Medición de carotenoides en Perifovea utilizando el reflectómetro de pigmento macular
Summary
Presentamos un protocolo para determinar los niveles de pigmento macular general, luteína, y densidad óptica de zeaxantina en las regiones centrales y parafoveales de la retina. El protocolo incluye un novedoso sistema de orugas ajustable utilizado para medir la densidad óptica del pigmento macular en la excentricidad foveal.
Abstract
El reflectómetro de pigmento súbditos maculares (MPR) mide objetivamente la densidad óptica del pigmento macular (MPOD) y proporciona además la densidad óptica de luteína (L-OD) y la densidad óptica de zeaxantina (Z-OD) en el centro de 1 grado de la fóvea. Se desarrolló una modificación de la técnica para evaluar la densidad carotenoide in vivo excéntrica a la fóvea. Un sistema de orugas ajustable con luces LED rojas se colocó a 6,1 m del participante para facilitar la fijación ocular. Las luces se espaciaron adecuadamente para crear incrementos de disparidad de retina de 1 grado durante las mediciones de reflectometría. Todas las mediciones de reflectometría se obtuvieron con dilatación pupilar. El valor medio de MPR-MPOD para la medición central fue de 0,593 (SD 0,161) con una relación L-OD a Z-OD de 1:2.61. El valor MPR-MPOD en 1 grado fue de 0,248 y el valor medio de MPR-MPOD a 2 grados en la región parafoveal fue de 0,143. La relación L-OD a Z-OD a 1 grado y 2 grados fuera del centro fue de 1,38:1,0 y 2,08:1,0, respectivamente. Los resultados demuestran que las mediciones de MPOD obtenidas utilizando la disminución de MPR en función de la excentricidad de la retina y que hay una mayor concentración de zeaxantina centralmente en comparación con la luteína. La relación L-OD a Z-OD cambia con excentricidad foveal, con dos veces más luteína que zeaxantina a 2 grados fuera del centro. Nuestra técnica proporciona con éxito un método rápido in vivo para la medición de la densidad óptica del pigmento macular en varias excentricidades foveales. Los resultados coinciden con las mediciones de distribución de la densidad de la densidad de la xantofilaides publicadas previamente e in vitro.
Introduction
La degeneración macular relacionada con la edad (AMD) es una de las principales causas de ceguera y representa el 8,7% de la ceguera en todo el mundo1. Los factores de riesgo asociados con la DMAE incluyen el aumento de la edad, el sexo femenino, el tabaquismo, el color del iris ligero, el desequilibrio lipídico, la exposición de por vida a la luz solar y las radiaciones ultravioletas, los niveles sistémicamente inferiores de antioxidantes, la menor densidad óptica del pigmento macular (MPOD), la genética y la raza2. De estos, factores de riesgo modificables son dejar de fumar, suplementación oral de antioxidantes, y carotenoides. Los carotenoides son pigmentos naturales que se encuentran en plantas y microorganismos, y son antioxidantes eficientes3. Son producidos por organismos fotosintéticos; los seres humanos obtienen carotenoides de su dieta3,4. Los pigmentos maculares se componen de tres carotenoides: luteína, zeaxantina y mesozeaxantina4. La luteína xantofilas y la zeaxantina5 se encuentran en la retina, específicamente la mácula, y dan a la fóvea su color amarillo6. Se observan concentraciones más altas de xantofilas en los axónicos de los fotorreceptores y las capas plexiformes internas de la retina5,7. La ingesta de carotenoides, como la luteína y la zeaxantina, aumenta el nivel de pigmento macular. Luteína y zeaxantina se obtienen de la ingesta dietética o con suplementos de nutrientes, mientras que la meso-zeaxantina es simplemente un subproducto del metabolismo de la luteína3,7,8. Las concentraciones de luteína y zeaxantina difieren en las diversas regiones de la retina. Centralmente, en la fóvea, la concentración de zeaxantina es mayor que la de la luteína, con una proporción de 2.3:19,10. La concentración de carotenoides disminuye 100 veces por mm en la periferia foveal, donde la luteína es más frecuente que la zeaxantina, con una proporción de 2.4:19,10.
La presencia de xantofilas en la retina protege los circuitos de la retina, especialmente en la fóvea y la mácula, y es fundamental para la visión central. Las xantofilas protegen la retina por dos mecanismos posibles: 1) filtrando la luz azul y 2) disminuyendo la tensión oxidativa5,11,12,13. La luz azul esparce más en la retina y los niveles más altos de pigmento macular absorben centralmente la luz dispersa, mejorando así la visión. Además, la parte azul del espectro visible se compone de alta energía, longitudes de onda cortas que pueden resultar en la producción de cantidades excesivas de especies reactivas de oxígeno en la retina. Por lo tanto, se cree que los carotenoides reducen la carga oxidativa sobre la mácula actuando como antioxidantes en laretina interna y el complejo epitelial pigmental de la retina fotorreceptor al poner estos radicales libres5,12,13,14.
