Abstract Phase-sensitive Fourier-domain optical coherence tomography (FD-OCT) enables label-free imaging of cellular movements in vivo with detection sensitivity down to the nanometer scale. Due to this high sensitivity, it is widely employed in various emerging functional imaging modalities such as optoretinography (ORG), optical coherence elastography (OCE), and optical coherence tomography angiography (OCTA). However, achieving shot-noise limited detection sensitivity remains a major challenge for in-vivo measurements where the sample is constantly affected by vascular pulsation, breathing, eye and head motion, and other involuntary movements. Here, we propose a phase-restoring subpixel motion correction (PRSMC) method for post-hoc image registration in FD-OCT. Based on a generalized FD-OCT model, this method enables translational shifts of OCT images by arbitrary displacements while accurately restoring physically meaningful phase components, both with subpixel precision. With the sample movements estimated from averaged Doppler shift or normalized cross-correlation, we reconstructed the OCT images by correcting the axial displacement in the spectrum ( k ) domain and the lateral displacement in the spatial frequency domain, respectively. We validated our method in simulations, phantom experiments, and in-vivo optoretinogram imaging, where the advantages over conventional approaches for both amplitude stability and phase accuracy were demonstrated. Our approach significantly reduces the motion-induced phase error (MIPE) when imaging moving samples, achieving systematic phase sensitivities close to the shot-noise regime.

Abstract Phototransduction involves changes in concentration of ions and other solutes within photoreceptors and in subretinal space, which affect osmotic pressure and the associated water flow. Corresponding expansion and contraction of cellular layers can be imaged using optoretinography (ORG), based on phase-resolved optical coherence tomography (OCT). Until now, ORG could reliably detect only photoisomerization and phototransduction in photoreceptors, primarily in cones under bright stimuli. Here, by employing a phase-restoring subpixel motion correction algorithm, which enables imaging of the nanometer-scale tissue dynamics during minute-long recordings, and unsupervised learning of spatiotemporal patterns, we discover optical signatures of the other retinal structures’ response to visual stimuli. These include inner and outer segments of rod photoreceptors, retinal pigment epithelium, and subretinal space in general. The high sensitivity of our technique enables detection of the retinal responses to dim stimuli: down to 0.01% bleach level, corresponding to natural levels of scotopic illumination. We also demonstrate that with a single flash, the optoretinogram can map retinal responses across a 12° field of view, potentially replacing multifocal electroretinography. This technique expands the diagnostic capabilities and practical applicability of optoretinography, providing an alternative to electroretinography, while combining structural and functional retinal imaging in the same OCT machine.

ABSTRACT Bacterial keratitis (BK) is a major cause of corneal blindness globally. This study aimed to develop a novel class of antimicrobial therapy, based on human-derived hybrid host defense peptides (HyHDPs), for treating BK. HyHDPs were rationally designed through combination of functional amino acids in parent HDPs, including LL-37 and human beta-defensin (HBD)-1 to −3. Minimal inhibitory concentrations (MICs) and time-kill kinetics assay were performed to determine the concentration- and time-dependent antimicrobial activity and cytotoxicity was evaluated against human corneal epithelial cells and erythrocytes. In vivo safety and efficacy of the most promising peptide was examined in the corneal wound healing and Staphylococcus aureus (ATCC SA29213) keratitis murine models, respectively. A second-generation HyHDP (CaD23), based on rational hybridization of the middle residues of LL-37 and C-terminal of HBD-2, was developed and was shown to demonstrate good efficacy against methicillin-sensitive and methicillin-resistant S. aureus [MIC=12.5-25.0μg/ml (5.2-10.4μM)] and S. epidermidis [MIC=12.5μg/ml (5.2μM)], and moderate efficacy against P. aeruginosa [MIC=25-50μg/ml (10.4-20.8μM)]. CaD23 (at 25μg/ml or 2x MIC) killed all the bacteria within 30 mins, which was 8 times faster than amikacin (25μg/ml or 20x MIC). After 10 consecutive passages, CaD23 did not develop any antimicrobial resistance (AMR) whereas amikacin, a commonly used treatment for BK, developed significant AMR (i.e. a 32-fold increase in MIC). Pre-clinical murine studies showed that CaD23 (0.5mg/ml) achieved a median reduction of S. aureus bioburden by 94% (or 1.2 log 10 CFU/ml) while not impeding corneal epithelial wound healing. In conclusion, rational hybridization of human-derived HDPs has led to generation of a potentially efficacious and safe topical antimicrobial agent for treating Gram-positive BK, with no/minimal risk of developing AMR.

