Gezielte Augenspektroskopie wirft neues Licht auf die Netzhautgesundheit

In einer kürzlich veröffentlichten Studie in der Zeitschrift für biomedizinische Optik, Forscher demonstrieren die multimodale Funktionalität der gezielten Augenfluoreszenzspektroskopie in vitro Und in vivo.

Studie: Gezielte Spektroskopie im Augenhintergrund. Bildnachweis: PeopleImages.com – Yuri A / Shutterstock.com

Hintergrund

Aufgrund von Augenerkrankungen wie diabetischer Retinopathie (DR), altersbedingter Makuladegeneration (AMD) und Glaukom treten einige typische strukturelle und funktionelle Veränderungen an den Augen auf, insbesondere am Augenhintergrund. Neurologische Erkrankungen wie die Alzheimer-Krankheit (AD) und die Parkinson-Krankheit (PD) können ebenfalls zu Netzhautveränderungen führen, wie etwa einer Ausdünnung der retinalen Nervenfaserschicht (RNFL) und Veränderungen der Hämodynamik.

Aufgrund der äußerst heterogenen Merkmale und Zusammensetzung des Augenhintergrunds sind Biomarker entweder im gesamten Gewebe weit verbreitet oder lokalisieren sich in bestimmten Regionen. Beispielsweise breiten sich β-Amyloid-Plaques über die gesamte Netzhaut von AD-Patienten aus, während bei Patienten mit DR lokalisierte Blutungen auftreten.

Typische bildgebende Verfahren liefern im Vergleich zur gezielten okularen diffusen Reflexionsspektroskopie (DRS) nicht genügend Daten zu Netzhautveränderungen, die durch diese Krankheiten hervorgerufen werden. Okulare DRS-Methoden ermöglichen die Spektralanalyse bestimmter Teile des Augenhintergrunds, einschließlich der Papille, der peripheren Netzhaut und der Fovea, zwischen 500 und 800 Nanometern (nm).

Mit der diffusen Reflexions- und Fluoreszenzspektroskopie können auch die Auswirkungen von Faktoren wie der Akkumulation von Lipofuscin, strukturellen Veränderungen der RNFL, dem Blutabsorptionsspektrum und dem Melanin-Spektralprofil aufgeklärt werden, die sich alle auf die optischen Eigenschaften von Netzhautgewebe auswirken.

Über die Studie

In der aktuellen Studie identifizieren Forscher die Schlüsselmerkmale der gezielten Augenspektroskopie-Technologie in vitro unter Verwendung eines Referenzziels und eines Modellauges. Das Referenzziel war ein ultrahochauflösender Bildschirm mit einem Raster aus acht verschiedenen Farben, vor dem die Funduskamera positioniert war und nur das vom Bildschirm emittierte Licht sammelte. Das OEMI-7-Augenmodell, eine 7-mm-Pupille, die das menschliche Auge genau simuliert, half bei der Validierung dieser DRS-Erfassungen.

Anschließend, in vivo Bildgebung und DRS wurden zur Beurteilung der Blutsauerstoffsättigung (StO) verwendet₂) im Sehnervenkopf und in der Parafovea von acht gesunden Studienteilnehmern, die vor der Studie ihre Einverständniserklärung abgegeben hatten. Diese Personen waren zwischen 27 und 35 Jahre alt, hatten keine systemischen Erkrankungen oder Medikamente und hatten nach Augenuntersuchungen normale Ergebnisse.

Die zeigende Leuchtdiode (LED) beleuchtete die genaue Position des tatsächlichen Bereichs der Spektralerfassung (ROSA), sodass die Kamera ihren Standort erfassen konnte. Es wurde eine zweistufige Aufnahmesequenz verwendet, gefolgt von kombinierter Bildgebung und gezielter Spektroskopie.

Der Standort des DRS-Erfassungsbereichs wurde anhand der ROSA-Bildsegmentierung bestimmt. Spektren wurden erfasst, indem das ROSA zur Spektralanalyse an sechs verschiedene Orte im Sichtfeld des Referenzziels bewegt wurde.

Bandpassfilter isolieren die Anregungsbeleuchtung für die Bildgebung mit grüner Fluoreszenz. Im Vergleich dazu ermöglichten Langpassfilter die ausschließliche Bildgebung und spektrale Erfassung des durch Fluoreszenz emittierten Lichts.

Die Spektralanalyse umfasste drei Verarbeitungsschritte, wobei die spektralen Beiträge des Umgebungslichts aus dem Spektrum entfernt wurden und anschließend die Wirkung des Spektrums der Beleuchtungsquelle bestimmt wurde. Das Lichtspektrum wurde dann normalisiert, um Unterschiede in der Signalintensität zu korrigieren.

Studienergebnisse

Das Modellauge erfasste Reflexionsspektren von Blutgefäßen, der Netzhaut in der Nähe des Sehnervenkopfes, dem Sehnervenkopf und der Netzhaut fern vom Sehnervenkopf (D). Die Blutgefäße und der Sehnerv zeigten deutlich unterschiedliche Reflexionsspektren. In ähnlicher Weise half das Modellauge bei der Durchführung einer Fluoreszenzanalyse für vier Regionen, wobei nur die Blutgefäße und der Sehnervenkopf Fluoreszenzsignale aussendeten.

Fünf-Sekunden-DRS-Aufnahmen entsprachen 13 erfassten Spektren und wurden bei allen acht Teilnehmern am Sehnervenkopf und an der Parafovea durchgeführt. Die durchschnittlichen Absorptionsspektren für beide Standorte zeigten interindividuelle Variabilität.

Alle bisherigen Methoden zur Bestimmung der Blutsauerstoffsättigung im Auge hatten eine begrenzte Empfindlichkeit und ermöglichten daher die relative Bestimmung von StO₂ nur für große Blutgefäße des Augenhintergrundes. In der aktuellen Studie führten Messungen der Blutsauerstoffsättigung in verschiedenen Regionen zu unterschiedlichen StO-Werten₂.

Geringere Sauerstoffsättigung und größere interindividuelle Variabilität des StO₂ wurden in der Parafovea als im Sehnervenkopf beobachtet und lagen zwischen 30,4 und 58,4 % bzw. 62,1 und 69,7 %.

Für die erfassten Spektren wurde ein Augenoximetrie-Algorithmus implementiert in vivo und demonstrierte das Potenzial, das Vorhandensein verschiedener Fluorophore/Chromophore zu beurteilen, die zur Diagnose verschiedener Netzhautpathologien verwendet werden können. Genauer gesagt zielte dieser Ansatz auf bestimmte interessierende Regionen ab, die durch Weitfeldfluoreszenz identifiziert wurden, und erfasste ein vollständiges Emissionsspektralprofil dieser Moleküle.

Schlussfolgerungen

Das in dieser Studie vorgestellte multimodale System ermöglichte die gleichzeitige und kontinuierliche Bildgebung und gezielte Spektroskopie im Augenhintergrund. Darüber hinaus zeigte es eine hohe Empfindlichkeit, spektrale Auflösung und kurze Erfassungsgeschwindigkeit für die Erkennung retinaler Biomarker. Dies ist bemerkenswert, da andere Systeme, wie beispielsweise die hyperspektrale Bildgebung, Kompromisse zwischen spektraler Auflösung und Erfassungsgeschwindigkeit eingehen.

Darüber hinaus erlangte diese Technologie in den verschiedenen getesteten Regionen unterschiedliche Spektralprofile in vitro und während in vivo testen. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die gezielte Augenspektroskopie im Laufe der Zeit neue Wege zur Diagnose und Behandlung von Augenkrankheiten eröffnen könnte.