Summary
我们提出了一个有效的方法来研究透镜的住宿使用人工晶状体担架。该协议模拟生理调节, 通过拉 zonules 连接在透镜胶囊, 从而, 伸展透镜。
Abstract
本议定书的目标是以成本效益高、实用性强的方式模仿生理调节的生物力学。住宿是通过睫状体收缩和 zonule 纤维松弛而实现的, 这导致了近视力所需的透镜的增厚。在这里, 我们提出了一个新的, 简单的方法, 通过绷紧的 zonules 连接到镜头胶囊通过一个手动镜头担架 (MLS) 的住宿复制。这种方法监测透镜在承受一致力时所达到的径向拉伸, 并允许比较可伸展的镜片, 使其不能伸展。重要的是, 担架夫妇对 zonules 直接, 而不是对巩膜的眼睛, 因此只需要透镜, zonules, 和睫状体, 而不是整个地球样本。与获得整个地球相比, 这种差异可以显著降低获得捐赠尸体镜片的成本约62%。
Introduction
住宿是人类的眼睛能够动态调整其晶体透镜形状的过程, 可以看到物体在远距离或接近焦距的尖锐聚焦。住宿是一种内在的生物力学过程。在神经刺激作用下, 睫状肌产生一力到睫状体和 zonule 纤维连接到透镜胶囊的圆周上1,2。虽然有不同的理论背后的生物力学的住宿, 最广泛接受的是亥姆霍兹假说。根据该假说, 透镜处于自然拉伸状态, 与透镜最薄的形状相对应, 它最适合于远距离物体的聚焦。为了将焦点转移到更接近的物体, 睫状肌收缩, 悬韧带纤维松弛。反过来, 透镜变厚, 增加前和后表面曲率。这对应于屈光度功率的增加, 这是近视力所必需的, 因此, 较短的焦距为1。
通过一个名为 "视时间" 的条件, 可容纳的能力受到影响。在50岁时影响每个人, 老视使眼睛无法动态地改变焦点从远到接近距离3。为了对抗视镜, 目前的方法是被动的, 包括矫正镜片和双光眼镜。虽然在少数几架飞机上提高了对接近对象的专注能力, 但这种被动处理无法恢复透镜4、5的动态焦点能力。为了有效地治疗大视地, 或可能阻止它, 目前需要更好地了解住宿。
为了研究透镜的住宿, 已经开发了许多设备来模拟这种现象 "体内"4,6,7,8,9。首先引入旋转圆盘, 通过离心力监测透镜的拉伸情况8。为了更忠实地再现这种现象, 镜头拉伸装置逐渐被引入和创新。使用透镜担架, Manns et al。特征是在与透镜功率和赤道直径9相关的情况下容纳透镜所需的力。目前的理解是, 透镜僵硬的年龄, 导致透镜形状的变化, 以响应从睫状体的同等力量3,10,11,12。
目前的镜头担架往往涉及复杂的设置, 实施电子和可编程伸展率, 并要求整个尸体眼球6,7,10,13。这一要求增加每项实验的成本超过每只眼睛500.00 美元, 并减少样品的可用性。在这里, 我们提出了一种以低成本复制镜头住宿的方法, 因为眼睛的后部总计约为200.00 美元。虽然比今天使用的许多设备都要复杂得多, 但这项技术在不影响结果的情况下更具成本效益和收养。此方法以图 1中描述的手动透镜担架 (MLS) 为中心, 并在悬韧带光纤上使用独特的夹紧系统, 并采用径向扭转方法来扩展透镜的直径。贝尔纳et al的研究结果验证了该协议的生理准确性, 研究了前、后悬韧带纤维连接到透镜胶囊14的途径.采用自定义鞋的设计, 只需要透镜、zonule 和睫状体, 我们的目的是通过复制生理调节来研究透镜的生物力学。
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
以下议定书是接受马里兰大学的机构动物保育和使用委员会以及机构审查委员会。这些议定书遵循联邦、州和地方标准, 以及马里兰大学生物安全政策规定的指导方针。
1. 眼部标本解剖
-
从当地屠宰场或组织银行获得一份眼科样本。如果整个眼睛地球仪获得, 立即提取晶状体, 附着 zonules, 和玻璃体。
注意: 下面描述的具体细节与猪和人的眼睛有关。- 使用消毒手术剪刀和镊子, 切除和清除周围的巩膜所有多余的组织。
- 牢牢地握住眼睛在它的一侧, 并使用剃刀刀片, 使一个小切口沿眼睛一侧3毫米远离角膜。使伤口深到足以达到玻璃内的眼睛。
- 使用剪刀, 小心地沿着切口绕着眼睛的圆周切开。避免刺穿镜片。有代表性的图像显示在图 2A中。
