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Die Technik der strukturierten Beleuchtungsmikroskopie (structured illumination microscopy, SIM) ist eine etablierte ultrastrukturelle Aufnahmemethode, die der hochauflösenden Visualisierung intrazellulärer Strukturen dient. In der Ophthalmologie findet diese Art der Bildgebung bisher wenig Anwendung.
SIM ermöglicht die histologische Darstellung retinaler Strukturen, wie der Zellen des humanen retinalen Pigmentepithels (RPE). In den Zellen des RPE reichern sich Granula an, die für die Autofluoreszenz-Bildgebung von Bedeutung sind. Anhand der Morphologie und autofluoreszierenden Merkmale lassen sich grundsätzlich drei Granulatypen im RPE unterscheiden: Melanosomen (M), Melanolipofuszin (ML)- und Lipofuszin (L)-Granula. Die Anwendung der SIM ermöglicht die präzise Darstellung und Differenzierung dieser autofluoreszierenden Strukturen, sowie die Bestimmung ihrer Anzahl und Lokalisation.
Ziel der Arbeit ist die Darstellung der im humanen RPE lokalisierten Granula mithilfe der SIM. Anhand der unterschiedlichen Autofluoreszenz (AF) der Granula können diese innerhalb des RPE-Zellkörpers klassifiziert, sowie deren Anzahl und Dichte analysiert werden. Diese Analyse wird in Altersgruppen und Retinalokalisationen differenziert. Zudem sind direkte Vergleiche zwischen der Histologie (SIM, ex vivo) und klinischen Aufnahmen (Fundusautofluoreszenz, in vivo) kaum existent. Durch Ermittlung der Gesamt-AF pro Zelle in Korrelation zu der intrazellulären Granuladichte und -verteilung soll eine neue Interpretationsebene ermöglicht werden.
Diese Arbeit soll helfen anhand der gewonnenen Daten die Stoffwechselmechanismen der Retina und deren Einfluss auf die Fundusautofluoreszenz (FAF) besser verstehen zu können. Sie soll insbesondere dazu beitragen bestehende und neue klinische FAF-Bildgebungsverfahren zu validieren, die Diagnostik pathologischer Prozesse der Retina zu optimieren und sowohl eine möglichst frühe Erkennung als auch präzise Prognostik zu ermöglichen.
Zudem sollen die Daten eine belastbare Basis darstellen, um die mit einem hohen Zeitaufwand verbundene manuelle Zellanalyse einer geschulten künstlichen Intelligenz zu überlassen. Damit könnte der Analyseprozess von Gewebeproben immens beschleunigt werden und in seiner Effizienz maximiert werden.
Altersbedingte Makuladegeneration (AMD) ist weltweit die häufigste Ursache von irreversibler Erblindung des alternden Menschen. Mit der anti-VEGF-Behandlung steht für die deutlich seltenere feuchte AMD eine zugelassene Therapie bereit, die deutlich häufigere trockene AMD entzieht sich aktuell jedoch jeglicher Therapie. Ein zentraler Pathomechanismus der AMD ist der progrediente Untergang des retinalen Pigmentepithels (RPE). Die Rarifizierung und letztendlich Atrophie des RPEs führt zum Untergang der funktionellen Einheit aus RPE, Photorezeptoren und Bruch’scher Membran und somit zum irreversiblen Funktionsverlust. Ein möglicher therapeutischer Ansatz, der progredienten Atrophie des RPEs entgegenzuwirken, ist, das prinzipiell post- mitotischen RPE zur Proliferation anzuregen.
Grundlage unserer in vitro Untersuchungen ist das ARPE-19 Zellmodell. Um die Proliferation anzuregen wurden die RPE-Zellen mit E2F2, einem Zellzyklus- regulierendem Transkriptionsfaktor, transfiziert.
Zunächst wurde ein nicht-proliferatives RPE-Zellmodell mit spontanem Wachstumsarrest etabliert. Innerhalb von zwei Wochen konnte die Ausbildung von Zonulae occludentes als Zeichen der Integrität des adhärenten Zellmonolayers beobachtet werden. Die chemische Transfektion von E2F2 unter einem CMV-Promoter führte zur Überexpression von E2F2-Protein. Der proliferationssteigernde Effekt von E2F2 konnte durch die Proliferationsmarker Cyclin D1 sowie Ki67, dem Anstieg der BrdU-Aufnahme und der nach Transfektion mit E2F2 zunehmenden Gesamtzellzahl nachgewiesen werden.
