Summary
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.
Abstract
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.
Introduction
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.
Protocol
Alle vakken werden aangeworven op één locatie, de Western University of Health Sciences. De studie werd goedgekeurd door de institutionele toetsingsraad bij Western University of Health Sciences, Pomona, Californië, VS, en uitgevoerd in overeenstemming met de principes van de Verklaring van Helsinki. Voorafgaand aan de deelname kregen alle deelnemers een gedetailleerde uitleg van de studie en ondertekenden een geïnformeerd toestemmingsformulier voordat een standaard oogheelkundige evaluatie werd uitgevoerd.
1. Werving van deelnemers
- Neem deelnemers toe die ten minste 18 jaar oud zijn en een gezichtsscherpte van 20/40 of beter hebben.
- Neem deelnemers met klinisch onbeduidende aandoeningen zoals staar, geïsoleerde drusen, achterste glasvocht loslating, familiale drusen in periferie, en perifere retinale aandoeningen, zoals rooster degeneratie, of retinale pigment epitheel defecten. Zorg ervoor dat de deelnemers een normale verrekijker hebben en dat ze geen onderdrukking hebben32.
- Dit door het beleid van een afschaffingstest32 verwezenlijken. Dit is een cruciale stap, omdat deelnemers bij gebrek aan een normale verrekijker het fixatiedoel en de meting van lichtbron niet tegelijkertijd kunnen herkennen en zo de juiste meetlocatie in de fovea- en parafovealgebieden zouden bevestigen.
- Sluit alle deelnemers jonger dan 18 jaar, met gezichtsscherpte slechter dan 20/40, met retinale schade in het maculagebied (centraal deel van het netvlies), glaucoom, diabetische retinopathie, bloeding, ernstige cataract, of glasvocht opacities voorkomen oogheelkundige beeldvorming of MPR metingen.
- Sluit deelnemers uit die de metingen niet kunnen uitvoeren met behulp van heterochromatische flikkeringsfotometrie of reflectometry, deelnemers voor wie de apparaten geen MPOD-waarden kunnen opgeven of die met oculaire onderdrukking.
2. Het creëren van het perifere spoorsysteem (figuur 3)
- Verkrijg een schuifbaar spoor met een ongeveer 1 m lange aluminium rail die een holle inkeping bevat met ruimte voor een schuifbaar spoor, zoals een deurweerstrip.
- Monteer het spoor 6,1 meter (20 voet) van het onderwerp zittend op de MPR voor de reflectometry metingen worden uitgevoerd. Zorg ervoor dat het spoor 1,5 m van de grond ligt om op dezelfde hoogte te zijn als het oog van de deelnemer tijdens de reflectometry-meting.
- Monteer drie 1 cm x 1 cm op afstand bestuurbare LED-verlichting op het schuifbare spoor, zodat de centra van de lichten 10,7 cm van elkaar verwijderd zijn.
LET OP: De 10,7 cm betekenen elke graad en werd bepaald omdat elk LED-licht is 6,1 m afstand van de deelnemer. De afstand van 6,1 m (~ 20 voet) is de minimale afstand om een echte optische oneindigheid te verkrijgen, maar als een spoorsysteem op een verdere afstand wordt gecreëerd, zou de afstand tussen elk LED-licht veranderen en een nieuwe afstand trigonometrisch moeten worden berekend. (Zie tabel 1). Als minder dan 6 m wordt gebruikt, is pupillary dilatatie raadzaam om de oculaire accommodatie te minimaliseren.
3. Metingen met behulp van een heterochromatische flikkeringsfotometer
OPMERKING: Deze stap is voor extra gegevensverzameling en is niet essentieel voor randmetingen met behulp van de reflectometer.
- Inboezem kunstmatige tranen in beide ogen, vraag de deelnemer om een paar keer knipperen, en patch het oog dat niet wordt getest.
- Leg de procedure uit aan de deelnemer.
- Instrueer de deelnemer om te kijken naar de centrale fixatie doel van de heterochromatische flikkerfotometer zichtbaar door het oculair en om de clicker druk elke keer dat ze observeren het doel flikkeren. Zorg ervoor dat het fixatiedoel in totaal vijf keer flikkert om de oorspronkelijke drempelwaarde te bepalen.
