Vi presenterar ett protokoll för att bestämma nivåerna av övergripande makulapigment, lutein och zeaxantin optisk densitet i de centrala och parafveal regionerna i näthinnan. Protokollet innehåller ett nytt justerbart spårsystem som används för att mäta makulapigmentoptisk densitet i fölalexcentriciteten.
Den makulapigmentreflektor (MPR) mäter objektivt den totala makulapigmentoptisk densitet (MPOD) och ger ytterligare lutein optisk densitet (L-OD) och zeaxantin optisk densitet (Z-OD) i den centrala 1 graden av fovea. En ändring av tekniken har utvecklats för att utvärdera in vivo karotenoid densitet excentrisk till fovea. Ett justerbart spårsystem med röda LED-lampor placerades 6,1 m bort från deltagaren för att underlätta okulär fixering. Ljus var fördelade på lämpligt sätt för att skapa steg om 1 grad retinal skillnader under reflektomiska mätningar. Alla reflektrar mätningar erhölls med pupillary dilatation. Det genomsnittliga MPR-MPOD-värdet för den centrala mätningen var 0,593 (SD 0,161) med ett L-OD- och Z-OD-förhållande på 1:2,61. MPR-MPOD-värdet vid 1 grad var 0,248 och det genomsnittliga MPR-MPOD-värdet vid 2 grader i parafosalregionen var 0,143. L-OD till Z-OD förhållandet på 1 grad och 2 grader utanför centrum var 1,38:1.0 och 2.08:1.0, respektive. Resultaten visar att MPOD-mätningar som erhållits med hjälp av MPR minskar som en funktion av retinal excentricitet och att det finns en högre koncentration av zeaxantin centralt jämfört med lutein. L-OD till Z-OD förhållandet förändras med fveal excentricitet, med två gånger mer luta än zeaxantin på 2 grader utanför centrum. Vår teknik ger framgångsrikt en snabb in vivo metod för mätning av makulapigment optisk densitet vid olika fveal excentriciteter. Resultaten överens med tidigare publicerade in vivo och in vitro xanthophyll karotenoid densitet distribution mätningar.
Åldersrelaterad makuladegeneration (AMD) är en ledande orsak till blindhet och står för 8,7% av blindhet över hela världen1. Riskfaktorer i samband med AMD inkluderar ökande ålder, kvinnligt kön, rökning, ljus iris färg, lipid obalans, livstid exponering för solljus och ultraviolett strålning, systemiskt lägre nivåer av antioxidanter, lägre makulapigment optisk densitet (MPOD), genetik, och ras2. Av dessa, modifierbara riskfaktorer är rökavvänjning, oral tillskott av antioxidanter, och karotenoider. Karotenoider är naturliga pigment som finns i växter och mikroorganismer, och är effektiva antioxidanter3. De produceras av fotosyntetiska organismer; människor får karotenoider från sin kost3,4. Makulapigment består av tre karotenoider: lutein, zeaxantin och meso-zeaxantin4. Xanthophylls lutein och zeaxantin5 finns i näthinnan, särskilt gula fläcken, och ge fovea dess gula färg6. Högre koncentrationer av xantofyllar observeras i axonerna av fotoreceptorerna och inre plexiformlager av näthinnan5,7. Intaget av karotenoider, som lutein och zeaxantin, ökar nivån av makulapigment. Lutein och zeaxantin erhålls från intag av kosten eller med näringstillskott, medan meso-zeaxantin är helt enkelt en biprodukt av metabolismen av lutein3,7,8. Lutein och zeaxantin koncentrationer skiljer sig åt i de olika regionerna av näthinnan. Centralt, i fovea, zeaxantin koncentration är större än lutein, med ett förhållande på 2.3:19,10. Koncentrationen av karotenoider minskar 100 gånger per mm i fostrets periferi, där lutein är vanligare än zeaxantin, med ett förhållande på 2,4:19,10.
Förekomsten av xanthophylls i näthinnan skyddar näthinnan kretsar, särskilt i fovea och gula fläcken, och är avgörande för central vision. Xanthophylls skyddar näthinnan med två möjliga mekanismer: 1) filtrering blått ljus och 2) minskaoxidativ stress5,11,12,13. Blått ljus sprider sig mest i näthinnan och högre nivåer av makulapigment absorberar centralt det spridda ljuset och förbättrar därmed synen. Dessutom består den blå delen av det synliga spektrumet av hög energi, korta våglängder som kan resultera i produktion av stora mängder reaktiva syrearter i näthinnan. Därför är det tänkt att karotenoider minska oxidativ börda på gula fläcken genom att fungera som antioxidanter i den inre näthinnan och fotoreceptor retinal pigment epitelial komplex genom att släcka dessa fria radikaler5,12,13,14.
