We presenteren een protocol om de niveaus van het totale maculapigment, luteïne en zeaxanthine optische dichtheid in de centrale en parafove gebieden van het netvlies te bepalen. Het protocol bevat een nieuw verstelbaar spoorsysteem dat wordt gebruikt om maculapigment optische dichtheid in de foveal excentriciteit te meten.
Het maculapigment reflectometer (MPR) meet objectief de totale maculapigment optische dichtheid (MPOD) en zorgt verder voor de luteïne optische dichtheid (L-OD) en zeaxanthine optische dichtheid (Z-OD) in de centrale 1 graad van de fovea. Een wijziging van de techniek werd ontwikkeld om te evalueren in vivo carotenoïde dichtheid excentriek naar de fovea. Een verstelbaar spoorsysteem met rode LED-verlichting werd op 6,1 meter afstand van de deelnemer geplaatst om oculaire fixatie te vergemakkelijken. Lichten werden op de juiste manier verdeeld om stappen van 1 graad netvliesongelijkheid te creëren tijdens de metingen van reflectometry. Alle reflectometry metingen werden verkregen met pupillary dilatatie. De gemiddelde MPR-MPOD-waarde voor de centrale meting was 0,593 (SD 0,161) met een L-OD-naar-Z-OD-ratio van 1:2.61. De MPR-MPOD waarde op 1 graad was 0,248 en de gemiddelde MPR-MPOD waarde op 2 graden in het parafoveal gebied was 0,143. De L-OD tot Z-OD ratio op 1 graad en 2 graden uit het midden was 1.38:1.0 en 2.08:1.0, respectievelijk. De resultaten tonen aan dat MPOD-metingen die worden verkregen met behulp van de MPR afnemen als functie van retinale excentriciteit en dat er een hogere concentratie zeaxanthine centraal in vergelijking met luteïne is. De L-OD naar Z-OD verhouding verandert met foveal excentriciteit, met twee keer meer luteïne dan zeaxanthine op 2 graden buiten het midden. Onze techniek biedt met succes een snelle in vivo methode voor het meten van maculapigment optische dichtheid bij verschillende foveal excentriciteiten. De resultaten komen overeen met eerder gepubliceerde in vivo en in vitro xanthophyll carotenoid dichtheid distributie metingen.
Leeftijdsgebonden maculadegeneratie (AMD) is een belangrijke oorzaak van blindheid en is goed voor 8,7% van blindheid wereldwijd1. Risicofactoren in verband met AMD zijn toenemende leeftijd, vrouwelijk geslacht, roken, lichte iris kleur, lipide onbalans, levenslange blootstelling aan zonlicht en ultraviolette straling, systemisch lagere niveaus van antioxidanten, lagere macula pigment optische dichtheid (MPOD), genetica, en ras2. Van deze, aanpasbare risicofactoren zijn stoppen met roken, orale suppletie van antioxidanten, en carotenoïden. Carotenoïden zijn natuurlijke pigmenten gevonden in planten en micro-organismen, en zijn efficiënte antioxidanten3. Ze worden geproduceerd door fotosynthetische organismen; mensen krijgen carotenoïden uit hun dieet3,4. Macula pigmenten zijn samengesteld uit drie carotenoïden: luteïne, zeaxanthine, en meso-zeaxanthine4. De xanthophylls luteïne en zeaxanthine5 zijn te vinden in het netvlies, met name de macula, en geven de fovea zijn gele kleur6. Hogere concentraties xanthophyllen worden waargenomen in de axonen van de fotoreceptoren en binnenste plexiforme lagen van het netvlies5,7. De inname van carotenoïden, zoals luteïne en zeaxanthine, verhoogt het niveau van maculapigment. Luteïne en zeaxanthine worden verkregen uit de inname via de voeding of met voedingssupplementen, terwijl meso-zeaxanthine is gewoon een bijproduct van het metabolisme van luteïne3,7,8. Luteïne- en zeaxanthineconcentraties verschillen in de verschillende gebieden van het netvlies. Centraal, in de fovea, zeaxanthine concentratie is groter dan die van luteïne, met een verhouding van 2,3:19,10. De concentratie carotenoïden neemt 100 keer per mm af in de fovealperiferie, waar luteïne vaker voorkomt dan zeaxanthine, met een verhouding van 2,4:19,10.