- Bekijk de resultaten van de oorspronkelijke drempel en herinner de deelnemer eraan om op de knop te klikken telkens wanneer het centrale fixatiedoel flikkert terwijl de test 45 s tot 1 min duurt.
- Een grafiek en MPOD-waarde worden weergegeven op de controlemonitor, samen met een betrouwbaarheidsindex. Zorg ervoor dat "acceptabel" wordt weergegeven op de betrouwbaarheidsindex. Herhaal de test als de resultaten duiden op "borderline" of "onaanvaardbaar" totdat een "aanvaardbare" betrouwbaarheidsindex is verkregen.
- Klik op de volgende groene pijl die op de controlemonitor wordt weergegeven zodra de deelnemer de test heeft voltooid om de resultaten op te slaan.
4. Centrale meetprocedure met behulp van de reflectometer
OPMERKING: De volgende stappen zullen leiden tot het meten van individuele carotenoïden. Dit wordt uitgevoerd met behulp van de reflectometer. De centrale metingen behoeven niet te worden uitgevoerd om perifere metingen te meten met de reflectometer. De centrale metingen zijn echter belangrijk voor klinisch gebruik.
- Breng de deelnemersinformatie in in de reflectometersoftware.
- Klik op het tabblad Oogtest uitvoeren.
- Witte kalibratie
OPMERKING: Dit is een cruciale stap in de kalibratie van de spectrometer binnen het reflectometerapparaat naar volledig spectrum wit monster. Dit wordt eenmaal per dag uitgevoerd wanneer het apparaat door de technicus wordt ingeschakeld. Een deelnemer is niet nodig voor deze stap.- Klik op de knop Wit naast Kalibreren.
- Plaats de witte kalibratiebuis op de reflectometer nadat het bericht waarin de gebruiker wordt geïnstrueerd om de "witte kalibratiebuis" op het scherm in te voegen.
- Klik op OK zodra de witte kalibratiebuis is ingevoegd om te beginnen met de witte kalibratie. Zorg ervoor dat de zwarte knop naast Kalibreren is ingeschakeld nadat het bericht Met witte kalibratie succesvol op het scherm is verschenen.
- Zwarte kalibratie
- Inboezem een druppel kunstmatige tranen in de ogen van de deelnemer en laat ze hun kin op de kinrusten plaatsen.
- Instrueer de deelnemer om zijn oog dicht bij de oogbeker te plaatsen. Met behulp van de joystick, voorzichtig positie van het systeem, zodat de oogbeker drukt tegen de oogkas van de deelnemer en blokkeert de kamer licht van het systeem.
- Klik op de knop Zwart om het systeem te selecteren en uit te lijnen op de leerling van de deelnemer. De juiste uitlijning wordt bereikt wanneer de leerling gecentreerd is in de cirkel die op de monitor van het aanraakscherm wordt weergegeven.
- Instrueer de deelnemer om de draaiknop aan de voorzijde van het systeem aan te passen om een duidelijk doel te verkrijgen.
- Klik op OK zodra de deelnemer het systeem goed heeft aangepast aan zijn gezichtsvermogen. Het systeem voert automatisch een zwarte kalibratiesequentie uit. Zodra de zwarte kalibratie is voltooid, worden de knoppen Linkeroog en Rechteroog ingeschakeld en verschijnt er een succesvol bericht met zwarte kalibratie op het scherm.
- Begin van de meting
- Klik op de knop Linkeroog of Rechteroog op het scherm, afhankelijk van welk oog wordt gemeten.
- Controleer of het systeem het bericht Align System to Subject's Eye weergeeft. Zorg ervoor dat het systeem is afgestemd op de leerling van de deelnemer. Gebruik de joystick om fijne aanpassingen te maken.
- Klik op de knop OK op het scherm om de MPOD-meting te starten. De meettijd is 30 s. Een minimum van 10 s is nodig om de parameters / resultaten te verkrijgen. Boven aan het scherm verschijnt een afteltimer die aangeeft hoeveel tijd er nog over is voor de meting. Laat de deelnemer naar het fixatielicht kijken en hen aanmoedigen om alleen te knipperen als dat nodig is.
