Wir präsentieren ein Protokoll zur Bestimmung der Konzentrationen von Gesamtmakulapigment, Lutein und Zeaxanthin-optischer Dichte in den zentralen und parafovealen Regionen der Netzhaut. Das Protokoll enthält ein neuartiges einstellbares Tracksystem, das zur Messung der optischen Dichte von Makulapigmenten in der Fovealexzentrizität verwendet wird.
Das Makulapigmentreflekometer (MPR) misst objektiv die optische Gesamtdichte des Makulapigments (MPOD) und liefert darüber hinaus die optische Luteindichte (L-OD) und die optische Zeaxanthindichte (Z-OD) im zentralen 1 Grad der Fovea. Eine Modifikation der Technik wurde entwickelt, um die in vivo-Carotinoiddichte exzentrisch zur Fovea zu bewerten. Ein verstellbares Gleissystem mit roten LED-Leuchten wurde 6,1 m vom Teilnehmer entfernt platziert, um die Okularfixierung zu erleichtern. Lichter wurden entsprechend verteilt, um bei den Reflexionsmessungen Erhöhungen von 1 Grad Netzhautdisparität zu erzeugen. Alle Reflektometriemessungen wurden mit Pupillendilatation durchgeführt. Der mittlere MPR-MPOD-Wert für die Zentralmessung betrug 0,593 (SD 0,161) mit einem Verhältnis von L-OD zu Z-OD von 1:2,61. Der MPR-MPOD-Wert bei 1 Grad betrug 0,248 und der mittlere MPR-MPOD-Wert bei 2 Grad im parafovealen Bereich 0,143. Das Verhältnis von L-OD zu Z-OD bei 1 Grad bzw. 2 Grad außerhalb der Mitte betrug 1,38:1,0 bzw. 2,08:1,0. Die Ergebnisse zeigen, dass MPOD-Messungen, die mit dem MPR erhalten wurden, in Abhängigkeit von der netzretinalen Exzentrizität abnehmen und dass es eine höhere Konzentration von Zeaxanthin zentral im Vergleich zu Lutein gibt. Das Verhältnis von L-OD zu Z-OD ändert sich mit fovealer Exzentrizität, wobei zweimal mehr Lutein als Zeaxanthin bei 2 Grad in der Mitte liegt. Unsere Technik bietet erfolgreich eine schnelle in vivo Methode zur Messung der optischen Dichte von Makulapigmenten bei verschiedenen fovealen Exzentrizitäten. Die Ergebnisse stimmen mit den zuvor veröffentlichten Messungen der Xanthophyll-Carotinoid-Dichte in vivo und in vitro überein.
Die altersbedingte Makuladegeneration (AMD) ist eine der Hauptursachen für Erblindung und macht weltweit 8,7 % der Blindheit aus1. Risikofaktoren im Zusammenhang mit AMD sind zunehmendes Alter, weibliches Geschlecht, Rauchen, helle Iris Farbe, Lipid-Ungleichgewicht, lebenslange Exposition gegenüber Sonnenlicht und uvviolette Strahlungen, systemisch niedrigere Niveaus von Antioxidantien, niedrigere Makulapigment optische Dichte (MPOD), Genetik, und Rasse2. Von diesen, modifizierbare Risikofaktoren sind Raucherentwöhnung, orale Supplementierung von Antioxidantien, und Carotinoide. Carotinoide sind natürliche Pigmente, die in Pflanzen und Mikroorganismen vorkommen, und sind effiziente Antioxidantien3. Sie werden von photosynthetischen Organismen hergestellt; Menschen erhalten Carotinoide aus ihrer Ernährung3,4. Makulapigmente bestehen aus drei Carotinoiden: Lutein, Zeaxanthin und Meso-Zeaxanthin4. Die Xanthophylls lutein und zeaxanthin5 sind in der Netzhaut, speziell der Makula, zu finden und geben der Fovea ihre gelbe Farbe6. Höhere Konzentrationen von Xanthophyllen werden in den Axone der Photorezeptoren und inneren Plexiformschichten der Netzhautbeobachtet 5,7. Die Einnahme von Carotinoiden, wie Lutein und Zeaxanthin, erhöht das Niveau des Makulapigments. Lutein und Zeaxanthin werden aus Nahrungsaufnahme oder mit Nahrungsergänzung gewonnen, während Meso-Zeaxanthin ist einfach ein Nebenprodukt des Stoffwechsels von Lutein3,7,8. Lutein und Zeaxanthin Konzentrationen unterscheiden sich in den verschiedenen Regionen der Netzhaut. Zentral, in der Fovea, ist die Zeaxanthinkonzentration größer als die von Lutein, mit einem Verhältnis von 2.3:19,10. Die Konzentration von Carotinoiden nimmt in der fovealen Peripherie um das 100-fache pro mm ab, wo Lutein häufiger ist als Zeaxanthin, mit einem Verhältnis von 2,4:19,10.
