Abstract

In this Letter, we demonstrate high resolution, three-dimensional optical imaging of in vivo blood vessel networks using speckle variance optical coherence tomography, and the quantification of these images through the development of biologically relevant metrics using image processing and segmentation techniques. Extracted three-dimensional metrics include vascular density, vessel tortuosity, vascular network fractal dimension, and tissue vascularity. We demonstrate the ability of this quantitative imaging approach to characterize normal and tumor vascular networks in a preclinical animal model and the potential for quantitative, longitudinal vascular treatment response monitoring.

© 2012 Optical Society of America

Full Article  |  PDF Article

References

  • View by:
  • |
  • |
  • |

  1. R. K. Jain, Nat. Med. 7, 987 (2001).
    [CrossRef]
  2. D. W. Siemann and M. R. Horsman, Cell Tissue Res. 335, 241 (2009).
    [CrossRef]
  3. S. J. Lunt, C. Gray, C. C. Reyes-Aldasoro, S. J. Matcher, and G. M. Tozer, J. Biomed. Opt. 15, 011113 (2010).
    [CrossRef]
  4. A. Mariampillai, B. A. Standish, E. H. Moriyama, M. Khurana, N. R. Munce, M. K. K. Leung, J. Jiang, A. Cable, B. C. Wilson, I. A. Vitkin, and V. X. D. Yang, Opt. Lett. 33, 1530 (2008).
    [CrossRef]
  5. A. Mariampillai, M. K. K. Leung, M. Jarvi, B. A. Standish, K. Lee, B. C. Wilson, I. A. Vitkin, and V. X. D. Yang, Opt. Lett. 35, 1257 (2010).
    [CrossRef]
  6. B. J. Vakoc, R. M. Lanning, J. A. Tyrell, T. P. Padera, L. A. Bartlett, T. Stylianopoulos, L. L. Munn, G. J. Tearney, D. Fukumura, R. K. Jain, and B. E. Bouma, Nat. Med. 15, 1219 (2009).
    [CrossRef]
  7. T. Ju, M. L. Baker, and W. Chiu, Comput.-Aided Des. 39, 352 (2007).
    [CrossRef]
  8. S. Abeysinghe, http://gorgon.wustl.edu/index.php .
  9. K. Norrby, Microvasc. Res. 55, 43 (1998).
    [CrossRef]
  10. M. Potente, H. Gerhardt, and P. Carmeliet, Cell 146, 873 (2011).
    [CrossRef]
  11. S. Goel, D. G. Duda, L. Xu, L. L. Munn, Y. Boucher, D. Fukumura, and R. K. Jain, Physiol. Rev. 91, 1071 (2011).
    [CrossRef]
  12. J. W. Baish and R. K. Jain, Cancer Res. 60, 3683 (2000).
  13. S. Lorthois and F. Cassot, J. Theor. Biol. 262, 614 (2010).
    [CrossRef]
  14. J. M. Brown, J. Natl. Cancer Inst. 82, 338 (1990).
    [CrossRef]

2011

M. Potente, H. Gerhardt, and P. Carmeliet, Cell 146, 873 (2011).
[CrossRef]

S. Goel, D. G. Duda, L. Xu, L. L. Munn, Y. Boucher, D. Fukumura, and R. K. Jain, Physiol. Rev. 91, 1071 (2011).
[CrossRef]

2010

S. Lorthois and F. Cassot, J. Theor. Biol. 262, 614 (2010).
[CrossRef]

S. J. Lunt, C. Gray, C. C. Reyes-Aldasoro, S. J. Matcher, and G. M. Tozer, J. Biomed. Opt. 15, 011113 (2010).
[CrossRef]

A. Mariampillai, M. K. K. Leung, M. Jarvi, B. A. Standish, K. Lee, B. C. Wilson, I. A. Vitkin, and V. X. D. Yang, Opt. Lett. 35, 1257 (2010).
[CrossRef]

2009

B. J. Vakoc, R. M. Lanning, J. A. Tyrell, T. P. Padera, L. A. Bartlett, T. Stylianopoulos, L. L. Munn, G. J. Tearney, D. Fukumura, R. K. Jain, and B. E. Bouma, Nat. Med. 15, 1219 (2009).
[CrossRef]

D. W. Siemann and M. R. Horsman, Cell Tissue Res. 335, 241 (2009).
[CrossRef]

2008

2007

T. Ju, M. L. Baker, and W. Chiu, Comput.-Aided Des. 39, 352 (2007).
[CrossRef]

2001

R. K. Jain, Nat. Med. 7, 987 (2001).
[CrossRef]

2000

J. W. Baish and R. K. Jain, Cancer Res. 60, 3683 (2000).

1998

K. Norrby, Microvasc. Res. 55, 43 (1998).
[CrossRef]

1990

J. M. Brown, J. Natl. Cancer Inst. 82, 338 (1990).
[CrossRef]

Baish, J. W.