De aanwezigheid van xanthophyllen in het netvlies beschermt het netvliescircuit, vooral in de fovea en macula, en is van cruciaal belang voor centraal zicht. De xanthophyllen beschermen het netvlies door twee mogelijke mechanismen: 1) filteren blauw licht en 2) afnemende oxidatieve stress5,11,12,13. Blauw licht verspreidt het meest in het netvlies en hogere niveaus van maculapigment absorberen centraal het verspreide licht, waardoor het gezichtsvermogen wordt verbeterd. Bovendien bestaat het blauwe deel van het zichtbare spectrum uit hoge energie, korte golflengten die kunnen resulteren in de productie van overmatige hoeveelheden reactieve zuurstofsoorten in het netvlies. Daarom wordt gedacht dat carotenoïden verminderen de oxidatieve belasting op de macula door te fungeren als antioxidanten in het innerlijke netvlies en fotoreceptor retinale pigment epitheel complex door het blussen van deze vrije radicalen5,12,13,14.
Meting van netvliescarotenoïden heeft grotere implicaties in de systemische gezondheid. Een recente studie toonde aan dat carotenoïde therapie verbetert de retinale functie bij diabetici zonder enige wijzigingen in de bloedsuikerspiegel15. De niveaus van carotenoïde dichtheid in het netvlies zijn ook sterk gecorreleerd met de niveaus in de hersenen16. Carotenoïde niveaus kunnen cruciaal zijn in de ontwikkelingsjaren17,18, en niveaus in de hersenen dalen met de leeftijdvan 19. De MPOD-niveaus zijn gerelateerd aan neurobescherming en neurale efficiëntie bij zowel kinderen als ouderen20,21. Zo is er behoefte aan het klinisch meten van MPOD en de kenmerken ervan. Dit zal een rol spelen bij de diagnose, het beheer en de behandeling van verschillende oculaire en systemische aandoeningen7,15,16,17,18,19,20,21.
De huidige commercieel beschikbare MPOD meettechnologieën zijn heterochromatische flikkerfotometers (HFP), die gebaseerd zijn op psychofysische tests. Deze meten een 1 graad patch op de fovea, die neerkomt op een ~ 0,30 mm diameter cirkel22. Hoewel is aangetoond dat dit soort apparaten betrouwbaar zijn, worden ze beperkt door hun subjectieve aard, zijn ze tijdrovend om te gebruiken en zijn ze niet in staat om de individuele hoeveelheden xanthophyllen die MPOD13vormen ,22,23,24te onderscheiden. Het maculapigment reflectometer (zie Tabel met materialen), ook wel een reflectometer genoemd (zie figuur 1), pakt deze beperkingen aan door de MPOD en de afzonderlijke componenten van luteïne en zeaxanthine (xanthophyllen)objectiefte meten . De reflectometer maakt gebruik van een UV/IR gefilterde en gecolliedeerde kwarts halogeenbron om een gecontroleerde lichtbundel naar het netvlies te sturen (zie schematisch figuur 2) en de interne filters absorberen het grootste deel van de geproduceerde straling. Daarom is er weinig tot geen risico op blootstelling aan straling voor de deelnemer. De verschillende chromophores en structuren in het menselijk oog en de overeenkomstige absorptie- en reflectantiepatronen zijn goed beschreven in de literatuur26,27,28. Analyse van het gereflecteerde licht verwerkt door de interne spectrometer maakt het mogelijk voor de kwantitatieve isolatie en meting van luteïne en zeaxanthine optische dichtheden (L-OD, Z-OD) samen met de totale MPOD. De derde retinale carotenoïde meso-zeaxanthine is spectrale niet te onderscheiden van zeaxanthine en dus de Z-OD vertegenwoordigt een combinatie van beide carotenoïden29. Eerdere werkzaamheden hebben aangetoond dat reflectometry betrouwbaar is bij het meten van centrale L-OD, Z-OD en MPOD25,29.
