Name: 著者スポットライト:加齢に伴うレンズの剛性変化の理解を深める
Uploaded: 2024-04-05T13:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Advancing Understanding of Age-Related Lens Stiffness Changes at JoVE.com

米国国立衛生研究所(NIH)の助成金R01 EY035278(MR)の支援を受けて。

豚の目は地元の屠殺場から入手しました。倫理委員会の承認は必要ありませんでした。
1.レンズの解剖(図1)
<ol><li>視神経だけが残るまで、豚の目から周囲の組織をすべて取り除き、強膜から余分な肉を取り除きます。湾曲した鉗子と小さな解剖ハサミを使用して、このプロセスを完了します。神経をアンカーとして使用し...

自動圧縮によるブタ眼レンズの生体力学的特性評価

<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>

レンズ圧縮は、レンズの剛性を推定するための汎用性の高い方法です。上記の手順により、異なる種および異なるサイズのレンズ間の比較が可能になります。すべての変形はレンズサイズに対して正規化され、弾性率の計算はレンズサイズをほぼ考慮します。有効弾性率は、ブタレンズ4,7,11,19に?...

レンズは、眼にある透明で柔軟な器官であり、屈折力を変えることでさまざまな距離に焦点を合わせることができます。この能力は、アコモデーションと呼ばれます。屈折力は、毛様体筋の収縮と弛緩によって変化します。毛様体筋が収縮すると、水晶体が厚くなって前方に移動し、屈折力が増加します1,2。屈折力の増加により、レンズは近くの物体に焦点を合わせることができます。人間は年齢を重ねるにつれて、水晶体が硬くなり、この適応能力は徐々に失われます。この状態は老眼として知られています。硬化のメカニズムは、少なくとも部分的には、レンズの生体力学的特性評価に関連する困難のために、不明のままである。
レンズの剛性と生体力学的特性を推定するために、さまざまな方法が採用されています。これらには、レンズスピニング3,4,5、音響法6,7,8、ブリルアン顕微鏡法9、圧痕10,11、圧縮12,13などの光学法が含まれる。圧縮は、単純な装置(ガラスカバーガラス14、15など)または単一の電動ステージで実行できるため、最も利用しやすい実験手法です。我々は、レンズの生体力学的特性が圧縮試験16から厳密に推定され得ることを以前に示した。このプロセスは技術的に困難であり、相対剛性測定に関心のあるレンズ研究者が簡単にアクセスできない特殊なソフトウェアが必要です。そこで、本研究では、レンズサイズを考慮しながらレンズの弾性率を推定するためのアクセス可能な方法に焦点を当てます。弾性率は、その変形性に関連する固有の材料特性であり、高い弾性率はより硬い材料に対応します。
試験自体は平行平板圧縮試験であるため、適切な商用機械試験システムで実行できます。ここでは、モータ、リニアステージ、モーションコントローラ、ロードセル、アンプで構成されるカスタム計測器を構築しました。これらは、時間、位置、負荷を一定の間隔で記録するカスタムソフトウェアを使用して制御されました。豚のレンズは対応していませんが、簡単にアクセスでき、安価です17.眼水晶体を段階的に圧縮し、その弾性率を定量化するために、以下の方法が開発されました。この方法は簡単に再現でき、レンズの剛性の研究に役立ちます。

<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

眼球レンズの生体力学的特性は、可変パワー光学素子としての機能に不可欠です。これらの特性は、人間の水晶体の年齢とともに劇的に変化し、老眼と呼ばれる近視力の喪失をもたらします。しかし、これらの変化のメカニズムは不明のままです。レンズコンプレッションは、レンズの生体力学的剛性を定性的な意味で評価するための比較的簡単な方法を提供し、適切な分析技術と組み合わせることで、生体力学的特性の定量化に役立ちます。これまで、手動と自動の両方を含むさまざまなレンズ圧縮試験が行われてきましたが、これらの方法では、プレコンディショニング、負荷率、測定間隔など、生体力学試験の重要な側面に一貫性がありません。このホワイトペーパーでは、電動ステージをカメラと同期させ、事前にプログラムされた荷重プロトコル全体でレンズの力、変位、形状をキャプチャする、完全に自動化されたレンズ圧縮試験について説明します。次に、これらのデータから特性弾性率を計算できます。ここではブタレンズを使用して説明していますが、このアプローチはあらゆる種のレンズの圧縮に適しています。

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.

著者スポットライト:加齢に伴うレンズの剛性変化の理解を深める 

接眼レンズの自動圧縮試験

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.

6枚のブタレンズを、まずカプセルを無傷のまま、次にカプセルを慎重に取り出した後、圧縮した。厚みの値は、カプセル化レンズで7.65±0.43mm、カプセル化解除レンズで6.69±0.29mmでした(標準偏差±平均)。典型的な荷重履歴を 図3に示します。結果として得られる力-変位曲線は、ヘルツモデルによってよく適合しました(つまり、変位に比例した力が1.5乗になりました。 <st...

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

圧縮試験を使用して接眼レンズの有効弾性率を特徴付けるための自動化された方法を紹介します。

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

私たちは、人々が年齢とともに近視力を失う仕組みを理解しようとしています。これは、水晶体の硬さの変化が一因であることはわかっていますが、加齢とともに水晶体が硬くなる理由はまだわかっていません。現在の実験方法は、顕微鏡のカバースリップをレンズに装着するなど、レンズを装填するための粗雑な方法に依存しています。これらの方法は面倒で、負荷率を適切に制御できません。私たちは、レンズの形状が老眼の主要なドライバーであると判断し、その形状が主に生体力学的パラメータによって駆動されることがわかっています。このプロトコルは、レンズの剛性を測定するための完全に客観的で再現性のある方法を提供します。自動化により、レンズのような粘弾性材料を特性評価する際の重要なパラメータである荷重速度を制御することができます。これで、レンズの生体力学的特性を測定するための客観的で再現性のあるプロトコルが得られました。これにより、水晶体が加齢とともにどのように硬くなるか、また特定のタンパク質が水晶体の生体力学的特性をどのように変化させるかを厳密に特徴付けることができます。

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.