Der Zellzahlerhöhung standen jedoch potentiell qualitative und funktionelle Einbußen entgegen. So zeigten sich nach Behandlung mit E2F2 die Zellviabilität reduziert und die Apoptoserate sowie die Permeabilität des Epithels erhöht. Diese Einschränkungen waren jedoch nur passager bis 7 Tage nach Transfektion sichtbar und reversibel. Unsere Ergebnisse weisen darauf hin, dass diese Defizite nicht durch E2F2 selbst, sondern durch das Transfektionsreagenz PEI bedingt waren. Weitere funktionelle Defizite könnten durch epithelial-mesenchymale Transition (EMT) verursacht werden. Hier zeigte sich durch E2F2 keine De-Differenzierung im Sinne einer typischen EMT-Marker- Expression.
Die vorliegende Arbeit zeigt in einem in vitro Zellmodell die Grundlagen eines vielversprechenden Ansatzes zur Therapie der trockenen AMD: Durch Überexpression eines den Zellzyklus regulierenden Gens (hier E2F2) wurde die RPE-Regeneration angeregt. Analog zur schon zugelassenen Gentherapie des RPEs bei RPE65-assoziierten Netzhautdystrophien durch den Transfer von funktionstüchtigem RPE65-Gen mittels Adeno-assoziierten Viren könnte mittels E2F2, übertragen mit einem lentiviralen Verktor, eine Stimulation des RPEs zur Proliferation möglich sein. Entscheidend ist der möglichst gute Struktur- und Funktionserhalt des Photorezeptor-Bruch-Membran-RPE Komplexes. Eine Therapie sollte daher in frühen Krankheitsstadien erfolgen, um die Progression zu fortgeschrittenen Erkrankungsstadien mit irreversiblem Funktionsverlust zu verzögern oder zu verhindern.
Die quantitative Fundusautofluoreszenz (QAF) erlaubt den Vergleich von Autofluoreszenzintensitäten zwischen Probanden. Zur QAF im sich entwickelnden und reifenden Auge liegen bisher nur sehr wenige Daten vor.
In dieser Studie wurde bei 70 augengesunden kaukasischen Kindern (5 - 18 Jahren) eine multimodale Bildgebung durchgeführt (QAF, OCT). Die QAF und retinalen Dicken wurden an definierten Lokalisationen bestimmt (entlang des horizontalen Meridians, ETDRS-Analysemuster, und weitere). Die weitere Analyse erfolgte mittels eigens dafür erstellten Fiji-plugins. Für die verschiedenen Altersgruppen wurden Standardretinae erstellt.
53 Patienten wurden eingeschlossen. Die QAF war in der Kindheit niedrig, nahm aber stetig zu, auch an der Fovea. Es bestanden keine Geschlechtsunterschiede. Die QAF-Verteilung war ähnlich der von Erwachsenen mit einem Maximum im superior-temporalen Quadranten. An individuellen Punkten blieben die retinalen Schichtdicken mit dem Alter stabil. Im ETDRS-Analysemuster zeigte sich ein signifikanter Anstieg des retinalen Pigmentepithel mit dem Alter. Die Standardretinae zeigten einen signifikanten Anstieg der QAF mit dem Alter.
QAF-Bildgebung ist auch bei jungen Kindern verlässlich durchführbar. Funktions-Struktur-Analysen zeigten eine Verdickung der äußeren Retina und zunehmender QAF mit dem Alter. Dies ist wahrscheinlich auf ein Zunahme von autofluoreszenten Granula in der äußeren Retina zurückzuführen. Standardretinae können zukünftig helfen Pathologien zu erkennen oder Therapien zu überwachen.