Het doel van de huidige studie is het creëren van een techniek die kan worden gebruikt om in vivo schattingen van zeaxanthine en luteïne niveaus in de foveal en parafoveal netvliesregio’s bij de mens te produceren. Bijkomende doelstellingen zijn het vergelijken van de bevindingen met eerder gepubliceerde laboratorium- en histologieresultaten14,29. De aanpak ontwikkeld en beschreven in dit manuscript en het gebruik ervan naast reflectometry om de perifoveal MPOD te meten is nieuw. Deze techniek kan worden gebruikt met elke bestaande reflectometry-eenheid zonder grote wijziging om het retinale niveau van individuele carotenoïden, zoals L-OD en Z-OD, te meten op verschillende foveal- en parafove locaties.
De studie gepresenteerd in dit manuscript omvat acht deelnemers variërend van 22-29 jaar oud. Onze methoden omvatten eerst het uitvoeren van een routine-oogheelkundige onderzoek om ervoor te zorgen dat de deelnemers aan de studie voldoen aan de inclusiecriteria. Na het verkrijgen van geïnformeerde toestemming onderging elke deelnemer aan het onderzoek de volgende vier tests: 1) een commercieel beschikbaar heterochromatisch flikkerfotometerapparaat werd gebruikt om een centrale MPOD-meting te verkrijgen; 2) een reflectometerapparaat werd gebruikt om twee centrale metingen te verkrijgen; 3) met behulp van dezelfde reflectometer inrichting in combinatie met het perifere spoorsysteem, metingen van carotenoïde niveaus bij een 1 graad excentriciteit, dat wil zeggen een cirkel met een diameter van 0,30 mm, was gecentreerd op 0,30 mm van de centrale fovea; 4) met dezelfde opstelling werden ook carotenoïden niveaus met een excentriciteit van 2 graden gemeten, een cirkel met een diameter van 0,30 mm die aan de rand van de fovea (een parafoveal gebied) is geplaatst.
De MPR-metingen werden uitgevoerd na het verwijden van de leerling van elke deelnemer met 1% tropicamide-oogheelkundige druppels. Het is bekend dat pupillary dilatatie niet nodig is om MPOD-waarden te verkrijgen met behulp van reflectometry, maar het kan de herhaalbaarheid van L-OD- en Z-OD-metingen25,29verbeteren. Dit is mogelijk te wijten aan het feit dat metingen verkregen van het netvlies met behulp van de reflectometer had een betere signaal-ruis verhouding wanneer de leerlingen werden verwijd. Voor de nauwkeurige en stabiele perifere reflectometry metingen, deelnemers gebruikt fixatie doelen die werden geplaatst op optischeoneindigheid 30,31.
We verkregen reflectometer metingen voor 30 s en weggegooid de eerste 10 s van de gegevens. Deze procedure heeft twee voordelen: 1) de signaalbron is helder en zorgt ervoor dat de ogen zich aanpassen en zich aanpassen aan de taak; en 2) belangrijker nog, de fotoreceptor pigment bleekt tijdens de eerste 10 s. Daarom zorgt het elimineren van de eerste 10 s van de meting voor een stabieler en nauwkeuriger signaal29. We hebben in het huidige onderzoek twee keer alle reflectometry-tests uitgevoerd, waarna we de metingen gemiddeld en gemiddelde mpod-, L-OD- en Z-OD-waarden en de verhouding van Z-OD/ L-OD voor elke deelnemer hebben bereikt.
Onze studie illustreert de techniek en methodologie om in vivo MPOD metingen uit te voeren in verschillende foveal en parafoveal regio’s met behulp van een reflectometer apparaat. We ontwikkelden en gekalibreerd een perifere track systeem om metingen te verkrijgen op 1 graad en 2 graden van de centrale fixatie. Onze studieresultaten tonen aan dat MPOD, L-OD en Z-OD kunnen worden gemeten in verschillende fonaal en parafoveal regio’s met behulp van dit protocol op optische oneindigheid. Het protocol kan worden aangepast voor kortere afstanden wanneer lange kamers niet beschikbaar zijn in een kliniek. In dat geval is echter leerlingverwijding noodzakelijk om de actieve accommodatie te controleren (zie tabel 1).