Das Vorhandensein von Xanthophyllen in der Netzhaut schützt die Netzhautschaltung, insbesondere in der Fovea und Makula, und ist entscheidend für das zentrale Sehen. Die Xanthophylle schützen die Netzhaut durch zwei mögliche Mechanismen: 1) Filterung blaues Licht und 2) abnehmenden oxidativen Stress5,11,12,13. Blaues Licht streut am meisten in der Netzhaut und höhere Ebenen des Makulapigments absorbieren zentral das gestreute Licht und verbessern so das Sehen. Zusätzlich besteht der blaue Teil des sichtbaren Spektrums aus hoher Energie, kurzen Wellenlängen, die zur Produktion übermäßiger Mengen an reaktiven Sauerstoffspezies in der Netzhaut führen können. Daher wird angenommen, dass Carotinoide die oxidative Belastung der Makula reduzieren, indem sie als Antioxidantien in der inneren Netzhaut und Photorezeptor-Retinalpigment-Epithel-Komplex wirken, indem sie diese freien Radikale5,12,13,14abschrecken.
Die Messung von Netzhautcarotinoiden hat größere Auswirkungen auf die systemische Gesundheit. Eine kürzlich durchgeführte Studie zeigte, dass die Carotinoid-Therapie die Netzhautfunktion bei Diabetikern ohne Änderungen des Blutzuckerspiegelsverbessert 15. Die Ebenen der Carotinoid-Dichte in der Netzhaut sind auch stark mit den Ebenen im Gehirn16korreliert. Carotinoide Ebenen können entscheidend in den Entwicklungsjahren17,18, und Ebenen im Gehirn Rückgang mit dem Altervon 19. Die MPOD-Spiegel beziehen sich auf Neuroprotektion und neuronale Effizienz bei Kindern und älteren20,21. Daher ist es notwendig, MPOD und seine Eigenschaften klinisch zu messen. Dies wird eine Rolle bei der Diagnose, Verwaltung und Behandlung von verschiedenen okulären und systemischen Bedingungen7,15,16,17,18,19,20,21.
Die derzeit kommerziell erhältlichen MPOD-Messtechnologien sind heterochromatische Flickerphotometer (HFP), die auf psychophysikalischen Tests basieren. Diese messen einen 1-Grad-Patch auf der Fovea, der einem Kreis mit einem Durchmesser von 0,30 mm22entspricht. Während sich diese Gerätetypen als zuverlässig erwiesen haben, sind sie durch ihre subjektive Natur begrenzt, zeitaufwändig zu bedienen und sind nicht in der Lage, die einzelnen Mengen von Xanthophyllen zu unterscheiden, die MPOD13,22,23,24bilden. Das Makulapigmentreflekometer (siehe Materialtabelle), auch als Reflektometer bezeichnet (siehe Abbildung 1), adressiert diese Einschränkungen, indem es den MPOD und seine einzelnen Bestandteile lutein und zeaxanthin (Xanthophylls) objektiv misst25. Das Reflektometer verwendet eine UV/IR-gefilterte und kollimierte Quarzhalogenquelle, um einen kontrollierten Lichtstrahl an die Netzhaut zu senden (siehe Schaltplan Abbildung 2) und die internen Filter absorbieren den größten Teil der erzeugten Strahlung. Daher besteht für den Teilnehmer wenig bis gar kein Risiko einer Strahlenexposition. Die verschiedenen Chromophore und Strukturen im menschlichen Auge und die entsprechenden Absorptions- und Reflexionsmuster sind in der Literatur gut beschrieben26,27,28. Die Analyse des reflektierten Lichts, das vom internen Spektrometer verarbeitet wird, ermöglicht die quantitative Isolierung und Messung von Lutein und Zeaxanthin-optischen Dichten (L-OD, Z-OD) zusammen mit dem gesamten MPOD. Das dritte Retinal-Carotinoide Meso-Zeaxanthin ist spektral nicht von Zeaxanthin zu unterscheiden und somit stellt das Z-OD eine Kombination der beiden Carotinoide29dar. Frühere Arbeiten haben gezeigt, dass die Reflektometrie bei der Messung von zentralen L-OD, Z-OD und MPOD25,29zuverlässig ist.