J. W. Baish and R. K. Jain, Cancer Res. 60, 3683 (2000).

Baker, M. L.

T. Ju, M. L. Baker, and W. Chiu, Comput.-Aided Des. 39, 352 (2007).
[CrossRef]

Bartlett, L. A.

B. J. Vakoc, R. M. Lanning, J. A. Tyrell, T. P. Padera, L. A. Bartlett, T. Stylianopoulos, L. L. Munn, G. J. Tearney, D. Fukumura, R. K. Jain, and B. E. Bouma, Nat. Med. 15, 1219 (2009).
[CrossRef]

Boucher, Y.

S. Goel, D. G. Duda, L. Xu, L. L. Munn, Y. Boucher, D. Fukumura, and R. K. Jain, Physiol. Rev. 91, 1071 (2011).
[CrossRef]

Bouma, B. E.

B. J. Vakoc, R. M. Lanning, J. A. Tyrell, T. P. Padera, L. A. Bartlett, T. Stylianopoulos, L. L. Munn, G. J. Tearney, D. Fukumura, R. K. Jain, and B. E. Bouma, Nat. Med. 15, 1219 (2009).
[CrossRef]

Brown, J. M.

J. M. Brown, J. Natl. Cancer Inst. 82, 338 (1990).
[CrossRef]

Cable, A.

Carmeliet, P.

M. Potente, H. Gerhardt, and P. Carmeliet, Cell 146, 873 (2011).
[CrossRef]

Cassot, F.

S. Lorthois and F. Cassot, J. Theor. Biol. 262, 614 (2010).
[CrossRef]

Chiu, W.

T. Ju, M. L. Baker, and W. Chiu, Comput.-Aided Des. 39, 352 (2007).
[CrossRef]

Duda, D. G.

S. Goel, D. G. Duda, L. Xu, L. L. Munn, Y. Boucher, D. Fukumura, and R. K. Jain, Physiol. Rev. 91, 1071 (2011).
[CrossRef]

Fukumura, D.

S. Goel, D. G. Duda, L. Xu, L. L. Munn, Y. Boucher, D. Fukumura, and R. K. Jain, Physiol. Rev. 91, 1071 (2011).
[CrossRef]

B. J. Vakoc, R. M. Lanning, J. A. Tyrell, T. P. Padera, L. A. Bartlett, T. Stylianopoulos, L. L. Munn, G. J. Tearney, D. Fukumura, R. K. Jain, and B. E. Bouma, Nat. Med. 15, 1219 (2009).
[CrossRef]

Gerhardt, H.

M. Potente, H. Gerhardt, and P. Carmeliet, Cell 146, 873 (2011).
[CrossRef]

Goel, S.

S. Goel, D. G. Duda, L. Xu, L. L. Munn, Y. Boucher, D. Fukumura, and R. K. Jain, Physiol. Rev. 91, 1071 (2011).
[CrossRef]

Gray, C.

S. J. Lunt, C. Gray, C. C. Reyes-Aldasoro, S. J. Matcher, and G. M. Tozer, J. Biomed. Opt. 15, 011113 (2010).
[CrossRef]

Horsman, M. R.

D. W. Siemann and M. R. Horsman, Cell Tissue Res. 335, 241 (2009).
[CrossRef]

Jain, R. K.

S. Goel, D. G. Duda, L. Xu, L. L. Munn, Y. Boucher, D. Fukumura, and R. K. Jain, Physiol. Rev. 91, 1071 (2011).
[CrossRef]

B. J. Vakoc, R. M. Lanning, J. A. Tyrell, T. P. Padera, L. A. Bartlett, T. Stylianopoulos, L. L. Munn, G. J. Tearney, D. Fukumura, R. K. Jain, and B. E. Bouma, Nat. Med. 15, 1219 (2009).
[CrossRef]

R. K. Jain, Nat. Med. 7, 987 (2001).
[CrossRef]

J. W. Baish and R. K. Jain, Cancer Res. 60, 3683 (2000).

Jarvi, M.

