Name: 저자 스포트라이트: 노화 관련 렌즈 강성 변화에 대한 이해 증진
Uploaded: 2024-04-05T13:00:00
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미국 국립보건원(National Institutes of Health) 보조금 R01 EY035278(MR)의 지원을 받습니다.

돼지 눈은 지역 도살장에서 얻었습니다. 윤리위원회의 승인은 필요하지 않았다.
1. 수정체 해부(그림 1)
<ol><li>시신경만 남을 때까지 돼지 눈에서 주변 조직을 모두 제거하고 공막에서 여분의 살을 제거합니다. 구부러진 집게와 작은 해부 가위를 사용하여 이 과정을 완료하십시오. 신경을 닻으로 사용하여 해부 중에 눈을 고정?...

Biomechanical Characterization of Porcine Ocular Lens with Automated Compression(자동 압축을 이용한 돼지 접안 수정체의 생체역학적 특성화)

<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>

렌즈 압축은 렌즈 강성을 추정하기 위한 다양한 방법입니다. 위에서 설명한 절차를 통해 다양한 종과 크기의 렌즈를 비교할 수 있습니다. 모든 변형은 렌즈 크기에 대해 정규화되며, 탄성 계수의 계산은 대략 렌즈 크기를 고려합니다. 유효 탄성률은 porcine lens(4,7,11,19)에 대해 이전에 보고된 탄성률보?...

수정체는 눈에서 발견되는 투명하고 유연한 기관으로, 굴절력을 변화시켜 다른 거리에 초점을 맞출 수 있습니다. 이 능력을 적응이라고 합니다. 굴절력은 섬모 근육의 수축과 이완으로 인해 변경됩니다. 수정체가 수축하면 수정체가 두꺼워지고 앞으로 이동하여 굴절력이 증가합니다 1,2. 굴절력이 증가하면 렌즈가 가까운 물체에 초점을 맞출 수 있습니다. 인간이 나이가 들어감에 따라 수정체는 더 뻣뻣해지고 이러한 수용 능력은 점차 상실됩니다. 이러한 상태를 노안이라고 합니다. 경화 메커니즘은 적어도 부분적으로는 렌즈의 생체역학적 특성화와 관련된 어려움 때문에 알려지지 않았습니다.
렌즈 강성과 생체역학적 특성을 추정하기 위해 다양한 방법이 사용되었습니다. 여기에는 렌즈 회전 3,4,5, 음향 방법 6,7,8, Brillouin 현미경9, 압흔10,11 및 압축12,13과 같은 광학 방법이 포함됩니다. 압축은 간단한 기기(예: 유리 커버슬립14,15) 또는 단일 전동 스테이지로 수행할 수 있으므로 가장 접근하기 쉬운 실험 기술입니다. 우리는 이전에 렌즈의 생체역학적 특성이 압축 시험(16)으로부터 어떻게 엄격하게 추정될 수 있는지를 보여주었다. 이 과정은 기술적으로 까다로우며, 상대 강성 측정에 관심이 있는 렌즈 연구자들이 쉽게 접근할 수 없는 특수 소프트웨어가 필요합니다. 따라서 본 연구에서는 렌즈 크기를 고려하면서 렌즈의 탄성률을 추정하기 위한 접근 가능한 방법에 중점을 둡니다. 탄성 계수는 변형성과 관련된 고유한 재료 특성입니다: 높은 탄성 계수는 더 단단한 재료에 해당합니다.
시험 자체는 평행 판 압축 시험이므로 적합한 상용 기계 시험 시스템에서 수행할 수 있습니다. 여기에서 맞춤형 계측기는 모터, 선형 스테이지, 모션 컨트롤러, 로드 셀 및 증폭기로 구성되었습니다. 이들은 시간, 위치 및 하중을 일정한 간격으로 기록하는 맞춤형 소프트웨어를 사용하여 제어되었습니다. 돼지 렌즈는 수용하지 못하지만 쉽게 접근할 수 있고 저렴합니다17. 다음 방법은 눈 수정체를 점진적으로 압축하고 탄성 계수를 정량화하기 위해 개발되었습니다. 이 방법은 쉽게 복제할 수 있으며 수정체 강성 연구에 유용합니다.

