness (TRT) and the retinal nerve fiber layer and anglion cell layer (RNFL+GCL) were maximal at the region cranial to the pecten and decreased to the peripheral regions in all the species. On the contrary, the outer retina (OR) and the layers between the retinal pigment epithelium and external limiting membrane (RPE-ELM) maintained their size along the whole retina. Between species, the thickness of the different retinal measurements varied. The TRT was higher in diurnal species than in nocturnal species. By contrast, OR and RPE-ELM showed higher measurements in the nocturnal species than in the diurnal species. In the species Pernis apivorus, Asio otus, and Aegolius funereus, the outer nuclear layer (ONL) could not be distinguished. In summary, the optical coherence examination of the raptor retina may be considered as an invaluable tool in the avian ophthalmology. This study provides a basis to perform a more accurate interpretation of pathological findings observed with OCT in the retina of birds of prey.

Abstract

La tomografía de coherencia óptica (OCT) es una técnica recientemente establecida en oftalmología humana de rutina, centrándose en la visualización de las estructuras de la retina en vivo, de forma no invasiva, sin contacto con el paciente y en una calidad cercana a la histología. Por ello esta técnica permite detectar desordenes oculares mínimos y de forma longitudinal, con lo que se puede seguir el curso de la enfermedad y la evolución de la terapia. En medicina veterinaria, especialmente en oftalmología aviar, esta técnica se ha aplicado de forma escasa. El objetivo principal del presente estudio fue evaluar la técnica de la OCT como método adecuado en oftalmología aviar. Para alcanzar este propósito el estudio se centró en la visualización de la arquitectura fisiológica de la retina en rapaces. Para ello se evaluó la aplicación de la OCT en un gran rango de especies de rapaces para obtener los primeros indicios de variaciones intraespecíficas en la estructura de la retina reveladas con la OCT. Para finalizar, los resultados se validarían utilizando histología. Como materiales y métodos para evaluar el potencial de la OCT se examinaron 56 aves rapaces, diurnas y nocturnas, de 3 órdenes y 12 especies. Los pacientes fueron en todos los casos de la Clínica de Aves, Reptiles, Anfibios y Peces Ornamentales de la Universidad Ludwig-Maximilian de Munich, prácticamente todos ellos a causa de un traumatismo. La OCT se llevó a cabo en los ojos y en las zonas de la retina consideradas sanas tras un previo examen oftalmoscópico. Los ojos de las aves que debieron eutanasiarse por razones de bienestar animal se destinaron a la validación de la técnica por medio de histología. El aparato utilizado para visualizar la retina de los pacientes fue el Spectralis® HRA+OCT Plus (Heidelberg Engineering, Heidelberg, Alemania) y el procesamiento de las imágenes a través del software Spectralis Software Heidelberg Eye Explorer® (HEYEX) versión 5.4 (Octubre 2011, Heidelberg Engineering, Heidelberg, Alemania). Dependiendo de la tolerancia demostrada por el paciente, la OCT se realizó con el paciente despierto, en sedación con midazolam (2 mg/Kg. MC) o bajo anestesia inhalatoria general. Las áreas del fondo de ojo consideradas en el estudio fueron la porción superior del Pecten oculi, incluyendo una parte de la cabeza del nervio óptico, las zonas más sagitales del ecuador y de la zona más superior visualizada y las zonas ecuatoriales más temporales y nasales visualizadas. En cada sección de cada área se llevaron a cabo medidas del grosor de las capas de la retina tales como el grosor de la retina total (TRT), la capa de fibras nerviosas de la retina junto con la capa de células ganglionares (RNFL+GCL), la retina externa (OR), y por último las capas comprendidas entre el epitelio pigmentario retiniano y la membrana limitante externa (RPE-ELM). Posteriormente los ojos a disposición de los pacientes eutanasiados se sometieron al procesado histológico utilizando como solución fijadora la solución de Davidson, y una tinción convencional de hematoxilina & eosina. La arquitectura fisiológica de la retina se visualizó de manera fiable con la técnica de la OCT, alcanzando resoluciones no posibles de alcanzar mediante otras técnicas topográficas. Entre las variaciones intraespecíficas observadas, se obtuvo como resultado que el TRT y el RNFL+GCL alcanzan valores máximos en el área craneal al pecten, y mínimos en las zonas de la retina excéntrica en todas las especies del estudio. Por el contrario, la OR y el RPE-ELM se mantuvieron constantes en grosor a lo largo de toda la retina. Se observaron grandes variaciones interespecíficas, entre los diferentes órdenes, y entre especies diurnas y nocturnas. El TRT es mayor en las especies diurnas que en las nocturnas. En cambio la OR y el RPE-ELM revelaron medidas más grandes en las especies nocturnas que en las diurnas. Una peculiaridad observada fue que en ciertas especies como Pernis apivorus, Asio otus, y Aegolius funereus, no se pudo observar la capa nuclear externa. Para finalizar, la tomografía ce coherencia óptica en cuanto al examen de la retina de las aves rapaces puede considerarse como una herramienta de incalculable valor en la oftalmología aviar. Este estudio proporciona la base para llevar a cabo una interpretación más exacta y adecuada de los hallazgos patológicos observados con la técnica de OCT en la retina de las aves rapaces.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Keywords: Optical Coherence Tomography, OCT, raptor, avian eye, retina, histology
• Themengebiete: 500 Naturwissenschaften und Mathematik ; 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 590 Tiere (Zoologie)
• Fakultäten: Tierärztliche Fakultät
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 31. Januar 2015
• 1. Bericht­erstatter:in: Korbel, Rüdiger