Jiang, J.

Ju, T.

T. Ju, M. L. Baker, and W. Chiu, Comput.-Aided Des. 39, 352 (2007).
[CrossRef]

Khurana, M.

Lanning, R. M.

B. J. Vakoc, R. M. Lanning, J. A. Tyrell, T. P. Padera, L. A. Bartlett, T. Stylianopoulos, L. L. Munn, G. J. Tearney, D. Fukumura, R. K. Jain, and B. E. Bouma, Nat. Med. 15, 1219 (2009).
[CrossRef]

Lee, K.

Leung, M. K. K.

Lorthois, S.

S. Lorthois and F. Cassot, J. Theor. Biol. 262, 614 (2010).
[CrossRef]

Lunt, S. J.

S. J. Lunt, C. Gray, C. C. Reyes-Aldasoro, S. J. Matcher, and G. M. Tozer, J. Biomed. Opt. 15, 011113 (2010).
[CrossRef]

Mariampillai, A.

Matcher, S. J.

S. J. Lunt, C. Gray, C. C. Reyes-Aldasoro, S. J. Matcher, and G. M. Tozer, J. Biomed. Opt. 15, 011113 (2010).
[CrossRef]

Moriyama, E. H.

Munce, N. R.

Munn, L. L.

S. Goel, D. G. Duda, L. Xu, L. L. Munn, Y. Boucher, D. Fukumura, and R. K. Jain, Physiol. Rev. 91, 1071 (2011).
[CrossRef]

B. J. Vakoc, R. M. Lanning, J. A. Tyrell, T. P. Padera, L. A. Bartlett, T. Stylianopoulos, L. L. Munn, G. J. Tearney, D. Fukumura, R. K. Jain, and B. E. Bouma, Nat. Med. 15, 1219 (2009).
[CrossRef]

Norrby, K.

K. Norrby, Microvasc. Res. 55, 43 (1998).
[CrossRef]

Padera, T. P.

B. J. Vakoc, R. M. Lanning, J. A. Tyrell, T. P. Padera, L. A. Bartlett, T. Stylianopoulos, L. L. Munn, G. J. Tearney, D. Fukumura, R. K. Jain, and B. E. Bouma, Nat. Med. 15, 1219 (2009).
[CrossRef]

Potente, M.

M. Potente, H. Gerhardt, and P. Carmeliet, Cell 146, 873 (2011).
[CrossRef]

Reyes-Aldasoro, C. C.

S. J. Lunt, C. Gray, C. C. Reyes-Aldasoro, S. J. Matcher, and G. M. Tozer, J. Biomed. Opt. 15, 011113 (2010).
[CrossRef]

Siemann, D. W.

D. W. Siemann and M. R. Horsman, Cell Tissue Res. 335, 241 (2009).
[CrossRef]

Standish, B. A.

Stylianopoulos, T.

B. J. Vakoc, R. M. Lanning, J. A. Tyrell, T. P. Padera, L. A. Bartlett, T. Stylianopoulos, L. L. Munn, G. J. Tearney, D. Fukumura, R. K. Jain, and B. E. Bouma, Nat. Med. 15, 1219 (2009).
[CrossRef]

Tearney, G. J.

B. J. Vakoc, R. M. Lanning, J. A. Tyrell, T. P. Padera, L. A. Bartlett, T. Stylianopoulos, L. L. Munn, G. J. Tearney, D. Fukumura, R. K. Jain, and B. E. Bouma, Nat. Med. 15, 1219 (2009).
[CrossRef]

Tozer, G. M.

S. J. Lunt, C. Gray, C. C. Reyes-Aldasoro, S. J. Matcher, and G. M. Tozer, J. Biomed. Opt. 15, 011113 (2010).
[CrossRef]

Tyrell, J. A.

B. J. Vakoc, R. M. Lanning, J. A. Tyrell, T. P. Padera, L. A. Bartlett, T. Stylianopoulos, L. L. Munn, G. J. Tearney, D. Fukumura, R. K. Jain, and B. E. Bouma, Nat. Med. 15, 1219 (2009).
[CrossRef]

Vakoc, B. J.