<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

접안렌즈의 생체역학적 특성은 가변 동력 광학 요소로서의 기능에 필수적입니다. 이러한 특성은 인간의 수정체에서 나이가 들면서 극적으로 변하여 노안이라고 하는 근거리 시력 상실을 초래합니다. 그러나 이러한 변화의 메커니즘은 아직 알려지지 않았습니다. 렌즈 압축은 렌즈의 생체역학적 강성을 정성적으로 평가하기 위한 비교적 간단한 방법을 제공하며, 적절한 분석 기법과 결합하면 생체역학적 특성을 정량화하는 데 도움이 될 수 있습니다. 현재까지 수동 및 자동 렌즈 압축 테스트를 포함한 다양한 렌즈 압축 테스트가 수행되었지만, 이러한 방법은 사전 컨디셔닝, 로딩 속도 및 측정 간격과 같은 생체 역학 테스트의 주요 측면을 일관되게 적용하지 않습니다. 이 백서에서는 전동 스테이지를 카메라와 동기화하여 사전 프로그래밍된 로딩 프로토콜 전반에 걸쳐 렌즈의 힘, 변위 및 모양을 캡처하는 완전 자동화된 렌즈 압축 테스트에 대해 설명합니다. 그런 다음 이러한 데이터로부터 특성 탄성 계수를 계산할 수 있습니다. 여기서는 돼지 렌즈를 사용하여 시연했지만, 이 접근법은 모든 종의 렌즈를 압축하는 데 적합합니다.

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.

저자 스포트라이트: 노화 관련 렌즈 강성 변화에 대한 이해 증진 

접안 수정체의 자동 압축 검사

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.

6개의 돼지 렌즈를 먼저 캡슐이 손상되지 않은 상태로 압축한 다음 캡슐을 조심스럽게 제거한 후 압축했습니다. 두께 값은 encapsulated lens의 경우 7.65 ± 0.43 mm, decapsulated lens의 경우 6.69 ± 0.29 mm였습니다(평균 ± 표준 편차). 일반적인 로딩 기록은 그림 3에 나와 있습니다. 결과 힘-변위 곡선은 Hertz 모델에 의해 잘 맞았습니다(즉, 1.5의 거듭제곱으로 올려진 변위에 비례하는 힘을 ?...

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우리는 압축 시험을 사용하여 접안렌즈의 유효 탄성 계수를 특성화하기 위한 자동화된 방법을 제시합니다.

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

우리는 사람들이 나이가 들면서 어떻게 근거리 시력을 잃는지 이해하려고 노력하고 있습니다. 우리는 이것이 부분적으로 수정체 강성의 변화 때문이라는 것을 알고 있지만, 나이가 들면서 수정체가 뻣뻣해지는 이유는 여전히 알지 못합니다. 현재의 실험 방법은 렌즈에 현미경 커버 슬립을 놓는 것과 같이 렌즈를 장착하는 조잡한 방법에 의존합니다.이러한 방법은 지루하고 적재 속도에 대한 적절한 제어가 부족합니다. 우리는 수정체 모양이 노안의 주요 동인이라는 것을 확인했으며, 그 모양이 주로 생체역학적 매개변수에 의해 결정된다는 것을 알고 있습니다. 이 프로토콜은 렌즈 강성을 측정하기 위한 완전히 객관적이고 재현 가능한 방법을 제공합니다.자동화를 통해 하중 속도를 제어할 수 있으며, 이는 렌즈와 같은 점탄성 재료를 특성화할 때 핵심 매개변수입니다. 이제 렌즈의 생체역학적 특성을 측정하기 위한 객관적이고 반복 가능한 프로토콜이 개발되었습니다. 이를 통해 수정체가 나이가 들면서 어떻게 굳어지는지, 그리고 특정 단백질이 수정체의 생체역학적 특성을 어떻게 수정하는지 엄격하게 특성화할 수 있습니다.

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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.