- 一旦眼睛的外圆周被切开, 用镊子去除眼睛的后部组织。将晶状体、zonules、睫状体和附着的玻璃体与镊子隔离。有代表性的图像显示在图 2B中。
- 使用剪刀和镊子, 取出多余的玻璃, 使透镜可以平放在 MLS 上。
注: 在角膜移植的病例中, 角膜按钮用于外科手术, 而其余的地球则可供研究用。然而, 这部分地球仍然可以用于组织准备的镜头担架设置。如果只获得后部, 只执行步骤 1.1. 4–1.1. 5。
- 在15% 漂白剂溶液中消毒所有使用过的设备30分钟。
2. 手动镜片担架的试用装配
- 将 10 mm 的鞋底和相应的鞋顶插入到 MLS 的底部板上, 这样在鞋的缩进和鞋的后壁之间仍然有5毫米的空隙。
- 将顶部和底部板对齐, 将板材合在一起;设备现在处于无拉伸位置。
- 将板材插入板壳中, 塞入螺钉进入底部板侧的孔中。
- 将板壳插入底座, 并将扳手置于所对齐的缩进中。
- 顺时针扭扳手, 直到它到达停止螺丝, 以收缩鞋, 并扭转回逆时针返回原来的无拉伸位置的鞋。
3. 镜头的安装
- 将10毫米的鞋底插入到 MLS 的底部板中, 使5毫米的间隙保持在鞋缩进和鞋本身的后壁上。
- 使用弯钳, 将所提取的透镜面向上放置在底部板的中间, 使鞋在中心孔上支撑透镜。
- 把相应的鞋顶放到位, 只修剪 zonules 和玻璃。视觉上确保镜头保持在底部板尽可能居中。
- 重复步骤2.3–2.4。
4. 镜片的测量
- 将成像系统直接放在设备的上方, 以便捕捉视频和拉伸过程的图片。一定要在图片的框架中包括一个标尺, 以便在后处理中准确地调整图像大小和缩放。
注: 任何合适的成像系统都足以进行此步骤;在这里, 我们使用一个12像素, 调焦智能手机一脚从样本。 - 牢固而平稳, 旋转扳手在顺时针方向伸展透镜。图 3在无拉伸和拉伸状态下显示具有代表性的图像。
- 拍摄拉伸透镜后, 旋转扳手在逆时针方向, 以恢复样品到其静止状态。
注意: 必须及时进行镜片的测量, 以尽量减少镜片的脱水。 - 清晰地拍摄镜头的最后静止状态。
5. 数据分析
- 将图像上载到 ImageJ, 并使用 "点" 功能在透镜圆周周围至少选择40点, 如图 4A所示。使用 "分析" → "度量" 选项来产生每个选定点的位置。
- 适合 (使用软件例如MATLAB) 位置点, 以便产生一个半径和卡方的配合, 如图 4B所示。使用拍照的标尺将像素半径和错误转换为度量值。
- 执行配对两个尾 t 测试, 以比较一个单独的镜头之前和之后, 从 MLS 伸展。
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
猪眼, 一个共同的样本, 研究通过透镜拉伸4,15, 获得了, (n = 10) 从一个地方屠宰场和这个协议被用来观察的住宿能力的镜片。图 5A显示通过 MLS 拉伸前后猪晶状体的比较。在拉伸 (p < 0.001) 时, 透镜半径平均增加了 0.19 0.07 毫米, 相当于原来半径的4.2 英寸1.62% 的增加。住宿与透镜弹性相关, 因此, 无拉伸和伸展位置之间的径向差异表明了适应能力。我们发现在拉伸后透镜半径的持续增加, 这与类似研究16,17一致。研究中的一致性和相对较低的偏差进一步验证了我们的协议。
该协议允许比较兼容和通融透镜。其无拉伸状态之间的径向差异越大, 就意味着容纳能力就越大。为了进一步验证该协议, 我们观察到人类的住宿能力是年龄的函数。我们测试了一个21岁和60岁的人眼 (国家疾病研究交流, 费城, PA)。结果, 如图 5B所示, 表明适应年龄的能力有所下降。21岁的镜头半径增加了 0.22, 0.13 毫米或5.2% 的拉伸相比, 0.0059 英寸0.099 毫米或0.14% 增加60岁的镜头。已经表明, 人类镜片逐渐失去适应年龄3的能力。这些结果表明, 60 岁的晶状体的拉伸和无拉伸半径与21岁的晶状体相比有较小的差异, 表明了住宿能力的丧失。更老的人的透镜证明舒展的能力是与相似的研究一致的在住宿作为年龄的作用8,18,20。
图 1: 手动镜片担架示意图.(A) 该产品的组装部件, 包括鞋、板壳、上板和底板。(B) 与样品径向连接的鞋的代表性图。(C) 夹紧的鞋, zonules (未图) 连接并拉伸。请单击此处查看此图的较大版本.
