Name: تسليط الضوء على المؤلف: تعزيز فهم تغيرات تصلب العدسة المرتبطة بالعمر
Uploaded: 2024-04-05T13:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Advancing Understanding of Age-Related Lens Stiffness Changes at JoVE.com

بدعم من منحة المعاهد الوطنية للصحة R01 EY035278 (MR).

تم الحصول على عيون الخنازير من مسلخ محلي. لم تكن هناك حاجة إلى موافقات اللجنة الأخلاقية.
1. تشريح العدسة (الشكل 1)
<ol><li>قم بإزالة جميع الأنسجة المحيطة من عيون الخنازير واللحم الزائد من الصلبة ، حتى يبقى العصب البصري فقط. استخدم ملقط منحني ومق...

التوصيف الميكانيكي الحيوي لعدسة العين الخنازير مع الضغط الآلي

<ol>
	<li>Gullstrand, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Helmholtz's+treatise+on+physiological+optics.+translated+edn.">Helmholtz's treatise on physiological optics. translated edn.</a> The Optical Society of America. , (1924).</li><li>Helmholtz, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Uber+die+akkommodation+des+auges.">Uber die akkommodation des auges.</a> Arch Ophthalmol. 1, 1-74 (1855).</li><li>Burd, H. J., Wilde, G. S., Judge, S. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=An+improved+spinning+lens+test+to+determine+the+stiffness+of+the+human+lens.">An improved spinning lens test to determine the stiffness of the human lens.</a> Exp Eye Res. 92 (1), 28-39 (2011).</li><li>Reilly, M. A., Martius, P., Kumar, S., Burd, H. J., Stachs, O. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+mechanical+response+of+the+porcine+lens+to+a+spinning+test.">The mechanical response of the porcine lens to a spinning test.</a> Z Med Phys. 26 (2), 127-135 (2016).</li><li>Fisher, R. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+elastic+constants+of+the+human+lens.">The elastic constants of the human lens.</a> J Physiol. 212 (1), 147-180 (1971).</li><li>Erpelding, T. N., Hollman, K. W., O'Donnell, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Spatially+mapping+the+elastic+properties+of+the+lens+using+bubble-based+acoustic+radiation+force.">Spatially mapping the elastic properties of the lens using bubble-based acoustic radiation force.</a> IEEE Ultrasonics Symp. 1, 613-616 (2005).</li><li>Erpelding, T. N., Hollman, K. W., O'Donnell, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mapping+age-related+elasticity+changes+in+porcine+lenses+using+bubble-based+acoustic+radiation+force.">Mapping age-related elasticity changes in porcine lenses using bubble-based acoustic radiation force.</a> Exp Eye Res. 84 (2), 332-341 (2007).</li><li>Yoon, S., Aglyamov, S., Karpiouk, A., Emelianov, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+high+pulse+repetition+frequency+ultrasound+system+for+the+ex+vivo+measurement+of+mechanical+properties+of+crystalline+lenses+with+laser-induced+microbubbles+interrogated+by+acoustic+radiation+force.">A high pulse repetition frequency ultrasound system for the ex vivo measurement of mechanical properties of crystalline lenses with laser-induced microbubbles interrogated by acoustic radiation force.</a> Phys Med Biol. 57 (15), 4871-4884 (2012).</li><li>Scarcelli, G., Kim, P., Yun, S. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=In+vivo+measurement+of+age-related+stiffening+in+the+crystalline+lens+by+Brillouin+optical+microscopy.">In vivo measurement of age-related stiffening in the crystalline lens by Brillouin optical microscopy.</a> Biophys J. 101 (6), 1539-1545 (2011).</li><li>Weeber, H. A., Gabriele, E., Wolfgang, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Stiffness+gradient+in+the+crystalline+lens.">Stiffness gradient in the crystalline lens.</a> Graefes Arch Clin Exp Ophthalmol. 245 (9), 1357-1366 (2007).</li><li>Reilly, M. A., Ravi, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Microindentation+of+the+young+porcine+ocular+lens.">Microindentation of the young porcine ocular lens.</a> J Biomech Eng. 131 (4), 044502 (2009).