Die vorliegende Dissertation geht der Fragestellung nach, inwieweit ein Zusammenhang zwischen der Netzhautdicke und dem Alter des entsprechenden Probanden einerseits sowie der Netzhautdicke und der Achsenlänge des Augapfels andererseits besteht. Der klinische Eindruck, daß die Bulbuswand myoper / kurzsichtiger Augen, die sich durch eine größere Achsenlänge des Auges auszeichnen, dünner ist, wurde bereits durch sonographische Untersuchungen dokumentiert. Allerdings stößt diese Untersuchungstechnik mit ihrem Auflösungsvermögen von 150 µm bei der Quantifizierung der Netzhautdicke als innerste der drei Bulbuswandschichten an ihre Grenzen. Mit dem Retinal Thickness Analyzer (RTA) und der Optischen Kohärenz- Tomographie (Optical Coherence Tomography, OCT) stehen mittlerweile sehr viel genauere Meßmethoden zur Verfügung, die Netzhautdicke in vivo zu bestimmen. In der vorliegenden, prospektiv durchgeführten Studie, wurde die exakteste dieser Untersuchungsverfahren zur Messung der Netzhautdicke, die Optische Kohärenz- Tomographie (Auflösungsvermögen 10 – 15 µm), bei 159 Probanden (Alter 13 bis 92 Jahren mit einer homogenen Verteilung zwischen 20 und 80 Jahren) mit mindestens einer normalen Netzhaut durchgeführt. Die Netzhautdickenmessung erfolgte dabei mit einem 2,8 mm langen linearen horizontalen Scan, zentriert auf die Foveola, der durch einen zusätzlichen gleichartigen, jedoch vertikalen Scan ergänzt wurde. Als Messergebnis lieferte das OCT jeweils ein entsprechendes Schnittbild der Netzhaut von 2,8 mm Länge im Bereich der Makula, das eine exakte Bestimmung der Netzhautdicke erlaubt. Mit dieser wurde anschließend der statistische Zusammenhang mit der sonographisch ermittelten Achsenlänge des Augapfels (Mittelwert: 23,6 ± 1,1 mm, Bereich: 20,5 bis 28,5 mm; Mittelwert des sphärischen Äquivalent der Refraktion: – 0,16 ± 2,23 dpt, Bereich: + 7,25 dpt bis – 11,125 dpt) sowie mit dem Lebensalter der Probanden untersucht. In der Foveola beträgt die Netzhautdicke durchschnittlich 142 ± 18 µm, in 1 mm Abstand nasal davon 266 ± 17 µm, temporal davon 249 ± 18 µm. Demzufolge müssen Netzhautdicken im Bereich der Foveola unter 110 µm und über 190 µm, perifoveal unter 200 µm oder über 300 µm als pathologisch gewertet werden, wenn man eine Irrtumswahrscheinlichkeit von 5 % zugrunde legt. Aufgrund der guten Korrelation korrespondierender Netzhautareale der beiden Augen eines Individuums (Messung bei insgesamt 46 Probanden) sollten große Seitenunterschiede auch innerhalb dieses Normbereiches zu einer kritischen Prüfung der Meßwerte führen und bei methodischer Fehlerfreiheit als pathologisch gewertet werden. Der Unterschied von 17 µm zwischen nasaler und temporaler Netzhautdicke ist statistisch hochsignifikant (Korrelationskoeffizient r = 0,82, p < 0,0001) und durch die nach nasal zur Papille zusammenlaufenden Nervenfasern bedingt. Die Netzhautdicke in der Nähe der Gefäßbögen ist mit etwa 270 µm hochsignifikant größer als in der temporalen Netzhaut (p < 0,0001), wodurch der bündelförmige Verlauf der Nervenfasern zur Darstellung kommt. Die Korrelation korrespondierender Netzhautareale desselben Probanden 1 mm superior und inferior der Foveola ist hoch (p < 0,0001). Der mittlere Variationskoeffizient der mit Hilfe der OCT ermittelten Netzhautdicke in der Foveola beträgt 4,2 % (6 µm), ein Beleg für die hohe Reproduzierbarkeit der OCT-Messungen. 1 mm nasal und temporal ist der Variationskoeffizient der Netzhautdicke mit 2 % (5,5 µm) bzw. 2,2 % (5,5 µm) nochmals niedriger, bedingt durch die in diesem perifoveolaren Bereich der Netzhaut nur geringgradigen Unterschiede in der Netzhautdicke. Entgegen der Studienhypothese besteht eine Korrelation nur zwischen der nasalen, nicht jedoch der temporalen oder foveolaren Netzhautdicke und dem Alter des entsprechenden Probanden. Ebenso wenig besteht eine Korrelation zwischen der Netzhautdicke und der Achsenlänge des Auges. Demzufolge muß bei Messungen der foveolaren oder temporalen Netzhautdicke bei pathologisch veränderter Netzhaut, z.B. bei einem Makulaödem, weder ein Korrekturfaktor für das Probandenalter noch für die Achsenlänge des Auges berücksichtigt werden. Die vorliegenden Ergebnissen der Netzhautdicke sind daher als Normwerte für die nicht pathologisch veränderte Netzhaut anzusehen. Bei der nasalen Netzhautdicke ist ggf. aber eine geringfügig dünnere Netzhaut im hohen Alter zu berücksichtigen.