Zautomatyzowane testy kompresji soczewki gałki ocznej
April 5th, 2024
Prezentujemy zautomatyzowaną metodę charakteryzowania efektywnego modułu sprężystości soczewki okularowej za pomocą testu kompresji.
Próbujemy zrozumieć, w jaki sposób ludzie tracą widzenie z bliska wraz z wiekiem. Wiemy, że nie jest to częściowo spowodowane zmianą sztywności soczewek, ale nadal nie wiemy, dlaczego soczewki sztywnieją wraz z wiekiem. Obecne metody eksperymentalne opierają się na prymitywnych metodach ładowania soczewki, takich jak umieszczanie szkiełek nakrywkowych mikroskopu na soczewce.
Metody te są żmudne i brakuje im odpowiedniej kontroli szybkości ładowania. Ustaliliśmy, że kształt soczewki jest głównym czynnikiem powodującym starczowzroczność i wiemy, że kształt jest przede wszystkim napędzany przez parametry biomechaniczne. Protokół ten oferuje całkowicie obiektywną, powtarzalną metodę pomiaru sztywności soczewki.
Automatyzacja pozwala nam kontrolować szybkość obciążenia, co jest kluczowym parametrem przy charakteryzowaniu materiału lepkosprężystego, takiego jak soczewka. Mamy teraz obiektywny, powtarzalny protokół pomiaru właściwości biomechanicznych soczewek. Pozwoli nam to na rygorystyczne scharakteryzowanie, w jaki sposób soczewka sztywnieje z wiekiem, a także jak określone białka modyfikują właściwości biomechaniczne soczewki.
Na początek umieść lokalne oko świni na szalce Petriego. Usuń tkankę obwodową z oczu świni. Następnie użyj zakrzywionych kleszczy i małych nożyczek preparacyjnych, aby usunąć nadmiar mięsa z twardówki, aż nerw wzrokowy będzie widoczny.
Następnie za pomocą skalpela wykonaj skrót na rąbku. Wykonaj kolejne cięcie na równiku. Teraz włóż parę mikronożyczek do nacięcia na rąbku i użyj pary cienkich kleszczyków z końcówką, aby podnieść rogówkę.
Przeciąć na obwodzie rogówki, aby ją usunąć. Za pomocą kleszczyków z końcówką podnieś tęczówkę i przytnij ją mikronożyczkami, aby ją wyciąć. Teraz włóż nożyczki do preparowania w nacięcie na równiku i przetnij na obwodzie, aby przeciąć twardówkę na pół.
Usuń tylną część twardówki. Następnie delikatnie usuń ciało szkliste za pomocą kleszczy. W razie potrzeby przeciąć ciało szkliste koronalnie, aby umożliwić odsunięcie się od soczewki
tylnej.Użyj mikronożyczek, aby wykonać Meridiano przecięcie twardówki od przedniego końca do tylnego końca. Zaczynając od nacięcia, delikatnie rozciągnij zonule, jednocześnie rozsuwając soczewkę i twardówkę, a następnie przetnij między soczewką a ciałem rzęskowym przez zonule i wokół obwodu soczewki, aby odizolować soczewkę. W razie potrzeby należy użyć kleszczyków, aby przebić kapsułkę na równiku i oderwać ją, aby usunąć kapsułkę.
Umieść soczewkę w roztworze PBS i sprawdź wzrokowo soczewkę pod kątem uszkodzeń przed dalszymi testami. Na początek skonstruuj równoległy aparat do ściskania płytek z komórką ładującą o nośności 50 gramów, wystarczającą do zmierzenia przemieszczenia jednego rzędu mikrometrów. Po zaprogramowaniu zmotoryzowanego etapu załaduj ogniwo, aby wykonać schemat ładowania.
Teraz napełnij kwadratowe pudełko roztworem PBS i umieść je na platformie kompresyjnej. Aby określić dolną granicę ruchu i bezwzględną wysokość szczeliny, opuść górną blachę, aż zetknie się z dolną płytą. Następnie podnieś górną płytę o około 15 milimetrów.
Teraz umieść izolowaną soczewkę okularową dla ubogich znaków centralnie w pudełku. Opuść górną płytę, aż znajdzie się blisko górnej powierzchni obiektywu. Zainicjuj ruch, aby przesunąć górną płytkę w kontakt z soczewką.
Rozpocznij rejestrację danych po określeniu kontaktu, czasu zapisu, położenia górnej płyty względem dolnej płyty i siły na poziomie 500 herców. Następnie zastosuj obciążenie kondycjonujące wstępnie, w którym soczewka jest stopniowo ściskana o 2,5%, a następnie o 5% i 7,5% jej początkowej wysokości, przy czym każde z nich następuje trzykrotnie z szybkością 1% na sekundę. Utrzymuj stałą pozycję górnej płyty przez minutę po kondycjonowaniu wstępnym.
Następnie zastosuj 15% kompresję z szybkością 1% na sekundę przed rozładowaniem z tą samą szybkością. Kontynuuj rozładowywanie, aż górna płyta przesunie się o dodatkowe 2% grubości nieobciążonej soczewki od dolnej płyty. Aby oszacować moduł soczewki, oszacuj grubość soczewki na podstawie szczeliny instrumentu w punkcie kontaktu.