- Gebruik de joystick tijdens de meting om ervoor te zorgen dat het systeem in overeenstemming blijft met de pupil van de deelnemer.
- Zorg ervoor dat het systeem een bericht weergeeft met vermelding van Meting geslaagd zodra de meting is voltooid.
- Klik op de knop OK om te voltooien.
- Herhaal stap 4.4–4.6.6 om het andere oog zo nodig te testen. Het hele proces duurt ongeveer 2-3 min.
OPMERKING: Als u de meting op hetzelfde oog wilt herhalen, wacht u ten minste 30 s en herhaalt u vervolgens stappen 4.6–4.6.6.
5. Perifere meettechniek met behulp van reflectometer (figuur 3)
OPMERKING: Het ongeteste oog zal fixeren op een doel waardoor plaatsing van de stimulus op verschillende excentriciteiten van de fovea van het geteste oog. Deze methode vereist een normale verrekijker om een correcte positionering van het oog mogelijk te maken waarin de maculapigmentoptische dichtheid wordt gemeten.
- Input deelnemer informatie in de reflectometry software.
- Klik op het tabblad Oogtest uitvoeren.
- Perifere spoorkalibratie
- Nadat de witte en zwarte kalibratie is uitgevoerd, drukt u op de knop Linkeroog of Rechteroog op het scherm, afhankelijk van welk oog moet worden gemeten.
- Het systeem geeft een bericht Align System weer aan het oog van het onderwerp. Zorg ervoor dat het systeem is afgestemd op de leerling van de deelnemer. Gebruik de joystick om fijne aanpassingen te maken.
- Zet het LED-lampje aan op het baansysteem dat het verst recht is op de deelnemer. Op dit moment moet de deelnemer in staat zijn om zowel het licht te zien vanuit de reflectometer met hun rechteroog en het rode LED-licht met hun linker.
- Instrueer de deelnemer om de getrainde waarnemer te sturen om het perifere spoor aan te passen totdat ze beide stimuli naar beste vermogen kunnen overlegen.
OPMERKING: Er kan variabiliteit tussen de deelnemers over hoe ver hun bovenelkaar geplaatste "kalibratie punt" is te wijten aan anatomische verschillen.
- Begin van de meting
- Schakel het LED-lampje uit en schakel het volgende LED-lampje (links) in om de volgende excentrieke meting van 1 graad uit te voeren. Leg de deelnemer uit dat ze gedurende de hele meting naar het nieuwe rode LED-lampje moeten kijken.
- Klik op de knop OK op het scherm om de MPOD-meting te starten. De meettijd is 30 s. Boven aan het scherm verschijnt een afteltimer die aangeeft hoeveel tijd er nog over is voor de meting. Vraag de deelnemer om naar het juiste rode LED-lampje te kijken en hen aan te moedigen alleen te knipperen als dat nodig is.
- Gebruik de joystick tijdens de meting om ervoor te zorgen dat het systeem in overeenstemming blijft met de pupil van de deelnemer.
- Zorg ervoor dat het systeem een bericht weergeeft met vermelding van Meting geslaagd zodra de meting is voltooid.
- Klik op de knop OK om te voltooien.
- Herhaal de stappen 5.3.1–5.4.5 om een meting opnieuw te doen.
LET OP: Het hele proces duurt ongeveer 2-3 min. Voor elke graad worden twee metingen aanbevolen om de vergelijking mogelijk te maken. Om metingen te herhalen op een andere retinale excentriciteit, verander de graadscheiding in stap 4.8.
6. Analyse (figuur 4)
- Maak een kopie van het bestand dat moet worden geanalyseerd.
OPMERKING: Het geanalyseerde bestand is gegenereerd in de stappen 4.6.6 en 5.4.5. Deze stap is niet essentieel, maar maakt het mogelijk voor verschillende analyses uitgevoerd zonder wijziging van de oorspronkelijke gegevens. - Open de reflectometry-software op het bureaublad.
- Klik op Importeren aan de linkerkant van de toepassing en kies het gekopieerde bestand dat moet worden geopend.
- Klik op Bewerken onder het tabblad Onderwerprecord. Er gaat een nieuw venster open. Dit zal helpen bij het verkrijgen van gegevens van het gewenste tijdsinterval.
