Name: Pleins feux sur l’auteur : Faire progresser la compréhension des changements de rigidité du cristallin liés à l’âge
Uploaded: 2024-04-05T13:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Advancing Understanding of Age-Related Lens Stiffness Changes at JoVE.com

Soutenu par la subvention R01 EY035278 (MR) des National Institutes of Health.

Les yeux de porc provenaient d’un abattoir local. Aucune approbation du comité d’éthique n’a été requise.
1. Dissection du cristallin (Figure 1)
<ol><li>Retirez tous les tissus environnants des yeux de porc et l’excès de chair de la sclérotique, jusqu’à ce qu’il ne reste que le nerf optique. Utilisez des pinces courbées et de petits ciseaux de dissection pour terminer ce processus. Utilisez le nerf comme poin...

Caractérisation biomécanique du cristallin oculaire porcin avec compression automatisée

<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>

La compression de la lentille est une méthode polyvalente pour estimer la rigidité de la lentille. Les procédures décrites ci-dessus permettent de comparer des lentilles de différentes espèces et de différentes tailles. Toutes les déformations sont normalisées en fonction de la taille de la lentille, et le calcul du module d’élasticité tient compte approximativement de la taille de la lentille. Le module effectif est considérablement plus élevé que le module signalé précédemment pour<...

Le cristallin est l’organe transparent et flexible que l’on trouve dans l’œil et qui lui permet de se concentrer sur différentes distances en modifiant son pouvoir de réfraction. Cette capacité est connue sous le nom d’hébergement. Le pouvoir de réfraction est altéré en raison de la contraction et de la relaxation du muscle ciliaire. Lorsque le muscle ciliaire se contracte, le cristallin s’épaissit et avance, augmentant son pouvoir de réfraction 1,2. L’augmentation de la puissance de réfraction permet à l’objectif de faire la mise au point sur les objets proches. Au fur et à mesure que les humains vieillissent, le cristallin devient plus rigide et cette capacité d’adaptation est progressivement perdue ; Cette condition est connue sous le nom de presbytie. Le mécanisme de raidissement reste inconnu, du moins en partie en raison des difficultés liées à la caractérisation biomécanique du cristallin.
Diverses méthodes ont été employées pour estimer la rigidité et les propriétés biomécaniques des lentilles. Il s’agit notamment de la rotation de la lentille 3,4,5, des méthodes acoustiques 6,7,8, des méthodes optiques telles que la microscopie Brillouin9, l’indentation10,11 et la compression 12,13. La compression est la technique expérimentale la plus accessible car elle peut être réalisée avec une instrumentation simple (par exemple, des lamelles en verre14,15) ou une seule platine motorisée. Nous avons précédemment montré comment les propriétés biomécaniques du cristallin peuvent être rigoureusement estimées à partir d’un essai de compression16. Ce processus est techniquement difficile et nécessite un logiciel spécialisé qui n’est pas facilement accessible aux chercheurs de lentilles qui s’intéressent aux mesures de rigidité relative. Par conséquent, dans la présente étude, nous nous concentrons sur des méthodes accessibles pour estimer le module d’élasticité de la lentille tout en tenant compte de la taille de la lentille. Le module d’élasticité est une propriété intrinsèque du matériau liée à sa déformabilité : un module d’élasticité élevé correspond à un matériau plus rigide.
L’essai lui-même est un essai de compression à plaques parallèles et peut donc être effectué sur des systèmes d’essai mécaniques commerciaux appropriés. Ici, un instrument sur mesure a été construit composé d’un moteur, d’une platine linéaire, d’un contrôleur de mouvement, d’une cellule de charge et d’un amplificateur. Ceux-ci ont été contrôlés à l’aide d’un logiciel personnalisé qui a également enregistré le temps, la position et la charge à intervalles réguliers. Les lentilles de porc ne sont pas adaptables, mais elles sont facilement accessibles et peu coûteuses17. La méthode suivante a été développée pour comprimer progressivement le cristallin et quantifier son module d’élasticité. Cette méthode peut être facilement reproduite et sera utile dans l’étude de la rigidité des lentilles.

<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

Les propriétés biomécaniques du cristallin oculaire sont essentielles à sa fonction d’élément optique à puissance variable. Ces propriétés changent considérablement avec l’âge dans le cristallin humain, ce qui entraîne une perte de vision de près appelée presbytie. Cependant, les mécanismes de ces changements restent inconnus. La compression de la lentille offre une méthode relativement simple pour évaluer la rigidité biomécanique de la lentille dans un sens qualitatif et, lorsqu’elle est associée à des techniques analytiques appropriées, peut aider à quantifier les propriétés biomécaniques. Divers tests de compression de lentilles ont été effectués à ce jour, y compris des tests manuels et automatisés, mais ces méthodes n’appliquent pas systématiquement des aspects clés des tests biomécaniques tels que le préconditionnement, les taux de charge et le temps entre les mesures. Cet article décrit un test de compression d’objectif entièrement automatisé dans lequel une platine motorisée est synchronisée avec une caméra pour capturer la force, le déplacement et la forme de l’objectif tout au long d’un protocole de chargement préprogrammé. Un module d’élasticité caractéristique peut alors être calculé à partir de ces données. Bien qu’elle soit démontrée ici à l’aide de lentilles porcines, l’approche est appropriée pour la compression de lentilles de n’importe quelle espèce.

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.

Pleins feux sur l’auteur : Faire progresser la compréhension des changements de rigidité du cristallin liés à l’âge 

Test de compression automatisé du cristallin oculaire

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.

Six lentilles porcines ont été comprimées, d’abord avec la capsule intacte, puis après un retrait soigneux de la capsule. Les valeurs d’épaisseur étaient de 7,65 ± 0,43 mm pour les lentilles encapsulées et de 6,69 ± 0,29 mm pour les lentilles décapsulées (moyenne ±écart-type). Un historique de chargement typique est illustré à la figure 3. Les courbes force-déplacement qui en résultent ont été bien ajustées par le modèle de Hertz (c’est-à-dire qu’elles avaient u...

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

Nous présentons une méthode automatisée de caractérisation du module d’élasticité effectif d’une lentille oculaire à l’aide d’un test de compression.

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

Nous essayons de comprendre comment les gens perdent leur vision de près avec l’âge. Nous savons que cela est dû, en partie, à un changement de rigidité de la lentille, mais nous ne savons toujours pas pourquoi la lentille se raidit avec l’âge. Les méthodes expérimentales actuelles reposent sur des méthodes rudimentaires pour charger la lentille, telles que la mise en place de lamelles de protection de microscope sur la lentille.Ces méthodes sont fastidieuses et ne permettent pas de contrôler correctement le taux de chargement. Nous avons déterminé que la forme du cristallin est le principal moteur de la presbytie, et nous savons que la forme est principalement déterminée par des paramètres biomécaniques. Ce protocole offre une méthode totalement objective et reproductible pour mesurer la rigidité des lentilles.L’automatisation nous permet de contrôler le taux de chargement, qui est un paramètre clé lors de la caractérisation d’un matériau viscoélastique, comme la lentille. Nous disposons désormais d’un protocole objectif et reproductible pour mesurer les propriétés biomécaniques des lentilles. Cela nous permettra de caractériser rigoureusement la façon dont le cristallin se rigidifie avec l’âge, ainsi que la façon dont des protéines spécifiques modifient les propriétés biomécaniques du cristallin.

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.