Alternatywnie zmierz grubość na podstawie zdjęcia wykonanego przed badaniem. Oblicz moduł sprężystości przy użyciu modelu Hertza do ściskania kuli między równoległymi płytami. Krzywe wymuszonego przemieszczenia zarówno soczewek w obudowie, jak i bez kapsułki były dobrze dopasowane przez model Hertz.
Dekapsulacja spowodowała znaczne zmniejszenie efektywnego modułu sprężystości.
Przegląd
Niniejsze badanie przedstawia zautomatyzowaną metodę charakteryzacji efektywnego modułu sprężystości soczewki oka za pomocą testu ściskania. Badania mają na celu poprawę rozumienia sztywności soczewki i jej konsekwencji dla utraty wzroku w odległości krótkiej wraz z wiekiem.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Biomechanika oka
- Nauka o wzroku
- Wiek-związane zmiany we właściwościach soczewki
Tło
- Presbiopia wiąże się z wiek-związanymi zmianami w sztywności soczewki.
- Obecne metody pomiaru sztywności soczewki są nieadekwatne i pozbawione kontroli.
- Kształt soczewki jest głównym czynnikiem w presbiopii.
- Parametry biomechaniczne znacząco wpływają na kształt soczewki.
Cel badania
- Rozwój metody pomiaru sztywności soczewki, która jest powtarzalna.
- Badanie związku między kształtem soczewki a presbiopią.
- Zapewnienie bardziej obiektywnego podejścia do charakteryzacji soczewki.
Stosowane metody
- Automatyczne testy ściskania soczewek okulistycznych.
- Charakteryzacja efektywnego modułu sprężystości.
- Obiektywne techniki pomiarowe.
- Analiza parametrów biomechanicznych wpływających na kształt soczewki.
Główne wyniki
- Nowa metoda zapewnia spójne i powtarzalne pomiary.
- Kształt soczewki znacząco wpływa na sztywność i rozwój presbiopii.
- Wyniki przyczyniają się do zrozumienia zmian związanych z wiekiem w wzroku.
- Ulepszona metodologia poprawia kontrolę eksperymentalną w badaniach soczewki.
Wnioski
- Automatyczna metoda oferuje niezawodne podejście do pomiaru sztywności soczewki.
- Zrozumienie biomechaniki soczewki jest kluczowe dla rozwiązania problemu presbiopii.
- To badanie otwiera drogę dla przyszłych badań nad starzeniem oka.
Często zadawane pytania
Executive Industry Relevance
Automated compression testing of the ocular lens provides a standardized, quantitative approach to evaluating biomechanical properties critical for vision science and age-related research. This method enables objective measurement of lens stiffness, supporting predictive confidence in target validation for ocular therapeutics. Its reproducibility and control over loading parameters position it as a valuable asset for early discovery and translational research pipelines.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables rigorous interrogation of biomechanical hypotheses underlying presbyopia and lens aging.
- Supports functional target validation by quantifying changes in lens stiffness due to age or protein modification.
- Facilitates mechanistic de-risking by isolating the impact of specific variables on lens biomechanics.
Screening & Assay Development
- Provides a reproducible, automated protocol for preparing validated lens samples for downstream analysis.
- Standardizes loading rates and preconditioning, ensuring assay consistency and quantitative comparability.
- Generates force-displacement and elastic modulus data suitable for screening compound effects on lens biomechanics.
Translational & Preclinical Research
- Aligns biomechanical measurements with disease-relevant endpoints for presbyopia and ocular aging models.
- Enables continuity from discovery-stage hypothesis testing to preclinical validation of therapeutic interventions.
- Supports risk-adjusted advancement decisions by providing quantitative, reproducible biomechanical readouts.
Pipeline & Workflow Integration
This automated compression protocol integrates into the discovery-to-preclinical continuum by delivering objective biomechanical data for hypothesis testing, assay development, and translational research.
- Discovery Biology: Quantifies lens stiffness changes to clarify mechanisms of age-related vision loss.
- Screening: Provides standardized, reproducible outputs for comparing experimental conditions and interventions.
- Analytics: Delivers force, displacement, and elastic modulus measurements for robust statistical analysis.
- Translational Research: Bridges discovery findings to preclinical models of ocular disease and aging.
- Enterprise Reuse: Offers a scalable, adaptable platform for biomechanical testing across species and experimental variables.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence and reduces mechanistic ambiguity in ocular target validation.
- Operational Value: Enhances standardization, reproducibility, and scalability of biomechanical assays.
- Strategic Value: Improves go/no-go decision-making and capital efficiency by providing robust quantitative data.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization and advancement of ocular therapeutic programs.
Implementation Considerations
- Requires expertise in biomechanics, instrumentation, and quantitative analysis.
- Needs access to automated compression platforms, force sensors, and synchronized imaging systems.
- Demands cross-team standardization of loading protocols and data analysis workflows.
- Adaptable to different species and lens preparations with protocol adjustments.
- Dependent on precise calibration and maintenance of instrumentation for consistent results.
