Projekt

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Ex-vivo functional imaging of the neuro-retina

Titel Englisch Ex-vivo functional imaging of the neuro-retina
Gesuchsteller/in Laforest Timothé
Nummer 178253
Förderungsinstrument Bridge - Proof of Concept
Forschungseinrichtung Laboratoire de systèmes photoniques appliqués EPFL - STI - IMT - LAPD
Hochschule EPF Lausanne - EPFL
Hauptdisziplin Andere Gebiete der Ingenieurwissenschaften
Beginn/Ende 01.01.2018 - 31.12.2018
Bewilligter Betrag 127'904.00
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Alle Disziplinen (2)

Disziplin
Andere Gebiete der Ingenieurwissenschaften
Ophthalmologie

Keywords (5)

functional retinal imaging; neuronal imaging; ganglion cells; phase contrast; ex-vivo retinal imaging

Lay Summary (Französisch)

Lead
L’évaluation et la suivi de la santé des cellules dans la rétine humaine est crucial pour comprendre les pathologies rétiniennes. A travers cet objectif, un défi majeur est d’imager les cellules neuronales de la rétine dans l’œil humain d’une manière non-invasive afin de détecter les anormalités bien avant qu’un changement physiologique ou pathologique arrive d’une part et de suivre et gérer les effets thérapeutiques de nouveaux médicaments d’autre part. Cependant, l’imagerie in-vivo de la plupart des cellules de la rétine est encore impossible malgré les avancées phénoménales en Tomographie Cohérente Optique (OCT) et de celles de l’optique adaptative. Cela vient du fait que ces cellules ont un contraste extrêmement faible. Le but ultime de ce projet est de développer l’imagerie des cellules neuronales de la rétine in-vivo.
Lay summary

Un premier pas pour imager la neuro-rétine ex-vivo a été réalisé. Il a permis d’observer avec succès la morphologie des cellules neuronales sur des rétines ex-vivo sans aucun marquage biologique. La technique actuelle pour imager la rétine ex-vivo consiste à marquer biologiquement chaque type de cellule avec un agent diffèrent. Un tel protocole est long et onéreux à développer. Par ailleurs, cela peut détruire la morphologie des cellules. Enfin, le marquage biologique n’est tout simplement pas une option pour imager les cellules in-vivo ou ex-vivo de manière fonctionnelle.

Actuellement, pour l’imagerie fonctionnelle ex-vivo de la neuro-rétine, l’échantillon est conservé sous perfusion et étudié en mesurant les signaux enregistrés grâce à une matrice de microélectrodes placée sur les cellules neuronales. Ainsi, la résolution spatiale, le champ de vision et la vitesse d’acquisition sont limités par ces électrodes (taille de 20-50 µm, matrice de ≈64x64). L’imagerie fonctionnelle optique n’a au contraire pas ces limitations.

L’invention au cœur de ce projet constitue une avancée majeure en utilisant une nouvelle méthode pour visualiser les cellules rétiniennes avec un excellent contraste et une haute résolution. La méthode met en œuvre une illumination oblique, qui génère des images en champ sombre. La lumière rétrodiffusée des couches profondes de la rétine (L’épithélium pigmentaire, RPE et la choroïde) produit une rétro-illumination oblique, la rétine se trouvant ainsi illuminée en transmission. En utilisant ensuite trois différentes directions d’illumination, il est possible de reconstruire une image de phase quantitative. Les images de phase quantitatives reconstruites sur des cellules de rétines ex-vivo humaine et de cochon ont été validées en comparant celles-ci avant des images d’un microscope de phase par holographie digitale. Nos images ont également été comparées à des images en fluorescence acquises avec un microscope confocal pour identifier des cellules comme les cellules ganglionnaires, les péricytes et les cellules microgliales qui n’ont encore jamais été imagées in-vivo.

A la fin du projet, nous espérons avoir construit un microscope expérimental pour l’imagerie fonctionnelle de la neuro-rétine, et montré la preuve de concept ainsi que la pertinence par rapport à de nouvelles possibilités en ophtalmologie et en neurologie.

Direktlink auf Lay Summary Letzte Aktualisierung: 19.12.2017

Verantw. Gesuchsteller/in und weitere Gesuchstellende

Mitarbeitende

Abstract

The invention at the heart of this project constitutes a major advance by using a novel method to visualize retinal cells with high contrast and resolution. The method uses oblique illumination, which provides a dark field configuration. The light backscattered by the bottom layers of the eye fundus, namely the Retinal Pigment Epithelium (RPE) and choroid, provides an oblique forward illumination of the retina, thus providing a transmission illumination condition. By using different oblique illumination directions, it is possible to reconstruct a quantitative phase image.A first step towards in-vivo neuronal cells imaging was achieved recently by the author who successfully imaged the morphology of neural cells in full retinas ex-vivo without any staining. The state-of-the-art ex-vivo full retina imaging consists of staining every type of cells with a distinctive contrast agent. Such a protocol is time consuming, expensive to develop and can destroy the cells ‘morphology. More importantly, staining is simply not an option for imaging in-vivo as well as ex-vivo retinas. Currently, ex-vivo retinas kept alive in a perfusion are studied by measuring the electrical signals from electrodes placed on top of the neuronal cells. Hence the spatial resolution, field of view and speed are limited by the electrodes. Thanks to promising structural, morphological ex-vivo imaging results, we aim to develop an ex-vivo instrument for functional imaging of the neural cells in the retina with the help of the BRIDGE grant. We expect this work to be a stepping-stone to translate the technique to in-vivo functional imaging of the neural cells in the retina. This implies designing and building a microscope compatible with the requirements of the experiments, such as generation of stimuli for the retina, synchronization of the imaging with the stimulation and oxygen perfusion of the retina sample. Within this project, the objective is to demonstrate all optical ex-vivo functional imaging of neuronal retinal cells. The experiment will be performed on mice retinas, with the help of Prof. Diego Ghezzi from EPFL, an expert in neuro-engineering.A market study will also be performed for the intent of creating a startup company to commercialize the ex-vivo microscope in a first stage followed in a second stage by an in-vivo instrument, which will take more time due to the ethical protocols, CE marking and patient testing. The team the applicant is leading is composed of Dino Carpentras (PhD student at LAPD) and Mathieu Künzi (Scientist at LAPD)
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