Der Zweck der aktuellen Studie ist es, eine Technik zu schaffen, die verwendet werden kann, um In-vivo-Schätzungen des Zeaxanthin- und Luteinspiegels in den fovealen und parafovealen Netzhautregionen beim Menschen zu erstellen. Weitere Ziele sind der Vergleich der Ergebnisse mit den zuvor veröffentlichten Labor- und Histologieergebnissen14,29. Der in diesem Manuskript entwickelte und beschriebene Ansatz und seine Verwendung neben der Reflektometrie zur Messung des perifovealen MPOD ist neu. Diese Technik kann mit jeder vorhandenen Reflektometrieeinheit ohne größere Modifikation verwendet werden, um die Netzhautspiegel einzelner Carotinoide wie L-OD und Z-OD an verschiedenen Foveal- und Parafovealstellen zu messen.
Die in diesem Manuskript vorgestellte Studie umfasst acht Teilnehmer im Alter von 22 bis 29 Jahren. Zu unseren Methoden gehört die Durchführung einer routinemäßigen ophthalmologischen Untersuchung, um sicherzustellen, dass die Studienteilnehmer die Aufnahmekriterien erfüllen. Nach Einholung der informierten Zustimmung unterzog sich jeder Studienteilnehmer den folgenden vier Tests: 1) ein kommerziell erhältliches heterochromatisches Flimmerphotometergerät wurde verwendet, um eine zentrale MPOD-Messung zu erhalten; 2) ein Reflektometergerät wurde verwendet, um zwei zentrale Messungen zu erhalten; 3) mit der gleichen Reflektorvorrichtung in Verbindung mit dem peripheren Gleissystem wurden Messungen der Carotinoide bei einer Exzentrizität von 1 Grad, d. h. einem Kreis mit einem Durchmesser von 0,30 mm, um 0,30 mm von der zentralen Fovea zentriert; 4) mit dem gleichen Aufbau wurden auch Carotinoid-Spiegel mit einer Exzentrizität von 2 Grad gemessen, ein Kreis mit einem Durchmesser von 0,30 mm am Rand der Fovea (ein parafovealer Bereich).
Die MPR-Messungen wurden durchgeführt, nachdem die Schüler jedes Teilnehmers mit 1% Tropicamid-Ophthalmika-Tropfen erweitert wurden. Es ist bekannt, dass die Pupillendilatation nicht benötigt wird, um MPOD-Werte mit Reflectometrie zu erhalten, aber es kann die Wiederholbarkeit von L-OD- und Z-OD-Messungen25,29verbessern. Dies ist möglicherweise darauf zurückzuführen, dass Messungen, die von der Netzhaut mit dem Reflektor erhalten wurden, ein besseres Signal-Rausch-Verhältnis hatten, wenn die Pupillen erweitert wurden. Für die präzisen und stabilen peripheren Reflektometriemessungen verwendeten die Teilnehmer Fixationsziele, die bei optischer Unendlichkeit30,31platziert wurden.
Wir haben Reflektometermessungen für 30 s erhalten und die ersten 10 s Daten verworfen. Dieses Verfahren hat zwei Vorteile: 1) die Signalquelle ist hell und ermöglicht es den Augen, sich anzupassen und sich an die Aufgabe anzupassen; und 2) am wichtigsten ist, dass das Photorezeptorpigment in den ersten 10 s bleicht. Daher ermöglicht die Eliminierung der ersten 10 s der Messung ein stabileres und genaueres Signal29. Wir führten alle Reflektometrietests zweimal in der vorliegenden Studie durch, nach der wir die Messungen gemittelt haben, um mittlere MPOD-, L-OD- und Z-OD-Werte und das Verhältnis von Z-OD/ L-OD für jeden Teilnehmer zu erhalten.