</li><li>Gu, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Connexin+50+and+AQP0+are+essential+in+maintaining+organization+and+integrity+of+lens+fibers.">Connexin 50 and AQP0 are essential in maintaining organization and integrity of lens fibers.</a> Invest Ophthalmol Vis Sci. 60 (12), 4021-4032 (2019).</li><li>Sharma, P. K., Busscher, H. J., Terwee, T., Koopmans, S. A., van Kooten, T. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+comparative+study+on+the+viscoelastic+properties+of+human+and+animal+lenses.">A comparative study on the viscoelastic properties of human and animal lenses.</a> Exp Eye Res. 93 (5), 681-688 (2011).</li><li>Cheng, C., Gokhin, D. S., Nowak, R. B., Fowler, V. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Sequential+application+of+glass+coverslips+to+assess+the+compressive+stiffness+of+the+mouse+lens:+strain+and+morphometric+analyses.">Sequential application of glass coverslips to assess the compressive stiffness of the mouse lens: strain and morphometric analyses.</a> J Vis Exp. (111), e53986 (2016).</li><li>Baradia, H., Negin, N., Adrian, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mouse+lens+stiffness+measurements.">Mouse lens stiffness measurements.</a> Exp Eye Res. 91 (2), 300-307 (2010).</li><li>Reilly, M. A., Cleaver, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Inverse+elastographic+method+for+analyzing+the+ocular+lens+compression+test.">Inverse elastographic method for analyzing the ocular lens compression test.</a> J Innov Opt Health Sci. 10 (06), 1742009 (2017).</li><li>Hahn, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Measurement+of+ex+vivo+porcine+lens+shape+during+simulated+accommodation,+before+and+after+fs-laser+treatment.">Measurement of ex vivo porcine lens shape during simulated accommodation, before and after fs-laser treatment.</a> Invest Ophthalmol Vis Sci. 56 (9), 5332-5343 (2015).</li><li>Parreno, J., Cheng, C., Nowak, R. B., Fowler, V. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+effects+of+mechanical+strain+on+mouse+eye+lens+capsule+and+cellular+microstructure.">The effects of mechanical strain on mouse eye lens capsule and cellular microstructure.</a> Mol Biol Cell. 29 (16), 1963-1974 (2018).</li><li>Yoon, S., Aglyamov, S., Karpiouk, A., Emelianov, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+mechanical+properties+of+ex+vivo+bovine+and+porcine+crystalline+lenses:+age-related+changes+and+location-dependent+variations.">The mechanical properties of ex vivo bovine and porcine crystalline lenses: age-related changes and location-dependent variations.</a> Ultrasound Med Biol. 39 (6), 1120-1127 (2013).</li><li>Reilly, M. A., Hamilton, P., Gavin, P., Nathan, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Comparison+of+the+behavior+of+natural+and+refilled+porcine+lenses+in+a+robotic+lens+stretcher.">Comparison of the behavior of natural and refilled porcine lenses in a robotic lens stretcher.</a> Exp Eye Res. 88 (3), 483-494 (2009).</li><li>Mekonnen, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+lens+capsule+significantly+affects+the+viscoelastic+properties+of+the+lens+as+quantified+by+optical+coherence+elastography.">The lens capsule significantly affects the viscoelastic properties of the lens as quantified by optical coherence elastography.</a> Front Bioeng Biotechnol. 11, 1134086 (2023).</li><li>Wilde, G. S., Burd, H. J., Judge, S. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Shear+modulus+data+for+the+human+lens+determined+from+a+spinning+lens+test.">Shear modulus data for the human lens determined from a spinning lens test.</a> Exp Eye Res. 97 (1), 36-48 (2012).</li></ol>

ضغط العدسة هو طريقة متعددة الاستخدامات لتقدير صلابة العدسة. تسمح الإجراءات الموضحة أعلاه بإجراء مقارنة بين العدسات من الأنواع المختلفة والأحجام المختلفة. يتم تطبيع جميع التشوهات مقابل حجم العدسة ، وحساب معامل المرونة يمثل تقريبا حجم العدسة. المعامل الفعال أعلى بكثير من المعامل الذي تم ا...