图 2: 解剖协议的代表性图像.(A) 已收集眼睛样本, 并且在全球的第一个切口将从角膜大约3毫米。(B) 眼睛地球仪在其圆周周围被正确切割。(C) 后巩膜已完全脱离全球.(D) 晶状体、玻璃体、zonules 和睫状体已与地球隔绝。请单击此处查看此图的较大版本.
图 3: 无拉伸和拉伸透镜通过 MLS 的代表性图像。(A) 镜头在设备内, 在痛苦之前, 在其无拉伸位置。(B) 设备通过扳手径向转动, 因为透镜被拉伸到其拉长的位置。刻度条 = 10 毫米.请单击此处查看此图的较大版本.
图 4: 来自透镜样本数据分析的代表性图像.(A) 使用 ImageJ 软件在镜头样本的圆周上选择了 50个选定点。(B) 计算的半径为37.4955 像素, 拟合的 chi 平方值为0.77636 像素。这些结果将从透镜到透镜变化, 并且像素必须使用拍照的标尺转换为公制单位。请单击此处查看此图的较大版本.
图 5: 通过手动透镜担架拉伸前后的透镜半径.(A) 10 只猪镜片的无拉伸和拉伸半径。(B) 在人工晶状体拉伸前后的两个人体透镜的测量半径的代表性图, 21 岁和60岁。两个部分 (A) 和 (B) 中的误差线表示在拟合透镜周长时所报告的错误。请单击此处查看此图的较大版本.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
我们设计了一种新的方法, 以提供一个准确和有效的方法来研究镜头的住宿能力, 利用双件夹紧机构, 以夫妇的担架到样品。在住宿期间, 透镜放松, 并且直径减少为响应悬韧带纤维的放松 1, 2, 4, 19.该方法通过夹紧和控制悬韧带纤维的张力来研究这种现象。因此, 必须对 zonules 内的鞋类进行严格的护理, 以准确地模拟生理透镜的适应。为了确保正确的夹紧, 镜片应在底部的鞋的中心, 与最小的玻璃连接休息平。应采取额外的护理, 而痛苦, 以确保平等的径向伸展是围绕圆周的镜头。如果透镜拉伸看起来是 nonequivalent 的, 或者如果 zonules 与夹具分离, 则样品必须重新, 如果可能的话。
目前正在实施类似的镜头伸展协议, 以研究住宿和视像4,6,7,9,12。然而, 这些协议通常是复杂和昂贵的, 需要复杂的机械和软件编程。此外, 这些技术要求整个眼睛样本每实验超过500.00 美元, 进一步减少广泛采用。我们的协议增加了可行性, 通过使用手动透镜拉伸系统替换机器编程和样品可用性, 只需要一小部分样品。所需的眼球后部成本显著低于每项实验250.00 美元。但是, 与我们的协议相关的一些限制。如前所述, 透镜的不对称或不相等的 zonule 张力将导致不适用的伸展。此外, 施加的痛苦的力量是没有测量, 从而依赖于用户的一致性, 以防止松开或撕裂的 zonules。如果 zonules 是撕裂, 样品必须被丢弃, 因为 MLS 鞋将无法充分钳夹。今后的努力将侧重于量化应用力量, 以确保一致性和生理相关性。此外, 该协议还涉及拉伸增加, 直到停止螺钉停止。因此, 拉伸不能改变或变化在样品之间, 而是显示一个二进制完全拉伸或无拉伸状态。
预防或创新治疗是眼科研究的重点, 目前的情况是不可避免的, 无法治愈。然而, 住宿和大视的生物力学还没有完全理解。所提出的协议允许精确模拟在住宿期间的镜头拉伸, 同时要求较少的样品材料, 设备结构和时间。通过增加可用性, 该方法可以让更多的实验室观察和研究透镜体的生物力学。
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
AB 公司拥有 Bioniko 咨询有限责任公司的所有权权益。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Manual Lens Stretcher | Bioniko | MLS | Different animal species will require different shoe sizes |
| Porcine Eye Samples | George G. Ruppersberger; slaughterhouse | N/A | Whole eyeballs were obtained |
| Human Eye Samples | The National Disease Research Interchange | N/A | Posterior poles without corneas were ordered |
| Dissecting Scissors (5 1/2'' Straight) | Electron Microsopy Sciences | 72960 | |
| Tissue Forceps (4 1/2'') | Electron Microsopy Sciences | 72960 | |
| iPhone 6s | Apple | N/A | Any imaging system with ~0.1 mm resolution will work |
| Sodium Hypochorite | Clorox | Clorox Regular-Bleach | Any disinfectant will work |
References
- Von Helmholtz, H. Uber die akkommodation des auges. Arch Ophthal. 1, 1-74 (1855).