- Verplaats de onderste schuifbalk van 0 naar 10 om de eerste 10 s van de meting te elimineren.
OPMERKING: De diabalk moet 10-30 lezen. Deze diabalken kunnen omhoog of omlaag gaan om het gewenste tijdsinterval te kiezen dat u wilt analyseren. (zie figuur 4). - Klik op de knop Afsluiten aan de linkerkant van dit venster. Er verschijnt een waarschuwingsvenster. Selecteer OK om de intervalverlagingen te bevestigen.
- Klik linksonder in het programma op Launch Analyzer (zie Tabel met materialen). Er gaat een nieuw venster open.
- Klik onder aan de pagina op Beste pasvorm. Hiermee wordt de eerste set gegevens ingevuld, waaronder L-OD en Z-OD.
- Neem de gegevens op.
- Klik op Opnieuw instellen om een andere analyseoptie te selecteren.
- Selecteer Maculapigment onder de opties voor receptormodel.
- Klik op Beste pasvorm om de tweede set gegevens, waaronder MPOD, in te vullen.
- Klik op Oplossing opslaan om dit interval op te slaan.
Representative Results
Deze studie omvatte acht deelnemers variërend van 22-29 jaar. Tabel 1 beschrijft hoe u de afstand berekenen om elke mate van excentriciteit vanuit het midden van de macula te verkrijgen. Tabel 2 geeft de demografie van de deelnemers. De studie steekproef omvat een gelijk aantal mannen en vrouwen met een breed scala van etno-raciale diversiteit. Tabel 3 toont de gemiddelde resultaten van MPOD verkregen door zowel de apparaten en L-OD en Z-OD van alle deelnemers die betrokken zijn bij de studie op verschillende excentriciteiten. De gemiddelde MPOD en standaarddeviatie verkregen door de heterochromatische flikkerfotometer en de reflectometry techniek was respectievelijk 0,480 (SD 0,14) en 0.593 (SD 0.161). Er was een uitstekende correlatie tussen de MPOD-meting verkregen met behulp van de technieken met Person correlatiecoëfficiënt r = 0,92 (p < 0,001). De Z-OD was centraal groter in vergelijking met de L-OD gemeten in de foveal regio. De L-OD tot Z-OD ratio centraal was 1:2.61. De Z-OD daalde als een functie van excentriciteit in het midden van de fovea. Bij 1 graad van de centrale fovea daalde de concentratie van Z-OD gemeten door reflectometry aanzienlijk, met een toename van L-OD. De L-OD tot Z-OD ratio op 1 graad van centrale fixatie was 1.38:1.0. In het parafoveal gebied bij 2 graden van centrale fixatie werd de luteïne de overheersende carotenoïde en de Verhouding L-OD aan Z-OD was 2.08:1.0. De tabellen 4, 5en 6 tonen de gegevens die zijn verkregen van alle acht onderwerpen. Het onderzoeken van de tabellen, is het duidelijk dat er aanzienlijke interindividuele variabiliteit van L-OD, Z-OD, en MPOD waarden, wat aangeeft dat de fysiologische grenzen van de normaliteit kan groot zijn.
Figuur 1: Maculapigment reflectometer. Macula Pigment Reflectometer gebruikt in dit experiment. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 2: Maculapigment reflectometer operationeel schema. Diagram van de interne operationele schema's van het MPR-apparaat. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 3: Perifeer meetspoorsysteem. (A) Het maculapigment reflectometer met het perifere spoorsysteem op 6,1 meter afstand. (B) Het spoorsysteem met een onderzoeker die op het 0 graden LED-licht wijst. (C) Het hele systeem zoals het lijkt wanneer de deelnemer wordt getest. (D) Het spoorsysteem met het 1 graad led-lampje aan. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 4: Venster met diabalken die worden gebruikt voor het bewerken van metingen naar de gewenste tijd. De diabalken worden gebruikt om het gewenste tijdsbestek te bewerken. De afbeelding toont de eerste 10 s die worden verwijderd. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
| Testafstand [m] | 3 | 4 | 5 | 6.1 | 7 | 8 | 9 | 10 |
| Afstand tussen lichten [m] | 0.052 | 0.07 | 0.087 | 0.107 | 0.122 | 0.14 | 0.157 | 0.175 |
Tabel 1: Scheiding tussen fixatielichten op verschillende afstanden van het doel. De afstand tussen de lichten is de waarde voor x in deze vergelijking:
waar d is de test afstand.
