Name: Auteur in de schijnwerpers: Voortschrijdend begrip van leeftijdsgebonden veranderingen in lensstijfheid
Uploaded: 2024-04-05T13:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Advancing Understanding of Age-Related Lens Stiffness Changes at JoVE.com

Ondersteund door National Institutes of Health-subsidie R01 EY035278 (MR).

Varkensogen werden verkregen van een plaatselijk slachthuis. Er waren geen goedkeuringen van ethische commissies vereist.
1. Lensdissectie (Figuur 1)
<ol><li>Verwijder al het omringende weefsel uit de varkensogen en overtollig vlees uit de sclera, totdat alleen de oogzenuw overblijft. Gebruik een gebogen pincet en een kleine dissectieschaar om dit proces te voltooien. Gebruik de zenuw als anker om het oog vast te houden tijdens ...

Biomechanische karakterisering van varkensoculaire lens met geautomatiseerde compressie

<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>

Lenscompressie is een veelzijdige methode voor het schatten van de stijfheid van de lens. De hierboven beschreven procedures maken het mogelijk om lenzen van verschillende soorten en verschillende maten te vergelijken. Alle vervormingen worden genormaliseerd ten opzichte van de lensgrootte en de berekening van de elastische modulus houdt ongeveer rekening met de lensgrootte. De effectieve modulus is aanzienlijk hoger dan de eerder gerapporteerde modulus voor de varkenslens 4,7,11,19, al...

De lens is het transparante en flexibele orgaan in het oog waarmee het op verschillende afstanden kan scherpstellen door het brekingsvermogen te veranderen. Dit vermogen staat bekend als accommodatie. Het brekingsvermogen verandert door de samentrekking en ontspanning van de ciliaire spier. Wanneer de ciliaire spier samentrekt, wordt de lens dikker en beweegt naar voren, waardoor het brekingsvermogen toeneemt 1,2. Door de toename van het brekingsvermogen kan de lens scherpstellen op objecten in de buurt. Naarmate mensen ouder worden, wordt de lens stijver en gaat dit vermogen om zich aan te passen geleidelijk verloren; Deze aandoening staat bekend als presbyopie. Het mechanisme van verstijving blijft onbekend, althans gedeeltelijk vanwege de moeilijkheden die gepaard gaan met de biomechanische karakterisering van de lens.
Er zijn verschillende methoden gebruikt om de stijfheid en biomechanische eigenschappen van brillenglazen te schatten. Deze omvatten lensrotatie 3,4,5, akoestische methoden 6,7,8, optische methoden zoals Brillouin-microscopie9, inkeping10,11 en compressie12,13. Compressie is de meest toegankelijke experimentele techniek omdat het kan worden uitgevoerd met eenvoudige instrumentatie (bijv. glazen dekglaasjes14,15) of een enkele gemotoriseerde trap. We hebben eerder laten zien hoe de biomechanische eigenschappen van de lens rigoureus kunnen worden geschat op basis van een compressietest16. Dit proces is technisch uitdagend en vereist gespecialiseerde software die niet gemakkelijk toegankelijk is voor lensonderzoekers die geïnteresseerd zijn in relatieve stijfheidsmetingen. Daarom richten we ons in de huidige studie op toegankelijke methoden voor het schatten van de elastische modulus van de lens, rekening houdend met de lensgrootte. De elasticiteitsmodulus is een intrinsieke materiaaleigenschap die verband houdt met de vervormbaarheid: een hoge elasticiteitsmodulus komt overeen met een stijver materiaal.
De test zelf is een parallelle plaatcompressietest en kan daarom worden uitgevoerd op geschikte commerciële mechanische testsystemen. Hier werd een op maat gemaakt instrument geconstrueerd dat bestond uit een motor, lineaire trap, bewegingscontroller, loadcel en versterker. Deze werden bestuurd met behulp van aangepaste software die ook tijd, positie en belasting met regelmatige tussenpozen registreerde. De lenzen van het varken zijn niet geschikt, maar zijn gemakkelijk toegankelijk en goedkoop17. De volgende methode is ontwikkeld om de ooglens stapsgewijs samen te drukken en de elastische modulus te kwantificeren. Deze methode kan gemakkelijk worden gerepliceerd en zal nuttig zijn bij het bestuderen van lensstijfheid.