العدسة هي العضو الشفاف والمرن الموجود في العين والذي يسمح لها بالتركيز على مسافات مختلفة عن طريق تغيير قوتها الانكسارية. تعرف هذه القدرة باسم الإقامة. يتم تغيير قوة الانكسار بسبب تقلص واسترخاء العضلات الهدبية. عندما تنقبض العضلة الهدبية ، تتكاثف العدسة وتتحرك للأمام ، مما يزيد من قوتها الانكسارية 1,2. تسمح الزيادة في قوة الانكسار للعدسة بالتركيز على الأشياء القريبة. مع تقدم البشر في العمر ، تصبح العدسة أكثر صلابة وتفقد هذه القدرة على الاستيعاب تدريجيا. تعرف هذه الحالة باسم طول النظر الشيخوخي. لا تزال آلية التصلب غير معروفة ، على الأقل جزئيا بسبب الصعوبات المرتبطة بالتوصيف الميكانيكي الحيوي للعدسة.
تم استخدام مجموعة متنوعة من الطرق لتقدير صلابة العدسة والخصائص الميكانيكية الحيوية. وتشمل هذه غزل العدسة3،4،5 ، والطرق الصوتية6،7،8 ، والطرق البصرية مثل المجهر Brillouin9 ، والمسافة البادئة10،11 ، والضغط12،13. الضغط هو الأسلوب التجريبي الأكثر سهولة حيث يمكن إجراؤه باستخدام أجهزة بسيطة (على سبيل المثال ، أغطية زجاجية14,15) أو مرحلة آلية واحدة. لقد أوضحنا سابقا كيف يمكن تقدير الخواص الميكانيكية الحيوية للعدسة بدقة من اختبار الضغط16. هذه العملية صعبة تقنيا وتتطلب برامج متخصصة لا يمكن الوصول إليها بسهولة لباحثي العدسات المهتمين بقياسات الصلابة النسبية. لذلك ، في هذه الدراسة ، نركز على الطرق التي يمكن الوصول إليها لتقدير معامل المرونة للعدسة مع حساب حجم العدسة. معامل المرونة هو خاصية مادية جوهرية تتعلق بقابليتها للتشوه: معامل المرونة العالي يتوافق مع مادة أكثر صلابة.
الاختبار نفسه هو اختبار ضغط لوحة متوازية وبالتالي يمكن إجراؤه على أنظمة اختبار ميكانيكية تجارية مناسبة. هنا ، تم إنشاء أداة مخصصة تتكون من محرك ، ومرحلة خطية ، ووحدة تحكم في الحركة ، وخلية تحميل ، ومكبر للصوت. تم التحكم فيها باستخدام برامج مخصصة تسجل أيضا الوقت والموضع والحمل على فترات منتظمة. عدسات الخنازير لا تستوعب ولكن يمكن الوصول إليها بسهولة وغير مكلفة17. تم تطوير الطريقة التالية لضغط عدسة العين بشكل تدريجي وتحديد معامل مرونتها. يمكن تكرار هذه الطريقة بسهولة وستكون مفيدة في دراسة تصلب العدسة.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Curved Medium Point General Purpose Forceps</td>
			<td>Fisherbrand</td>
			<td>16-100-110</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Galil COM Libraries</td>
			<td>Galil Motion Control</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>High Precision Scalpel Handle&#160;</td>
			<td>Fisherbrand</td>
			<td>12-000-164</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Linear Stage</td>
			<td>McMaster-Carr</td>
			<td>6734K4 0.125&#34;</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Load Cell</td>
			<td>FUTEK</td>
			<td>LSB200-FSH03869</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Load Cell Amplifier</td>
			<td>FUTEK</td>
			<td>IAA300-FSH03931</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>MATLAB</td>
			<td>The Mathworks, Inc.</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Microprobe</td>
			<td>Surgical Design&#160;</td>
			<td>22-079-740</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Miniature Self Opening Precision Scissors&#160;</td>
			<td>Excelta&#160;</td>
			<td>63042-004</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Motion Controller</td>
			<td>Galil Motion Control</td>
			<td>DMC-31012</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Motor</td>
			<td>Galil Motion Control</td>
			<td>BLM-N23-50-1000-B</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Straight Hemastats&#160;</td>
			<td>Fine Science&#160;</td>
			<td>NC9247203</td>
			<td>stainless steel, 14cm&#160;</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