| Onderwerp | Leeftijd | Geslacht | Etniciteit | Race |
| 3002 | 27 | F | Spaanse | Kaukasisch/Meer dan één ras |
| 3003 | 28 | F | Spaanse | Geen |
| 3004 | 26 | F | Niet Spaans | Afro-Amerikaan |
| 3005 | 24 | M | Spaanse | Aziatisch/Meer dan één ras |
| 3006 | 27 | M | Niet Spaans | Aziatische |
| 3007 | 25 | F | Niet Spaans | Afro-Amerikaan |
| 3009 | 29 | M | Spaanse | Kaukasisch/Meer dan één ras |
| 3010 | 22 | M | Niet Spaans | Aziatische |
Tabel 2: Demografie van de deelnemers aan de studie. Tabel toont de leeftijd, geslacht en etniciteit van de geteste deelnemers. De gemiddelde leeftijd van de deelnemers was 26 jaar. Er was een 1:1 verhouding van mannen tot vrouwen. De zelf-geïdentificeerde etniciteit van de deelnemers opgenomen 50% Hispanic en ongeveer 37,5% van de Aziatische of meer dan een race.
| Gemiddelde L-OD | Gemiddelde Z-OD | Gemiddelde-reflectometry MPOD | Gemiddelde Z-L-verhouding | Mean-Flicker fotomettry MPOD | |
| Centrale | 0.247 | 0.425 | 0.593 | 2.61:1 | 0.48 |
| Perifere 1 deg | 0.402 | 0.122 | 0.248 | 1:1.38 | Niet beschikbaar |
| Perifere 2 deg | 0.366 | 0.03 | 0.143 | 1:2.08 | Niet beschikbaar |
Tabel 3: Gemiddelde waarden van carotenoïden bij verschillende excentriciteiten. De tabel toont de gemiddelde resultaten van de acht deelnemers aan het onderzoek. SD voor gemiddelde centrale L-OD (0.188) en gemiddelde centrale Z-OD (0.142). SD voor Mean Central MPOD van MPR (0,161) en SD voor Mean Central MPOD van de reflectometer (0,14). SD voor gemiddelde L-OD bij perifere 1 graad (0,224) en gemiddelde Z-OD bij perifere 1 graad (0,122). SD voor gemiddelde MPOD mpr bij perifere 1 graad (0,248). SD voor gemiddelde L-OD bij perifere 2 graden (0,366) en SD voor gemiddelde Z-OD bij perifere 2 graad (0,030). SD voor gemiddelde MPOD mpr bij perifere 2 graden (0,143).
| Deelnemer | L-OD | Z-OD | MPOD | Z-L-verhouding | Mps |
| 3002 | 0.525 | 0.409 | 0.669 | 0.778 | 0.58 |
| 3003 | 0.566 | 0.415 | 0.6525 | 0.733 | 0.48 |
| 3004 | 0.1615 | 0.291 | 0.437 | 1.793 | 0.437 |
| 3005 | 0.121 | 0.414 | 0.555 | 3.432 | 0.555 |
| 3006 | 0.148 | 0.724 | 0.888 | 4.892 | 0.888 |
| 3007 | 0.074 | 0.389 | 0.536 | 5.257 | 0.536 |
| 3009 | 0.197 | 0.26 | 0.361 | 1.32 | 0.361 |
| 3010 | 0.183 | 0.496 | 0.642 | 2.71 | 0.642 |
Tabel 4: Individuele carotenoïde optische dichtheidsmetingen verkregen bij centrale fixatie. De tabel toont de metingen die bij de centrale fixatie voor alle acht deelnemers zijn verkregen.
