Name: מחבר זרקור: קידום ההבנה של שינויים בנוקשות עדשות תלויות גיל
Uploaded: 2024-04-05T13:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Advancing Understanding of Age-Related Lens Stiffness Changes at JoVE.com

נתמך על ידי מענק R01 EY035278 של המכונים הלאומיים לבריאות (MR).

עיני חזיר התקבלו מבית מטבחיים מקומי. לא נדרשו אישורים של ועדת אתיקה.
1. דיסקציה של העדשה (איור 1)
<ol><li>הסר את כל הרקמה שמסביב מעיני החזיר ואת הבשר העודף מהסקלרה, עד שנשאר רק עצב הראייה. השתמש במלקחיים מעוקלים ובמספריים קטנים לדיסקציה כדי להשל...

אפיון ביומכני של עדשת עין חזירית עם דחיסה אוטומטית

<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>

דחיסת עדשה היא שיטה רב-תכליתית להערכת קשיחות העדשה. ההליכים המתוארים לעיל מאפשרים השוואה בין עדשות ממינים שונים ובגדלים שונים. כל העיוותים מנורמלים כנגד גודל העדשה, וחישוב המודולוס האלסטי לוקח בחשבון בקירוב את גודל העדשה. המודולוס האפקטיבי גבוה משמעותית מהמודולוס שדווח בעבר עבור עדשת הח...

העדשה היא האיבר השקוף והגמיש שנמצא בעין המאפשר לה להתמקד במרחקים שונים על ידי שינוי כוח השבירה שלה. יכולת זו ידועה בשם לינה. כוח השבירה משתנה עקב התכווצות והרפיה של השריר הרירי. כאשר שריר הריסים מתכווץ, העדשה מתעבה ונעה קדימה, ומגדילה את כוח השבירה שלה 1,2. העלייה בכוח השבירה מאפשרת לעדשה להתמקד בעצמים קרובים. ככל שבני האדם מזדקנים, העדשה נעשית נוקשה יותר ויכולת זו להכיל אובדת בהדרגה; מצב זה ידוע בשם פרסביופיה. מנגנון ההתקשות אינו ידוע, לפחות בחלקו בשל הקשיים הכרוכים באפיון הביומכני של העדשה.
מגוון שיטות שימשו להערכת קשיחות העדשה ותכונותיה הביומכניות. אלה כוללים עדשה מסתובבת 3,4,5, שיטות אקוסטיות 6,7,8, שיטות אופטיות כגון מיקרוסקופ ברילואין9, הזחה 10,11 ודחיסה12,13. דחיסה היא הטכניקה הניסיונית הנגישה ביותר מכיוון שניתן לבצע אותה עם מכשור פשוט (למשל, כיסויי זכוכית14,15) או שלב ממונע יחיד. הראינו בעבר כיצד ניתן להעריך בקפדנות את התכונות הביומכניות של העדשה מבדיקת דחיסה16. תהליך זה מאתגר מבחינה טכנית ודורש תוכנה מיוחדת שאינה נגישה לחוקרי עדשות המעוניינים במדידות קשיחות יחסית. לכן, במחקר הנוכחי אנו מתמקדים בשיטות נגישות להערכת המודולוס האלסטי של העדשה תוך התחשבות בגודל העדשה. המודולוס האלסטי הוא תכונה מהותית של חומר הקשור לעיוותו: מודולוס אלסטי גבוה מתאים לחומר נוקשה יותר.
הבדיקה עצמה היא בדיקת דחיסת לוחות מקבילים ולכן ניתן לבצעה במערכות בדיקה מכניות מסחריות מתאימות. כאן נבנה מכשיר מותאם אישית המורכב ממנוע, במה ליניארית, בקר תנועה, תא עומס ומגבר. אלה נשלטו באמצעות תוכנה מותאמת אישית שגם רשמה זמן, מיקום ועומס בפרקי זמן קבועים. עדשות חזיר אינן מתאימות אך נגישות וזולות17. השיטה הבאה פותחה כדי לדחוס בהדרגה את עדשת העין ולכמת את המודולוס האלסטי שלה. שיטה זו ניתנת לשכפול בקלות ותהיה שימושית בחקר קשיחות העדשה.