Mätning av retinal karotenoider har större konsekvenser i systemisk hälsa. En nyligen genomförd studie visade att karotenoid terapi förbättrar retinal funktion hos diabetiker utan några ändringar i blodsockernivåerna15. Nivåerna av karotenoid densitet i näthinnan är också starkt korrelerade med nivåerna i hjärnan16. Karotenoid nivåer kan vara avgörande i utvecklingsåren17,18,och nivåer i hjärnan minska med ålder19. MPOD-nivåerna är relaterade till neuroprotektion och neural effektivitet hos både barn och äldre20,21. Således finns det ett behov av att mäta MPOD och dess egenskaper kliniskt. Detta kommer att spela en roll i diagnos, förvaltning och behandling av olika okulär och systemiska villkor7,15,16,17,18,19,20,21.
Den nuvarande kommersiellt tillgängliga MPOD mätteknik är heterkromatiska flimmer fotometrar (HFP), som är baserade på psykofysiska tester. Dessa mäter en 1 graders patch på fovea, vilket uppgår till en ~ 0,30 mm diameter cirkel22. Även om dessa typer av enheter har visat sig vara tillförlitliga, de begränsas av sin subjektiva karaktär, är tidskrävande att använda, och kan inte skilja de enskilda mängder xantophylls som bildar MPOD13,22,23,24. Den makulapigmentreflektor (se Materialtabell), även kallad reflektor (se figur 1), behandlar dessa begränsningar genom att objektivt mäta MPOD och dess enskilda komponenter av lutein och zeaxantin (xantophylls)25. Reflektorn använder en UV/IR-filtrerad och kolliderad kvartshalogenkälla för att skicka en kontrollerad ljusstråle till näthinnan (se schematisk figur 2) och de interna filtren absorberar det mesta av den strålning som produceras. Därför finns det liten eller ingen risk för strålningsexponering för deltagaren. De olika kromoforerna och strukturerna i det mänskliga ögat och motsvarande absorptions- och reflektansmönster beskrivs väl i litteraturen26,27,28. Analys av det reflekterade ljus som bearbetas av den interna spektrometern möjliggör kvantitativ isolering och mätning av lutein och zeaxantin optisktäthet (L-OD, Z-OD) tillsammans med den totala MPOD. Den tredje retinal karotenoid meso-zeaxanthin är spectrally oskiljaktiga från zeaxantin och därmed Z-OD representerar en kombination av både karotenoider29. Tidigare arbete har visat att reflektivitet är tillförlitligt vid mätning av centrala L-OD, Z-OD och MPOD25,29.
Syftet med den aktuella studien är att skapa en teknik som kan användas för att producera in vivo uppskattningar av zeaxantin och lutein nivåer i foveal och parafantial retinal regioner hos människor. Ytterligare mål är att jämföra resultaten med tidigare publicerade laboratorie- och histologiresultat14,29. Tillvägagångssättet utvecklades och beskrivs i detta manuskript och dess utnyttjande vid sidan av reflektör för att mäta den perifoveal MPOD är ny. Denna teknik kan användas med alla befintliga reflektorienhet utan större ändringar för att mäta retinal nivåer av enskilda karotenoider, såsom L-OD och Z-OD, på olika fveal och parafveal platser.
I studien som presenteras i detta manuskript ingår åtta deltagare från 22–29 år. Våra metoder inkluderar att först genomföra en rutinmässig oftalmisk undersökning för att säkerställa att deltagarna i studien uppfyller inkluderingskriterierna. Efter att ha fått informerat samtycke genomgick varje studiedeltagare följande fyra tester: 1) en kommersiellt tillgänglig heterkromatisk flimmer fotometer anordning utnyttjades för att få en central MPOD mätning; 2) en reflektor anordning användes för att få två centrala mätningar; 3) med samma reflektoranordning tillsammans med det perifera spårsystemet, mätningar av karotenoidnivåer vid en 1 grad excentricitet, som är en diametercirkel på 0,30 mm, var centrerad på 0,30 mm från den centrala fovea; 4) med samma uppställning, karotenoid nivåer på en 2 graders excentricitet, en 0,30 mm diameter cirkel placeras vid kanten av fovea (en parafoveal region), mättes också.