automated compression testing of the ocular lens

الخصائص الميكانيكية الحيوية لعدسة العين ضرورية لوظيفتها كعنصر بصري متغير الطاقة. تتغير هذه الخصائص بشكل كبير مع تقدم العمر في العدسة البشرية ، مما يؤدي إلى فقدان الرؤية القريبة التي تسمى طول النظر الشيخوخي. ومع ذلك ، لا تزال آليات هذه التغييرات غير معروفة. يوفر ضغط العدسة طريقة بسيطة نسبيا لتقييم الصلابة الميكانيكية الحيوية للعدسة بالمعنى النوعي ، وعندما يقترن بالتقنيات التحليلية المناسبة ، يمكن أن يساعد في تحديد الخصائص الميكانيكية الحيوية. تم إجراء مجموعة متنوعة من اختبارات ضغط العدسة حتى الآن ، بما في ذلك كل من اليدوية والآلية ، ولكن هذه الطرق تطبق بشكل غير متسق الجوانب الرئيسية للاختبارات الميكانيكية الحيوية مثل التكييف المسبق ومعدلات التحميل والوقت بين القياسات. تصف هذه الورقة اختبار ضغط العدسة المؤتمت بالكامل حيث تتم مزامنة مرحلة آلية مع كاميرا لالتقاط قوة العدسة وإزاحة وشكلها عبر بروتوكول تحميل مبرمج مسبقا. يمكن بعد ذلك حساب معامل المرونة المميز من هذه البيانات. بينما هو موضح هنا باستخدام عدسات الخنازير ، فإن النهج مناسب لضغط العدسات من أي نوع.

The lens is the transparent and flexible organ found in the eye that allows it to focus on different distances by changing its refractive power. This ability is known as accommodation. The refractive power is altered due to the contraction and relaxation of the ciliary muscle. When the ciliary muscle contracts, the lens thickens and moves forward, increasing its refractive power1,2. The increase in refractive power allows the lens to focus on nearby objects. As humans age, the lens becomes stiffer and this ability to accommodate is gradually lost; this condition is known as presbyopia. The mechanism of stiffening remains unknown, at least in part due to the difficulties associated with the biomechanical characterization of the lens.
A variety of methods have been employed to estimate lens stiffness and biomechanical properties. These include lens spinning3,4,5, acoustic methods6,7,8, optical methods such as Brillouin microscopy9, indentation10,11, and compression12,13. Compression is the most accessible experimental technique as it can be performed with simple instrumentation (e.g., glass coverslips14,15) or a single motorized stage. We have previously shown how the biomechanical properties of the lens may be rigorously estimated from a compression test16. This process is technically challenging and requires specialized software not readily accessible to lens researchers interested in relative stiffness measurements. Therefore, in the present study, we focus on accessible methods for estimating the elastic modulus of the lens while accounting for lens size. The elastic modulus is an intrinsic material property related to its deformability: a high elastic modulus corresponds to a stiffer material.
The test itself is a parallel plate compression test and can therefore be performed on suitable commercial mechanical testing systems. Here, a custom instrument was constructed comprised of a motor, linear stage, motion controller, load cell, and amplifier. These were controlled using custom software which also recorded time, position, and load at regular intervals. Pig lenses do not accommodate but are easily accessible and inexpensive17. The following method was developed to incrementally compress the eye lens and quantify its elastic modulus. This method can be easily replicated and will be useful in the study of lens stiffness.