<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

התכונות הביומכניות של עדשת העין חיוניות לתפקודה כאלמנט אופטי בעוצמה משתנה. תכונות אלה משתנות באופן דרמטי עם הגיל בעדשה האנושית, וכתוצאה מכך אובדן ראייה לקרוב הנקרא פרסביופיה. עם זאת, המנגנונים של שינויים אלה עדיין לא ידועים. דחיסת עדשה מציעה שיטה פשוטה יחסית להערכת הנוקשות הביומכנית של העדשה במובן האיכותי, ובשילוב עם טכניקות אנליטיות מתאימות, יכולה לסייע בכימות תכונות ביומכניות. מגוון בדיקות דחיסת עדשות בוצעו עד כה, כולל ידניות ואוטומטיות, אך שיטות אלה מיישמות באופן לא עקבי היבטים מרכזיים של בדיקות ביומכניות כגון התניה מוקדמת, קצבי העמסה וזמן בין מדידות. מאמר זה מתאר בדיקת דחיסת עדשה אוטומטית לחלוטין שבה שלב ממונע מסונכרן עם מצלמה כדי ללכוד את הכוח, התזוזה והצורה של העדשה לאורך פרוטוקול טעינה מתוכנת מראש. לאחר מכן ניתן לחשב מודולוס אלסטי אופייני מנתונים אלה. בעוד שהודגם כאן באמצעות עדשות חזיריות, הגישה מתאימה לדחיסת עדשות מכל מין.

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.

מחבר זרקור: קידום ההבנה של שינויים בנוקשות עדשות תלויות גיל 

בדיקת דחיסה אוטומטית של עדשת העין

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.

שש עדשות חזיריות נדחסו, תחילה עם הקפסולה שלמה, ולאחר מכן לאחר הסרה זהירה של הקפסולה. ערכי העובי היו 7.65 ±-0.43 מ"מ עבור עדשות עטופות ו-6.69 ±-0.29 מ"מ עבור עדשות ללא כיסוי (סטיית תקן ממוצעת ±). היסטוריית טעינה טיפוסית מוצגת באיור 3. עקומות תזוזת הכוח שהתקבלו הותאמו היטב על ידי מודל הרץ ...

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

אנו מציגים שיטה אוטומטית לאפיון המודולוס האלסטי היעיל של עדשת העין באמצעות בדיקת דחיסה.

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

אנחנו מנסים להבין איך אנשים מאבדים את הראייה הקרובה שלהם עם הגיל. אנו יודעים שזה נובע, בחלקו, משינוי בנוקשות העדשה, אך עדיין איננו יודעים מדוע העדשה מתקשה ככל שאנו מתבגרים. שיטות הניסוי הנוכחיות מסתמכות על שיטות גסות להעמסת העדשה, כגון הנחת החלקות כיסוי מיקרוסקופ על העדשה.שיטות אלה מייגעות וחסרות בקרות מתאימות לקצב הטעינה. קבענו שצורת העדשה היא הגורם העיקרי לפרסביופיה, ואנו יודעים שהצורה מונעת בעיקר על ידי פרמטרים ביומכניים. פרוטוקול זה מציע שיטה אובייקטיבית לחלוטין הניתנת לשחזור למדידת קשיחות העדשה.אוטומציה מאפשרת לנו לשלוט בקצב ההעמסה, שהוא פרמטר מרכזי בעת אפיון חומר ויסקואלסטי, כמו העדשה. כעת יש לנו פרוטוקול אובייקטיבי שניתן לחזור עליו למדידת התכונות הביומכניות של העדשה. זה יאפשר לנו לאפיין בקפדנות כיצד העדשה מתקשה עם הגיל, כמו גם כיצד חלבונים ספציפיים משנים את התכונות הביומכניות של העדשה.

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.