Er zijn twee kritieke stappen bij het uitvoeren van dit experiment: 1) de 0 graden kalibratie en 2) de zwarte kalibratie. Bij het gebruik van het perifere spoorsysteem om MPOD en de onderdelen daarvan buiten het midden te meten, is de externe fixatie voor de 0-gradenkalibratie of fovealmeting van het grootste belang. Als de deelnemer wiens oog wordt gemeten deze procedure niet begrijpt of niet de nodige stappen kan uitvoeren, worden de metingen gecompromitteerd en onjuist. De zwarte kalibratie is ook van cruciaal belang omdat het de MPR in staat stelt om een nulspectrometermeting vast te stellen wanneer er geen licht aanwezig is, die het apparaat vervolgens vergelijkt met alle waarden die uit het onderwerp worden verkregen. Daarom is de zwarte kalibratie een must voor elke deelnemer.
Uit onze studieresultaten blijkt dat de centrale MPOD-niveaus overeenkomen met gegevens uit eerder gepubliceerde experimentele en histologische studies7,10,14. Bovendien vonden we dat de niveaus voor MPOD dalen met toenemende retinale excentriciteit, met MPOD waarden groter op de foveal in vergelijking met de parafoveal regio. De luteïne- en zeaxanthineniveaus variëren ook op verschillende netvlieslocaties, waarbij de luteïne- en zeaxanthineverhoudingen veranderen als een functie van excentriciteit. We vonden centrale L-OD en Z-OD ratio’s van 1:2.6, die veranderden in 2,08:1 op 2 graden van centrale fixatie. Dit komt overeen met de verslagen van eerdere studies10,29. We ontdekten dat de luteïne- en zeaxanthineniveaus een aanzienlijke interindividuele variatie vertoonden. Eerdere laboratoriumexperimenten in vivo hebben slechts drie proefpersonen geëvalueerd en er is beperkte informatie op dit gebied29. Als de significante interindividuele variatie van niveaus van carotenoïden juist is, dan zou dit de noodzaak ondersteunen om basismaatregelen van carotenoïden te verkrijgen en individuele supplementen op maat te maken. Verder onderzoek zal nodig zijn om deze bevinding van hoge interindividuele variabiliteit van luteïne en zeaxanthine niveaus bij gezonde individuen te bevestigen. Eerdere publicaties en werk met dit MPR-apparaat tonen aan dat herhaalbare metingen voor MPOD kunnen worden verkregen in zowel golvende als verwijde pupillen, hoewel de herhaalbaarheid van L-OD- en Z-OD-metingen werd verbeterd toen de leerlingen25verwijden . In deze studie hebben we alle MPR-metingen uitgevoerd met verwijde pupillen. Aangezien de carotenoïdeniveaus lager zijn aan de fovealperiferie en het parafoveal gebied, kan het essentieel zijn om de pupil te verwijden voor consistente signaalsterkte en betrouwbare perifere metingen.
We probeerden verschillende methoden, en uiteindelijk ontwikkeld en getest ons track systeem. Het bleek de meest effectieve manier om betrouwbare resultaten te bereiken. Het systeem werd getest door drie deelnemers meerdere keren te onderzoeken om te zien of vergelijkbare resultaten met elke poging konden worden bereikt. Dit omvatte het meten van de deelnemers bij drie afzonderlijke gelegenheden over een periode van twee maanden. Andere methoden geprobeerd opgenomen wijzigen van de reflectometry oculair door het creëren van een cover met voorgesneden spleten op 0, 1, en 2 graden uit het midden. Deze techniek bleek niet effectief omdat de spleten te dicht bij elkaar lagen voor een onderwerp dat voldoende onderscheid deed.