| Deelnemer | L-OD | Z-OD | MPOD | Z-L-verhouding |
| 3002 | 0.325 | 0 | 0.012 | 0 |
| 3003 | 0.385 | 0.08 | 0.166 | 0.208 |
| 3004 | 0.121 | 0.253 | 0.392 | 2.091 |
| 3005 | 0.7015 | 0 | 0.119 | 0 |
| 3006 | 0.362 | 0.286 | 0.45 | 0.79 |
| 3007 | 0.104 | 0.265 | 0.391 | 2.548 |
| 3009 | 0.589 | 0 | 0.183 | 0 |
| 3010 | 0.626 | 0.094 | 0.273 | 0.15 |
Tabel 5: Individuele carotenoïde optische dichtheidsmetingen verkregen op 1 graad van centrale fixatie. Tabel toont de metingen verkregen op 1 graad van centrale fixatie voor alle acht deelnemers.
| Deelnemer | L-OD | Z-OD | MPOD | Z-L-verhouding |
| 3002 | 0.146 | 0 | 0.043 | 0 |
| 3003 | 0.351 | 0 | 0.066 | 0 |
| 3004 | 0.063 | 0.077 | 0.169 | 1.222 |
| 3005 | 0.189 | 0.017 | 0.067 | 0.09 |
| 3006 | 0.902 | 0 | 0.291 | 0 |
| 3007 | 0.04 | 0.099 | 0.201 | 2.475 |
| 3009 | 0.718 | 0.046 | 0.232 | 0.064 |
| 3010 | 0.518 | 0 | 0.076 | 0 |
Tabel 6: Individuele carotenoïde optische dichtheidsmetingen verkregen op 2 graden uit centrale fixatie. Tabel toont de metingen verkregen op 2 graden van centrale fixatie voor alle acht deelnemers.
Discussion
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.
Disclosures
Dr Pinakin Davey is een consultant voor ZeaVision en Dr Dennis Gierhart is een werknemer, Chief Scientific Officer ZeaVision fabrikant van MPR apparaat. Andere auteurs melden geen conflicten.
Acknowledgments
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.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 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. |
References
- Handelman, G. J., Dratz, E. A., Reay, C. C., van Kuijk, F. Carotenoids in the human macula and whole retina. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 29 (6), 850-855 (1988).
- Milani, A., Basirnejad, M., Shahbazi, S., Bolhassani, A. Carotenoids: biochemistry, pharmacology and treatment. British Journal of Pharmacology. 174 (11), 1290-1324 (2017).
- Bhosale, P., Zhao, D. Y., Bernstein, P. S. HPLC measurement of ocular carotenoid levels in human donor eyes in the lutein supplementation era. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 48 (2), 543-549 (2007).
- Zimmer, J. P., Hammond, B. R. Possible influence of lutein and zeaxanthin on the developing retina. Clinical Ophthalmology. 1 (1), 25-35 (2007).
- Friedman, D. S., et al. Prevalence of Age-Related Macular Degeneration in the United States. Archives of Ophthalmology. 122 (4), 564-572 (2004).
- Ambati, J., Fowler, B. J. Mechanisms of age-related macular degeneration. Neuron. 75 (1), 26-39 (2012).
- Bernstein, P. S., Delori, F. C., Richer, S., van Kuijk, F. J., Wenzel, A. J. The value of measurement of macular carotenoid pigment optical densities and distributions in age-related macular degeneration and other retinal disorders. Vision Research. 50 (7), 716-728 (2010).
- Bone, R. A., Landrump, J. T., Hime, G. W., Cains, A., Zamor, J. Stereochemistry of the Human Macular Carotenoids. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 34 (6), 2033-2040 (1993).
- Leung, I. Y. Macular pigment: New clinical methods of detection and the role of carotenoids in age-related macular degeneration. Optometry - Journal of the American Optometric Association. 79 (5), 266-272 (2008).
- Bone, R. A., et al. Distribution of Lutein and Zeaxanthin Stereoisomers in the Human Retina. Experimental Eye Research. 64 (2), 211-218 (1997).
- de Kinkelder, R., et al. Macular pigment optical density measurements: evaluation of a device using heterochromatic flicker photometry. Eye. 25 (1), 105-112 (2011).
- Snodderly, D. M., Auran, J. D., Delori, F. C. The macular pigment. II. Spatial distribution in primate retinas. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 25 (6), 674-685 (1984).
- Snodderly, D. M., Brown, P. K., Delori, F. C., Auran, J. D. The macular pigment. I. Absorbance spectra, localization, and discrimination from other yellow pigments in primate retinas. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 25 (6), 660-673 (1984).