Unsere Studie veranschaulicht die Technik und Methodik zur Durchführung von In-vivo-MPOD-Messungen an verschiedenen Foveal- und Parafovealregionen mit einem Reflektometer. Wir haben ein peripheres Gleissystem entwickelt und kalibriert, um Messungen bei 1 Grad und 2 Grad aus der zentralen Fixierung zu erhalten. Unsere Studienergebnisse zeigen, dass MPOD, L-OD und Z-OD in verschiedenen Foveal- und Parafovealregionen mit diesem Protokoll bei optischer Unendlichkeit gemessen werden können. Das Protokoll könnte für kürzere Entfernungen angepasst werden, wenn längere Räume in einer Klinik nicht zur Verfügung stehen. In diesem Fall ist jedoch eine Pärsäulenerweiterung erforderlich, um die aktive Unterbringung zu kontrollieren (siehe Tabelle 1).
Es gibt zwei kritische Schritte bei der Durchführung dieses Experiments: 1) die 0-Grad-Kalibrierung und 2) die Schwarzkalibrierung. Bei verwendung des peripheren Gleissystems zur Messung des MPOD und seiner Bestandteile außerhalb der Mitte ist die externe Fixierung für die 0-Grad-Kalibrierung oder Fovealmessung von größter Bedeutung. Wenn der Teilnehmer, dessen Auge gemessen wird, dieses Verfahren nicht versteht oder nicht die erforderlichen Schritte ausführen kann, werden die Messungen kompromittiert und fehlerhaft. Die Schwarzkalibrierung ist auch deshalb von entscheidender Bedeutung, weil sie es dem MPR ermöglicht, eine Basisspektrometermessung zu erstellen, wenn kein Licht vorhanden ist, die das Gerät dann mit allen werten vergleicht, die vom Motiv erhalten werden. Daher ist die Schwarzkalibrierung ein Muss für jeden Teilnehmer.
Unsere Studienergebnisse zeigen, dass die zentralen MPOD-Werte mit Daten aus früheren veröffentlichten experimentellen und histologischen Studienübereinstimmen 7,10,14. Darüber hinaus stellten wir fest, dass die MPOD-Werte mit zunehmender Netzhautexzentrizität abnehmen, wobei die MPOD-Werte am Fohlen im Vergleich zur parafovealen Region höher sind. Die Lutein- und Zeaxanthinspiegel variieren auch an verschiedenen Netzhautstellen, wobei sich die Lutein- und Zeaxanthin-Verhältnisse in Abhängigkeit von Derexzentrizität ändern. Wir fanden zentrale L-OD- und Z-OD-Verhältnisse von 1:2,6, die sich von der zentralen Fixierung auf 2,08:1 änderten. Dies steht im Einklang mit Berichten aus früheren Studien10,29. Wir fanden heraus, dass die Lutein- und Zeaxanthin-Spiegel erhebliche interindividuelle Variationen aufwiesen. Vorherige in vivo Laborexperimente haben nur drei Probanden ausgewertet, und es gibt begrenzte Informationen in diesem Bereich29. Wenn die signifikante interindividuelle Variation der Carotinoide richtig ist, dann würde dies die Notwendigkeit unterstützen, Basismaße von Carotinoiden zu erhalten und individuelle Nahrungsergänzungsmittel anzupassen. Weitere Forschung wird notwendig sein, um diese Feststellung einer hohen interindividuellen Variabilität von Lutein und Zeaxanthinspiegel bei gesunden Personen zu bestätigen. Frühere Veröffentlichungen und die Arbeit mit diesem MPR-Gerät zeigen, dass wiederholbare Messungen für MPOD sowohl unter undilated und erweiterter Pupillenlage erhalten werden können, obwohl die Wiederholbarkeit von L-OD- und Z-OD-Messungen verbessert wurde, als die Pupillen erweitert wurden25. In der vorliegenden Studie führten wir alle MPR-Messungen mit erweiterten Schülern durch. Da die Carotinoidspiegel in der Foveal-Peripherie und im parafovealen Bereich niedriger sind, kann es wichtig sein, die Pupille für eine konsistente Signalstärke und zuverlässige periphere Messungen zu verdünnen.