- Schachar, R. A., Black, T. D., Kash, R. L., Cudmore, D. P., Schanzlin, D. J. The mechanism of accommodation and presbyopia in the primate. Ann Ophthalmol. 27, 58-67 (1995).
- Glasser, A., Campbell, C. W. Presbyopia and the optical changes in the human crystalline lens with age. Vision Res. 38 (2), 209-229 (1998).
- Reilly, M. A., Hamilton, P. D., Perry, G., Ravi, N. Comparison of the behavior and natural and refilled porcine lenses in a robotic lens stretcher. Exp Eye Res. 88, 483-494 (2009).
- Langenbucher, A., Huber, S., Nguyen, N. X., Seitz, B., Gusek-Schneider, G. C., Küchle, M. Measurement of accommodation after implantation of an accommodating posterior chamber intraocular lens. J Cataract Refract Surg. 29 (4), 677-685 (2003).
- Ehrmann, K., Ho, A., Parel, J. Biomechanical analysis of the accommodative apparatus in primates. Clin Exp Optom. 91 (4), 411 (2008).
- Pinilla Cortés, L., et al. Experimental Protocols for Ex Vivo Lens Stretching Tests to Investigate the Biomechanics of the Human Accommodation Apparatus. Invest Ophthalmol Vis Sci. 56 (5), 2926 (2015).
- Fisher, R. F. The elastic constants of the human lens. J Physiol. 212 (1), 147-180 (1971).
- Eppig, T., et al. Biomechanical eye model and measurement setup for investigating accommodating intraocular lenses. Z Med Ohys. 23 (2), 144-152 (2013).
- Manns, F., Parel,, et al. Response of Human and Monkey Lenses in a Lens Stretcher. Invest Ophthalmol Vis Sci. 48 (7), 3260 (2007).
- Scarcelli, G., Kim, P., Yun, S. H. In vivo measurement of age-related stiffening in the crystalline lens by Brillouin optical microscopy. Biophys J. 101 (6), 1539-1545 (2011).
- Besner, S., Scarcelli, G., Pineda, R., Yun, S. -H. In Vivo Brillouin Analysis of the Aging Crystalline Lens. Invest Ophthalmol Vis Sci. 57 (13), 5093 (2016).
- Cortes, L., et al. Experimental Protocols for Ex Vivo Lens Stretching Tests to Investigate the Biomechanics of the Human Accommodation Apparatus. Invest Ophthalmol Vis Sci. 56 (5), 2926-2932 (2015).
- Bernal, A., Parel, J. -M., Manns, F. Evidence for Posterior Zonular Fiber Attachment on the Anterior Hyaloid Membrane. Invest Ophthalmol Vis Sci. 47 (11), 4708 (2006).
- Kammel, R., Ackermann, R., Mai, T., Damm, C., Nolte, S. Pig Lenses in a Lens Stretcher. Optom Vis Sci. 89 (6), 908-915 (2012).
- Hahn, J., et al. Measurement of Ex Vivo Porcine Lens Shape During Simulated Accommodation, Before and After fs-Laser Treatment. Invest Ophthalmol Vis Sci. 56 (9), 5332-5343 (2015).
- D'Antin, J. C., Cortes, L. P., Montenegro, G. A., Barraquer, R. I., Michael, R. Evaluation of a portable manual stretching device to simulate accommodation. Acta Ophthalmol. 93 (255), (2015).
- Pierscionek, B. Age-related response of human lenses to stretching forces. Exp Eye Res. 60 (3), 325-332 (1995).
- Marussich, L., et al. Measurement of Crystalline Lens Volume During Accommodation in a Lens Stretcher. Invest Ophthalmol Vis Sci. 56 (8), 4239 (2015).
- Martinez-Enriquez, E., Pérez-Merino, P., Velasco-Ocana, M., Marcos, S. OCT-based full crystalline lens shape change during accommodation in vivo. Biomed Opt Exp. 8 (2), 918-933 (2017).