<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

De biomechanische eigenschappen van de oculaire lens zijn essentieel voor zijn functie als optisch element met variabel vermogen. Deze eigenschappen veranderen dramatisch met de leeftijd in de menselijke lens, wat resulteert in een verlies van dichtbij zien, presbyopie genaamd. De mechanismen van deze veranderingen blijven echter onbekend. Lenscompressie biedt een relatief eenvoudige methode om de biomechanische stijfheid van de lens in kwalitatieve zin te beoordelen en kan, in combinatie met geschikte analytische technieken, helpen bij het kwantificeren van biomechanische eigenschappen. Tot nu toe zijn er verschillende lenscompressietests uitgevoerd, zowel handmatig als geautomatiseerd, maar deze methoden passen inconsistent belangrijke aspecten van biomechanische tests toe, zoals preconditionering, belastingssnelheden en tijd tussen metingen. Dit artikel beschrijft een volledig geautomatiseerde lenscompressietest waarbij een gemotoriseerde tafel wordt gesynchroniseerd met een camera om de kracht, verplaatsing en vorm van de lens vast te leggen via een voorgeprogrammeerd laadprotocol. Op basis van deze gegevens kan vervolgens een karakteristieke elasticiteitsmodulus worden berekend. Hoewel hier gedemonstreerd met behulp van varkenslenzen, is de aanpak geschikt voor de compressie van lenzen van elke soort.

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.

Auteur in de schijnwerpers: Voortschrijdend begrip van leeftijdsgebonden veranderingen in lensstijfheid 

Geautomatiseerde compressietests van de oculaire lens

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.

Zes varkenslenzen werden gecomprimeerd, eerst met de capsule intact en vervolgens na zorgvuldige verwijdering van de capsule. De diktewaarden waren 7,65 ± 0,43 mm voor ingekapselde lenzen en 6,69 ± 0,29 mm voor gedecapsuleerde lenzen (gemiddelde ± standaarddeviatie). Een typische laadgeschiedenis wordt weergegeven in figuur 3. De resulterende kracht-verplaatsingscurven werden goed gepast door het Hertz-model (d.w.z. ze hadden een kracht die evenredig was met de verplaatsing die werd verho...

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

We presenteren een geautomatiseerde methode voor het karakteriseren van de effectieve elastische modulus van een oculaire lens met behulp van een compressietest.

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

We proberen te begrijpen hoe mensen hun gezichtsvermogen verliezen naarmate ze ouder worden. We weten dat dit gedeeltelijk te wijten is aan een verandering in de stijfheid van de lens, maar we weten nog steeds niet waarom de lens verstijft naarmate we ouder worden. De huidige experimentele methoden zijn gebaseerd op ruwe methoden voor het laden van de lens, zoals het plaatsen van microscoopafdekglaasjes op de lens.Deze methoden zijn vervelend en missen de juiste controles voor de laadsnelheid. We hebben vastgesteld dat de vorm van de lens de belangrijkste oorzaak is van presbyopie, en we weten dat de vorm voornamelijk wordt bepaald door biomechanische parameters. Dit protocol biedt een volledig objectieve, reproduceerbare methode voor het meten van lensstijfheid.Automatisering stelt ons in staat om de belastingssnelheid te regelen, wat een belangrijke parameter is bij het karakteriseren van een visco-elastisch materiaal, zoals de lens. We hebben nu een objectief, herhaalbaar protocol voor het meten van biomechanische eigenschappen van brillenglazen. Dit zal ons in staat stellen om rigoureus te karakteriseren hoe de lens verstijft met de leeftijd, evenals hoe specifieke eiwitten de biomechanische eigenschappen van de lens wijzigen.

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.