Wir haben verschiedene Methoden ausprobiert und schließlich unser Gleissystem entwickelt und getestet. Es erwies sich als der effektivste Weg, um zuverlässige Ergebnisse zu erzielen. Das System wurde getestet, indem drei Teilnehmer mehrmals untersucht wurden, um zu sehen, ob bei jedem Versuch ähnliche Ergebnisse erzielt werden konnten. Dazu gehörte die Messung der Teilnehmer bei drei verschiedenen Gelegenheiten über einen Zeitraum von zwei Monaten. Andere Methoden versuchten, das reflektometrische Okular zu modifizieren, indem eine Abdeckung mit vorgeschnittenen Schlitzen in der Mitte von 0, 1 und 2 Grad erstellt wurde. Diese Technik erwies sich als unwirksam, da die Schlitze zu nah beieinander lagen, als dass ein Subjekt angemessen unterscheiden konnte.
Es gibt mehrere Einschränkungen in dieser Studie. Die Studie erfordert, dass die Probanden eine normale Binokularität haben. Dadurch wird sichergestellt, dass sich das Motiv auf das Ziel fixieren kann, während das andere Auge gemessen wird. Probanden, die dieses Kriterium nicht erfüllen, können die Anweisungen nicht einhalten, fixieren sich nicht richtig, während sie den Reiz einstecken, und können mit dieser Technik nicht erfolgreich gemessen werden. Das Gleissystem war zuverlässig, aber seine Grenzen konnten in zukünftigen Studien angegangen werden. Das Protokoll könnte verbessert werden, indem man eingebaute rote LED-Befestigungsleuchten mit einem Teil eines Badal Optometersystems als Teil des Reflektometers hat. Dies würde es dem Teilnehmer ermöglichen, sich auf die gewünschte Exzentrizität zu fixieren, wobei das Auge mit entsprechender Anpassung der Linse gemessen wird.
Derzeit gibt es keine alternativen Techniken zur Messung von In-vivo L-OD und Z-OD. Es gibt jedoch alternative Geräte, die MPOD messen. Ein solches Gerät ist das in dieser Studie verwendete heterochromatische Flimmerphotometer. Das heterochromatische Flimmerphotometer verwendet eine psychophysikalische Testmethode und kann keine individuellen Lutein- und Zeaxanthinwerte bestimmen. Die zentralen MPOD-Messungen, die mit einem heterochromatischen Flickerphotometer durchgeführt wurden, lagen im Durchschnitt um 0,11 niedriger als die des MPR-Geräts mit einer Standardabweichung von 0,16. Die MPOD-Messung, die mit beiden Techniken durchgeführt wurde, hatte eine ausgezeichnete Korrelation, wie zuvor berichtet25.
Obwohl die aktuelle Studie eine kleine Stichprobengröße hat, sollte sie das Konzept beweisen, dass periphere Messungen der optischen Dichte von Zeaxanthin und Lutein mit einem Reflektometriegerät erreicht werden können. Unserer Kenntnis nach hatten andere In-vivo-Studien deutlich geringere Stichprobengrößen als die in dieser Studie verwendete Probe. Daher sind wir zuversichtlich, dass unsere Ergebnisse zeigen, dass die In-vivo-Carotinoiddichte an der Foveola-, Foveal-Peripherie und der parafovealen Region mit einem Reflektometer gemessen werden kann. Unsere Studie beleuchtet weiter, wie zeaxanthin und lutein in den zentralen und peripheren Makularegionen innerhalb der menschlichen Netzhaut verteilt sind. Da wir eine bemerkenswerte Variation der Werte unter unseren Studienteilnehmern gefunden haben, sind größere Studien sowohl in vivo als auch in vitro erforderlich, um lutein und Zeaxanthinverteilung, Niveaus und Verhältnisse innerhalb der allgemeinen Bevölkerung besser zu verstehen.
The authors have nothing to disclose.
Wir danken dem WesternU College of Optometry und dem Master of Science in Medical Sciences Programm an der WesternU für ihre Unterstützung und Unterstützung. Wir danken ZeaVision auch für die großzügige Unterstützung und Finanzierung.
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. |