تسليط الضوء على المؤلف: تعزيز فهم تغيرات تصلب العدسة المرتبطة بالعمر 

اختبار الضغط الآلي لعدسة العين

We're trying to understand how people lose their near vision with age. We know that this is due, in part, to a change in lens stiffness, but we still don't know why the lens stiffens as we age. Current experimental methods rely on crude methods for loading the lens, such as placing microscope cover slips on the lens.These methods are tedious and lack appropriate controls for the rate of loading. We have determined that the lens shape is the primary driver of presbyopia, and we know that the shape is primarily driven by biomechanical parameters. This protocol offers a completely objective, reproducible method for measuring lens stiffness.Automation allows us to control the rate of loading, which is a key parameter when characterizing a viscoelastic material, like the lens. We now have an objective, repeatable protocol for measuring lens biomechanical properties. This will allow us to rigorously characterize how the lens stiffens with age, as well as how specific proteins modify the lens biomechanical properties.

تم ضغط ست عدسات خنزير ، أولا مع سلامة الكبسولة ، ثم بعد إزالة الكبسولة بعناية. كانت قيم السمك 7.65 ± 0.43 مم للعدسات المغلفة و 6.69 ± 0.29 مم للعدسات المفككة (متوسط ± الانحراف المعياري). يظهر سجل تحميل نموذجي في الشكل 3. كانت منحنيات إزاحة القوة الناتجة مناسبة تماما لنموذج هيرتز (أي أن...

Watch this Scientific Journal Video about Advancing Understanding of Age-Related Lens Stiffness Changes at JoVE.com

نقدم طريقة آلية لتوصيف معامل المرونة الفعال لعدسة العين باستخدام اختبار الضغط.

The biomechanical properties of the ocular lens are essential to its function as a variable power optical element. These properties change dramatically ...

نحن نحاول أن نفهم كيف يفقد الناس رؤيتهم القريبة مع تقدم العمر. نحن نعلم أن هذا يرجع جزئيا إلى تغير في تصلب العدسة ، لكننا ما زلنا لا نعرف سبب تصلب العدسة مع تقدمنا في العمر. تعتمد الطرق التجريبية الحالية على الطرق الخام لتحميل العدسة ، مثل وضع زلات غطاء المجهر على العدسة.هذه الطرق مملة وتفتقر إلى الضوابط المناسبة لمعدل التحميل. لقد قررنا أن شكل العدسة هو المحرك الأساسي لطول النظر الشيخوخي ، ونعلم أن الشكل مدفوع بشكل أساسي بمعلمات ميكانيكية حيوية. يقدم هذا البروتوكول طريقة موضوعية تماما وقابلة للتكرار لقياس صلابة العدسة.تسمح لنا الأتمتة بالتحكم في معدل التحميل ، وهو معلمة رئيسية عند توصيف مادة لزجة مرنة ، مثل العدسة. لدينا الآن بروتوكول موضوعي قابل للتكرار لقياس الخواص الميكانيكية الحيوية للعدسة. سيسمح لنا ذلك بتوصيف دقيق لكيفية تصلب العدسة مع تقدم العمر ، وكذلك كيفية تعديل بروتينات معينة للخصائص الميكانيكية الحيوية للعدسة.

automated-compression-testing-of-the-ocular-lens

Research

JoVE Journal

Bioengineering

Automated Compression Testing of the Ocular Lens

The biomechanical properties of the ocular lens are essential to its function as a variable power optical element. These properties change dramatically with age in the human lens, resulting in a loss of near vision called presbyopia. However, the mechanisms of these changes remain unknown. Lens compression offers a relatively simple method for assessing the lens' biomechanical stiffness in a qualitative sense and, when coupled with appropriate analytical techniques, can help quantify biomechanical properties. A variety of lens compression tests have been performed to date, including both manual and automated, but these methods inconsistently apply key aspects of biomechanical testing such as preconditioning, loading rates, and time between measurements. This paper describes a fully automated lens compression test wherein a motorized stage is synchronized with a camera to capture the force, displacement, and shape of the lens throughout a preprogrammed loading protocol. A characteristic elastic modulus may then be calculated from these data. While demonstrated here using porcine lenses, the approach is appropriate for the compression of lenses of any species.

We present an automated method for characterizing the effective elastic modulus of an ocular lens using a compression test.