Abstract Background To evaluate the impact of full-spectrum light-emitting diodes (LEDs) mimicking sunlight on ocular axial elongation and refractive error development in a chicken model of myopia. Methods A total of 39 chicks (Lohmann brown), 1 day-old, were randomly distributed into 3 groups. Animals were housed for 28 days in a temperature-controlled enclosure, under a 12/12h light/dark cycle of isoluminant (∼285 Lux) fluorescent [n = 18, (4000K, FL-4000)] or Sunlike-LED [n=12, (4000K, SL-4000); n = 9, (6500K, SL-6500)] white lights. Myopia was induced monocularly in all chicks by random occlusion of one eye with a frosted diffuser, from day 1 post-hatching (D1) until D14. On D14, diffusers were removed, and recovery from myopia was monitored under the same experimental light condition. Axial length (AL), refractive status, choroidal thickness and anterior chamber depth were recorded on days 1, 7, 14, 22 and 28. Ex vivo scleral collagen fibre thicknesses were measured from scanning electron microscopy images. Differences in outcome measures between eyes and groups were compared using 2-way repeated-measures ANOVA. Results There was no significant difference between groups in the AL and refraction of form-deprived (FD) eyes during form-deprivation (D1 to D14). FD eyes of animals raised under SL-4000 and SL-6500 recovered more rapidly from excessive axial elongation than those of animals raised under FL-4000, by D22 and D28. Correspondingly, the refractive status of FD eyes exposed to SL-4000 and SL-6500 was close to that of control eyes by D28. The choroid became thicker during recovery in FD eyes compared to control eyes, in all groups. Choroidal thickness was significantly greater in FD eyes of chickens raised under SL-6500 than in animals raised under FL-4000 ( P < 0.01). The diameter of scleral collagen fibrils was significantly greater in recovering FD eyes of chickens raised under SL-6500, than in those raised under FL-4000 ( P = 0.04) and SL-4000 ( P = 0.002). Conclusions Compared to fluorescent light, moderate intensities of full-spectrum Sunlike-LEDs can accelerate recovery from form-deprivation myopia in chickens, potentially through choroid-mediated pathways increasing the diameter of scleral collagen fibrils. This study highlights an important implication of the spectral content of white light on ocular growth and emmetropization.

Phototransduction involves changes in concentration of ions and other solutes within photoreceptors and in subretinal space, which affect osmotic pressure and the associated water flow. Corresponding expansion and contraction of cellular layers can be imaged using optoretinography (ORG), based on phase-resolved optical coherence tomography (OCT). Until now, ORG could reliably detect only photoisomerization and phototransduction in photoreceptors, primarily in cones under very bright stimuli. By employing a novel subpixel bulk motion correction algorithm, which enabled imaging of the nanometer-scale tissue dynamics during minute-long recordings, and unsupervised learning of spatiotemporal patterns, we discovered optical signatures of the other retinal structures’ response to visual stimuli. These include inner and outer segments of rod photoreceptors, retinal pigment epithelium, and subretinal space in general. High sensitivity of our technique enabled detection of the retinal responses to very dim stimuli: down to 0.01% bleach level, corresponding to natural levels of scotopic illumination. We also demonstrated that with a single flash, the optoretinogram can map retinal responses across a 12°field of view, potentially replacing multifocal electroretinography, with its long acquisition time and low spatial resolution. This new technique expands the diagnostic capabilities and practical applicability of optoretinography, providing a more complete replacement of electroretinography, while combining structural and functional retinal imaging in the same OCT machine.

Abstract PURPOSE To evaluate the impact of optical versus illuminance factors and their duration-dependency on lens-induced hyperopia (LIH) in chick eyes. METHODS Hyperopia was induced in one eye in chicks (10 groups, n=126) from day 1 (D1) post-hatching until D8 using +10 D lenses with fellow eyes as controls. One group (LIH) served as the control without any interventions. Remaining groups were exposed to 2, 4 or 6 hours of unrestricted vision (UnV), high intensity light (HL), or both (HL +UnV). Ocular axial length (AL), refractive error, and choroidal thickness were measured on days 1, 4, and 8. Inter-ocular difference (IOD = experimental - contralateral eye) ± SEM was used to express outcome measures. RESULTS By D8, LIH decreased AL (-0.42±0.03 mm) and produced hyperopic refraction (+3.48±0.32 D) and choroidal thickening (+85.81±35.23 µm) in the LIH group (all, P<0.001). Exposure to UnV reduced LIH (i.e., hyperopic refraction, axial shortening, and choroidal thickening) in a duration-dependent manner, whereas HL potentiated the development of LIH in a duration-dependent manner. When combined, UnV overpowered HL, with resultant impact on refraction and AL being close to UnV alone, except after 6 hours, when HL+UnV induced shorter AL compared to UnV alone (P=0.03). CONCLUSION Daily exposure to HL, UnV, and HL+UnV altered LIH in a duration-dependent manner with UnV and LIH producing competing signals. The signal generated by UnV was generally stronger than HL in combined exposure, yet longer durations of HL affected the drive for emmetropization in eyes with UnV.

Abstract PURPOSE To evaluate the duration-dependent and synergetic impact of high-intensity light (HL) and optical refocus (RF) on lens-induced myopia (LIM) development in chickens. METHODS Myopia was induced in one eye in chicks (10 groups, n=126) from day 1 post- hatching (D1) until D8 using -10D lenses. Fellow eyes remained uncovered as controls. Nine groups were exposed daily to continuous 2 hours (h), 4h, or 6h of either HL (15,000 lux); RF (removal of -10D lens); or both (HL+RF). One group served as the LIM group without any interventions. Ocular axial length (AL), refractive error, and choroidal thickness were measured on D1, D4, and D8. Outcome measures are expressed as inter-ocular difference (IOD= experimental - control eye) ±SEM. RESULTS By D8, LIM increased AL (0.36±0.04 mm), myopic refraction (-9.02±0.37D), and choroidal thinning (-90.27±16.44 µm) in the LIM group (all, P<0.001). Compared to the LIM group, exposure to 2h, 4h, or 6h of HL, RF, or HL+RF reduced myopic refraction in a duration-dependent manner, with RF being more effective than HL (P<0.05). Only 6h of HL+RF (not 2h or 4h) prevented LIM and was more effective than RF (P=0.004) or HL (P<0.001) in reducing myopic refraction, and more effective than HL (P<0.001) in reducing axial elongation. CONCLUSION Daily exposure to 2h, 4h, or 6h of HL, RF, or HL+RF reduced lens-induced myopic refraction in a duration-dependent manner in chickens. Only 6h of HL+RF completely stopped LIM development. The synergetic effect of HL and RF is dependent on the duration of the interventions.