MPR mätningar utfördes efter dilating varje deltagares elev med 1% tropicamide ophthalmic droppar. Det är känt att pupillary dilatation inte behövs för att få MPOD-värden med reflektivitet, men det kan förbättra repeterbarheten av L-OD och Z-OD mätningar25,29. Detta beror möjligen på att mätningar som erhållits från näthinnan med reftometern hade bättre signal-brus-förhållande när eleverna vidgades. För de exakta och stabila perifera reflektometrimätningarna använde deltagarna fixeringsmål som placerades vid optisk oändlighet30,31.
Vi fick reflektormätningar för 30 s och kasserade de första 10 s data. Detta förfarande har två fördelar: 1) signalkällan är ljus och gör det möjligt för ögonen att anpassa sig och anpassa sig till uppgiften; och 2) viktigast av allt, ljusreceptorpigmentet bleker under de första 10 s. Eliminera därför de första 10 s mätningen möjliggör en mer stabil och korrekt signal29. Vi utförde alla reflekttester två gånger i den aktuella studien, varefter vi snittade mätningarna för att få genomsnittliga MPOD, L-OD och Z-OD-värden och förhållandet mellan Z-OD/ L-OD för varje deltagare.
Vår studie illustrerar tekniken och metoden för att utföra in vivo MPOD mätningar i olika fveal och parafveal regioner med hjälp av en reflektor enhet. Vi utvecklade och kalibrerade ett perifert spårsystem för att få mätningar på 1 grad och 2 grader från den centrala fixeringen. Våra studieresultat visar att MPOD, L-OD och Z-OD kan mätas i olika fveal och parafoveal regioner med hjälp av detta protokoll vid optisk oändlighet. Protokollet skulle kunna anpassas för kortare avstånd när långa rum inte finns på en klinik. I så fall kommer det dock att krävas pupeldilatation för att kontrollera ett aktivt inkvartering (se tabell 1).
Det finns två kritiska steg när du utför detta experiment: 1) 0 graders kalibrering och 2) den svarta kalibreringen. När du använder det perifera spårsystemet för att mäta MPOD och dess beståndsdelar utanför centrum är den externa fixeringen för kalibrering eller fölmätning av 0 grader av yttersta vikt. Om deltagaren vars öga mäts inte förstår detta förfarande eller inte kan utföra de nödvändiga stegen, kommer mätningarna att äventyras och vara felaktiga. Den svarta kalibreringen är också kritisk eftersom den gör det möjligt för MPR att fastställa en referensspektrometermätning när inget ljus finns, som enheten sedan jämför med alla värden som erhållits från motivet. Därför är den svarta kalibreringen ett måste för varje deltagare.
Våra studieresultat visar att de centrala MPOD-nivåerna matchar data från tidigare publicerade experimentella och histologiska studier7,10,14. Dessutom fann vi att nivåerna för MPOD minskar med ökande retinal excentricitet, med MPOD värden är större på fveal jämfört med parafosal regionen. Lutein och zeaxantin nivåer varierar också på olika retinal platser med lutein och zeaxantin nyckeltal förändras som en funktion av excentricitet. Vi hittade centrala L-OD och Z-OD nyckeltal på 1:2.6, som ändrats till 2,08:1 vid 2 grader från central fixering. Detta är förenligt med rapporter från tidigare studier10,29. Vi fann att lutein och zeaxantin nivåer visade betydande interindividual variation. Tidigare laboratorieexperiment i vivo har endast utvärderat tre patienter och det finns begränsad information på detta område29. Om den betydande interindividuella variationen av nivåerna av karotenoider är korrekt, då detta skulle stödja behovet av att få baslinje åtgärder av karotenoider och skräddarsy enskilda kosttillskott. Ytterligare forskning kommer att behövas för att bekräfta detta konstaterande av hög interindividuell variabilitet av lutein och zeaxantin nivåer hos friska individer. Tidigare publikationer och arbete med denna MPR-enhet visar att repeterbara mätningar kan erhållas för MPOD i både oskalade och vidgade pupillary villkor, även om upprepning av L-OD och Z-OD mätningar förbättrades när eleverna vidgades25. I den aktuella studien utförde vi alla MPR-mätningar med dilaterade elever. Med tanke på att karotenoidnivåerna är lägre vid foveal periphery och parafosal regionen, kan det vara viktigt att vidga eleven för konsekvent signalstyrka och tillförlitliga perifera mätningar.