B. J. Vakoc, R. M. Lanning, J. A. Tyrell, T. P. Padera, L. A. Bartlett, T. Stylianopoulos, L. L. Munn, G. J. Tearney, D. Fukumura, R. K. Jain, and B. E. Bouma, Nat. Med. 15, 1219 (2009).
[CrossRef]

Vitkin, I. A.

Wilson, B. C.

Xu, L.

S. Goel, D. G. Duda, L. Xu, L. L. Munn, Y. Boucher, D. Fukumura, and R. K. Jain, Physiol. Rev. 91, 1071 (2011).
[CrossRef]

Yang, V. X. D.

Cancer Res.

J. W. Baish and R. K. Jain, Cancer Res. 60, 3683 (2000).

Cell

M. Potente, H. Gerhardt, and P. Carmeliet, Cell 146, 873 (2011).
[CrossRef]

Cell Tissue Res.

D. W. Siemann and M. R. Horsman, Cell Tissue Res. 335, 241 (2009).
[CrossRef]

Comput.-Aided Des.

T. Ju, M. L. Baker, and W. Chiu, Comput.-Aided Des. 39, 352 (2007).
[CrossRef]

J. Biomed. Opt.

S. J. Lunt, C. Gray, C. C. Reyes-Aldasoro, S. J. Matcher, and G. M. Tozer, J. Biomed. Opt. 15, 011113 (2010).
[CrossRef]

J. Natl. Cancer Inst.

J. M. Brown, J. Natl. Cancer Inst. 82, 338 (1990).
[CrossRef]

J. Theor. Biol.

S. Lorthois and F. Cassot, J. Theor. Biol. 262, 614 (2010).
[CrossRef]

Microvasc. Res.

K. Norrby, Microvasc. Res. 55, 43 (1998).
[CrossRef]

Nat. Med.

B. J. Vakoc, R. M. Lanning, J. A. Tyrell, T. P. Padera, L. A. Bartlett, T. Stylianopoulos, L. L. Munn, G. J. Tearney, D. Fukumura, R. K. Jain, and B. E. Bouma, Nat. Med. 15, 1219 (2009).
[CrossRef]

R. K. Jain, Nat. Med. 7, 987 (2001).
[CrossRef]

Opt. Lett.

Physiol. Rev.

S. Goel, D. G. Duda, L. Xu, L. L. Munn, Y. Boucher, D. Fukumura, and R. K. Jain, Physiol. Rev. 91, 1071 (2011).
[CrossRef]

Other

S. Abeysinghe, http://gorgon.wustl.edu/index.php .

Cited By

OSA participates in CrossRef's Cited-By Linking service. Citing articles from OSA journals and other participating publishers are listed here.

Alert me when this article is cited.


Figures (3)

Fig. 1.
Fig. 1.

(a) DSWC model. White square outlines svOCT image area in (b). (b) svOCT image of in vivo normal vasculature. svOCT images are color-depth encoded, color bar represents vessel depth in tissue from the coverslip in μm. White box outlines region of interest (ROI) in (d), (e), and (f). (c) svOCT image of tumor vasculature overlaid with fluorescent ME180 tumor cells (cyan). (d) Normal ROI from (b). (e) 3D binary isosurface rendering of (d). (f) 3D isosurface representation of the 3D skeleton of (d). Scale bars 1 mm.

Fig. 2.
Fig. 2.

Quantitative results comparing tumor and normal vascular characteristics for the four different metrics derived from 3D skeletonization of svOCT images (n=3 animals for each group). Error bars represent standard deviation between mice.

Fig. 3.
Fig. 3.

Isosurface rendering of 3D svOCT image (red=vessels) and areas of tissue more than 100 μm from any vessel in 3D (blue=potential hypoxic tissue) for (a) normal and (b) tumor vasculature. (ROI=2.4mm×2.4mm×0.5mm) (c) Comparison of normal (n=3) and tumor (n=3) tissue vascularization distribution; error bars represent standard deviation of histogram values between mice.

Equations (1)

Equations on this page are rendered with MathJax. Learn more.

SVijk=1Nn=1N(Iijkn1Nn=1NIijkn)2.

Metrics