Er zijn verschillende beperkingen in deze studie. De studie vereist dat de proefpersonen een normale verrekijker hebben. Dit zorgt ervoor dat het onderwerp in staat zal zijn om vast te stellen op het doel, terwijl het andere oog wordt gemeten. Onderwerpen die niet aan dit criterium voldoen, zullen niet in staat zijn om de instructies te voldoen, zullen niet goed fixeren tijdens het aangaan van de stimulus, en kunnen niet met succes worden gemeten met behulp van deze techniek. Het spoorsysteem was betrouwbaar, maar de beperkingen konden in toekomstige studies worden aangepakt. Het protocol kan worden verbeterd door het hebben van ingebouwde rode LED-fixatie lichten met een deel van een Badal optometer systeem als onderdeel van de reflectometer. Dit zou de deelnemer in staat stellen om te fixeren op de gewenste excentriciteit met het oog wordt gemeten met de juiste accommodatie van de lens.
Op dit moment zijn er geen alternatieve technieken om te meten in vivo L-OD en Z-OD. Er bestaan echter alternatieve apparaten die MPOD meten. Een dergelijk apparaat is de heterochromatische flikkerfotometer die in deze studie wordt gebruikt. De heterochromatische flikkerfotometer maakt gebruik van een psychofysische testmethode en kan geen individuele luteïne- en zeaxanthinewaarden bepalen. De centrale MPOD-metingen die werden verkregen met behulp van een heterochromatische flikkerfotometer waren gemiddeld 0,11 lager dan die van het MPR-apparaat met een standaardafwijking van 0,16. De MPOD meting verkregen met behulp van zowel de technieken had een uitstekende correlatie zoals eerder gemeld25.
Hoewel de huidige studie een kleine steekproefgrootte heeft, was het doel ervan om het concept te bewijzen dat perifere metingen van zeaxanthine en luteïne optische dichtheid kunnen worden verkregen met behulp van een reflectometry-apparaat. Voor zover wij weten, hebben andere in vivo studies aanzienlijk kleinere steekproefgroottes gehad dan het monster dat in deze studie wordt gebruikt. Daarom zijn we ervan overtuigd dat onze resultaten aantonen dat in vivo carotenoïde dichtheid kan worden gemeten aan de foveola, foveal periferie, en parafoveal gebied met behulp van een reflectometer. Onze studie werpt verder licht op hoe zeaxanthine en luteïne niveaus worden verdeeld in de centrale en perifere macula regio’s binnen het menselijk netvlies. Omdat we een opmerkelijke variatie van de waarden vonden onder onze deelnemers aan de studie, zijn grotere studies zowel in vivo als in vitro nodig om de luteïne- en zeaxanthineverdeling, niveaus en ratio’s binnen de algemene populatie beter te begrijpen.
The authors have nothing to disclose.
Wij danken WesternU College of Optometry en de Master of Science in Medical Sciences programma bij WesternU voor hun hulp en ondersteuning. We danken ZeaVision ook voor hun genereuze steun en financiering.
1-1/4-in x 36-in Silver Under Door Threshold | Frost King LLC | 77578013947 | Any adjustable strip that can be mounted on a wall will suffice. |
Black electrical tape | 3M Company | 054007-00053 | Used to adjust fixation light to create a 1cm by 1cm region. |
LED lights with remote control | Elfeland LLC | ELFELANDhoasupic1295 | Any small red fixation LED light with remote control that can be mounted to track will suffice. |
Macular Pigment Reflectometer | Zeavision LLC | N/A | Prototype not available for sale. |
Quantifeye Macular Pigment Spectromter 2 | Zeavision LLC | Catalog Number N/A | Only model available from Zeavision LLC. |
Ultra Gel Control 4g Super Glue | Henkel AG & Company | 1405419 | Used to fix LED lights to track, but any strong adhesive will suffice. |
Zeavision Proprietary Reflectometry Software, native to Macular Pigment Reflectometer | Zeavision LLC | N/A | The software and algorithm are proprietary to Zeavision LLC. |