Vi försökte olika metoder, och slutligen utvecklat och testat vårt spårsystem. Det visade sig vara det mest effektiva sättet att uppnå tillförlitliga resultat. Systemet testades genom att undersöka tre deltagare flera gånger för att se om liknande resultat kunde uppnås med varje försök. Detta inkluderade att mäta deltagarna vid tre olika tillfällen under en tvåmånadersperiod. Andra metoder försökte ingår att ändra reflektivt okular genom att skapa ett lock med förskurna slitsar på 0, 1 och 2 grader utanför centrum. Denna teknik visade sig vara ineffektiv eftersom slitsarna var för nära varandra för att ett ämne att på lämpligt sätt skilja.
Det finns flera begränsningar i denna studie. Studien kräver att försökspersonerna har normal kikare. Detta säkerställer att ämnet kommer att kunna fixera på målet medan det andra ögat mäts. Ämnen som inte uppfyller detta kriterium kommer inte att kunna följa instruktionerna, kommer inte att fixera ordentligt när du aktiverar stimulans, och kan inte mätas med hjälp av denna teknik. Spårsystemet var tillförlitligt, men dess begränsningar kunde åtgärdas i framtida studier. Protokollet kan förbättras genom att ha inbyggda röda LED fixeringsljus med en del av en Badal optometer system som en del av reflektorn. Detta skulle göra det möjligt för deltagaren att fixera vid önskad excentricitet med ögat mäts med lämplig inkvartering av lins.
För närvarande finns det inga alternativa tekniker för att mäta in vivo L-OD och Z-OD. Alternativa enheter som mäter MPOD finns dock. En sådan enhet är den heterkromatiska flimmer fotometer som används i denna studie. Den heterkromatiska flimmer fotometer n använder en psykofysisk metod för testning och kan inte bestämma enskilda lutein och zeaxantin värden. De centrala MPOD-mätningar som erhölls med en heterkromatisk flimmerfotometer var i genomsnitt 0,11 lägre än de som mpr-enheten erhöll med en standardavvikelse på 0,16. MPOD-mätningen som erhölls med båda teknikerna hade utmärkt korrelation som tidigarerapporterats 25.
Även om den aktuella studien har en liten urvalsstorlek, var dess syfte att bevisa konceptet att perifera mätningar av zeaxantin och lutein optisk densitet kan erhållas med hjälp av en reflektringsanordning. Vår kännedom om andra in vivo-studier har haft betydligt mindre urvalsstorlekar än det prov som används i denna studie. Därför är vi övertygade om att våra resultat visar att in vivo karotenoid densitet kan mätas vid foveola, foveal periferi och parafenal region med hjälp av en reflektor. Vår studie belyser ytterligare hur zeaxantin och lutein nivåer distribueras i centrala och perifera makularegioner inom den mänskliga näthinnan. Eftersom vi fann en anmärkningsvärd variation av värdena bland våra studiedeltagare, större studier både in vivo och in vitro behövs för att bättre förstå lutein och zeaxantin distribution, nivåer och nyckeltal inom den allmänna befolkningen.
The authors have nothing to disclose.
Vi tackar WesternU College of Optometry och Master of Science in Medical Sciences program på WesternU för deras hjälp och stöd. Vi tackar också ZeaVision för deras generösa stöd och finansiering.
1-1/4-in x 36-in Silver Under Door Threshold | Frost King LLC | 77578013947 | Any adjustable strip that can be mounted on a wall will suffice. |
Black electrical tape | 3M Company | 054007-00053 | Used to adjust fixation light to create a 1cm by 1cm region. |
LED lights with remote control | Elfeland LLC | ELFELANDhoasupic1295 | Any small red fixation LED light with remote control that can be mounted to track will suffice. |
Macular Pigment Reflectometer | Zeavision LLC | N/A | Prototype not available for sale. |
Quantifeye Macular Pigment Spectromter 2 | Zeavision LLC | Catalog Number N/A | Only model available from Zeavision LLC. |
Ultra Gel Control 4g Super Glue | Henkel AG & Company | 1405419 | Used to fix LED lights to track, but any strong adhesive will suffice. |
Zeavision Proprietary Reflectometry Software, native to Macular Pigment Reflectometer | Zeavision LLC | N/A | The software and algorithm are proprietary to Zeavision LLC. |