- Bone, R. A., Landrum, J. T., Fernandez, L., Tarsis, S. L. Analysis of the Macular Pigment by HPLC: Retinal Distribution and Age Study. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 29 (6), 843-849 (1988).
- Chous, A. P., Richer, S. P., Gerson, J. D., Kowluru, R. A. The Diabetes Visual Function Supplement Study. British Journal of Ophthalmology. 100 (2), 227-234 (2016).
- Vishwanathan, R., Schalch, W., Johnson, E. J. Macular pigment carotenoids in the retina and occipital cortex are related in humans. Nutritional Neuroscience. 19 (3), 95-101 (2016).
- Barnett, S. M., et al. Macular pigment optical density is positively associated with academic performance among preadolescent children. Nutritional Neuroscience. 21 (9), 632-640 (2018).
- Saint, S. E., et al. The Macular Carotenoids are Associated with Cognitive Function in Preadolescent Children. Nutrients. 10 (2), 193 (2018).
- Johnson, E. J., et al. Relationship between Serum and Brain Carotenoids, α-Tocopherol, and Retinol Concentrations and Cognitive Performance in the Oldest Old from the Georgia Centenarian Study. Journal of Aging Research. 2013, 951786 (2013).
- Hammond, B. R., et al. Effects of Lutein/Zeaxanthin Supplementation on the Cognitive Function of Community Dwelling Older Adults: A Randomized, Double-Masked, Placebo-Controlled Trial Front. Aging Neuroscience. 3 (9), 254 (2017).
- Renzi-Hammond, L. M., et al. Effects of a Lutein and Zeaxanthin Intervention on Cognitive Function: A Randomized, Double-Masked, Placebo-Controlled Trial of Younger Healthy Adults. Nutrients. 9 (11), 1246 (2017).
- Wooten, B. R., Hammond, B. R. Spectral Absorbance and Spatial Distribution of Macular Pigment Using Heterochromatic Flicker Photometry. Optometry and Vision Science. 82 (5), 378-386 (2005).
- Putnam, C. M. Clinical imaging of macular pigment optical density and spatial distribution. Clinical and Experimental Optometry. 100 (4), 333-340 (2017).
- Davey, P. G., Alvarez, S. D., Lee, J. Y. Macular pigment optical density: repeatability, intereye correlation, and effect of ocular dominance. Clinical Ophthalmology. 10, 1671-1678 (2016).
- Davey, P. G., Ngo, A., Cross, J., Gierhart, D. L. Macular pigment reflectometry: development and evaluation of a novel clinical device for rapid objective assessment of the macular carotenoids. Proceedings of SPIE 10858, Ophthalmic Technologies XXIX. 1085828, (2019).
- Rapp, L. M., Maple, S. S., Choi, J. H. Lutein and Zeaxanthin Concentrations in Rod Outer Segment Membranes from Perifoveal and Peripheral Human Retina. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 41 (5), 1200-1209 (2000).
- van de Kraats, J., Berendschot, T. T., Valen, S., van Norren, D. Fast assessment of the central macular pigment density with natural pupil using the macular pigment reflectometer. Journal of Biomedical Optics. 11 (6), 064031 (2006).
- Sommerburg, O., et al. Lutein and zeaxanthin are associated with photoreceptors in the human retina. Current Eye Research. 19 (6), 491-495 (1999).
- van de Kraats, J., Kanis, M. J., Genders, S. W., van Norren, D. Lutein and zeaxanthin measured separately in the living human retina with fundus reflectometry. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 49 (12), 5568-5573 (2008).
- van der Veen, R. L. P., et al. A new desktop instrument for measuring macular pigment optical density based on a novel technique for setting flicker thresholds. Ophthalmic and Physiological Optics. 29 (2), 127-137 (2009).
- Howells, O., Eperjesi, F., Bartlett, H. Measuring macular pigment optical density in vivo: a review of techniques. Graefe's Archive for Clinical Experimental Ophthalmology. 249 (3), 315-347 (2011).
- Howells, O., Eperjesi, F., Bartlett, H. Improving the repeatability of heterochromatic flicker photometry for measurement of macular pigment optical density. Graefe's Archive for Clinical and Experimental Ophthalmology. 251 (3), 871-880 (2013).