La medición de los carotenoides de la retina tiene implicaciones mayores en la salud sistémica. Un ensayo reciente demostró que la terapia carotenoides mejora la función de la retina en diabéticos sin ninguna alteración a los niveles de glucosa en sangre15. Los niveles de densidad de carotenoides en la retina también están fuertemente correlacionados con los niveles en el cerebro16. Los niveles de carotenoides pueden ser cruciales en los años de desarrollo17,18, y los niveles en el deterioro del cerebro con la edad19. Los niveles de MPOD están relacionados con la neuroprotección y la eficiencia neuronal tanto en niños como en ancianos20,21. Por lo tanto, es necesario medir el MPOD y sus características clínicamente. Esto desempeñará un papel en el diagnóstico, manejo y tratamiento de diversas afecciones oculares y sistémicas7,15,16,17,18,19,20,21.
Las tecnologías de medición MPOD disponibles comercialmente actualmente son fotómetros parpadeantes heterocromáticos (HFP), que se basan en pruebas psicofísicas. Estos miden un parche de 1 grado en la fóvea, que equivale a un círculo de 0,30 mm de diámetro22. Si bien se ha demostrado que estos tipos de dispositivos son fiables, están limitados por su naturaleza subjetiva, consumen mucho tiempo de uso y son incapaces de distinguir las cantidades individuales de xantofilas que forman MPOD13,22,23,24. El reflectómetro del pigmento macular (véase La Tabla de Materiales),también conocido como reflectómetro (véase la Figura 1),aborda estas limitaciones midiendo objetivamente el MPOD y sus componentes individuales de luteína y zeaxantina (xantofilas)25. El reflectómetro utiliza una fuente halógena de cuarzo filtrada y colimada filtrada por UV/IR para enviar un haz de luz controlado a la retina (ver Figura2 del esquema) y los filtros internos absorben la mayor parte de la radiación producida. Por lo tanto, hay poco o ningún riesgo de exposición a la radiación para el participante. Los diversos cromóforos y estructuras en el ojo humano y los patrones de absorción y reflectancia correspondientes están bien descritos en la literatura26,27,28. El análisis de la luz reflejada procesada por el espectrómetro interno permite el aislamiento cuantitativo y la medición de las densidades ópticas de luteína y zeaxantina (L-OD, Z-OD) junto con el MPOD general. El tercer carotenoides de la retina meso-zeaxantina es espectralmente indistinguible de la zeaxantina y por lo tanto el Z-OD representa una combinación de ambos carotenoides29. El trabajo previo ha demostrado que la reflectometría es fiable al medir L-OD central, Z-OD y MPOD25,29.
El propósito del estudio actual es crear una técnica que se puede utilizar para producir estimaciones in vivo de los niveles de zeaxantina y luteína en las regiones de retina foveal y parafoveal en los seres humanos. Otros objetivos son comparar los hallazgos con los resultados publicados anteriormente en laboratorio e histología14,29. El enfoque desarrollado y descrito en este manuscrito y su utilización junto con la reflectometría para medir el MPOD perifoveal es novedoso. Esta técnica se puede utilizar con cualquier unidad de reflectometría existente sin modificaciones importantes para medir los niveles de retina de los carotenoides individuales, como L-OD y Z-OD, en varios lugares lúvelos y parafoveales.
El estudio presentado en este manuscrito incluye ocho participantes que van desde los 22-29 años de edad. Nuestros métodos incluyen primero la realización de un examen oftálmico de rutina para asegurar que los participantes del estudio cumplan con los criterios de inclusión. Después de obtener el consentimiento informado, cada participante del estudio se sometió a las siguientes cuatro pruebas: 1) se utilizó un dispositivo fotómetro de parpadeo heterocromático disponible comercialmente para obtener una medición central de MPOD; 2) se utilizó un dispositivo reflectómetro para obtener dos mediciones centrales; 3) utilizando el mismo dispositivo reflectómetro junto con el sistema de orugas periféricas, las mediciones de los niveles de carotenoides a una excentricidad de 1 grado, es decir, un círculo de 0,30 mm de diámetro, se centraron en 0,30 mm de la fóvea central; 4) utilizando la misma configuración, los niveles de carotenoides a una excentricidad de 2 grados, también se midió un círculo de 0,30 mm de diámetro colocado en el borde de la fóvea (una región parafoveal).
Las mediciones de MPR se realizaron después de dilatar la pupila de cada participante con 1% de gotas oftálmmicas de tropicamida. Se sabe que la dilatación pupilar no es necesaria para obtener valores MPOD utilizando reflectometría, pero puede mejorar la repetibilidad de las mediciones L-OD y Z-OD25,29. Esto es posiblemente debido al hecho de que las mediciones obtenidas de la retina utilizando el reflectómetro tenían una mejor relación señal-ruido cuando las pupilas se dilataron. Para las mediciones de reflectometría periférica precisas y estables, los participantes utilizaron objetivos de fijación que se colocaron en infinito óptico30,31.
Obtuvimos mediciones del reflectómetro para 30 s y descartamos los primeros 10 s de datos. Este procedimiento tiene dos ventajas: 1) la fuente de señal es brillante y permite que los ojos se adapten y se ajusten a la tarea; y 2) lo más importante, el pigmento fotorreceptor blanquea durante los primeros 10 s. Por lo tanto, la eliminación de los primeros 10 s de medición permite una señal más estable y precisa29. Realizamos todas las pruebas de reflectometría dos veces en el presente estudio, después de lo cual promedimos las mediciones para obtener valores medios de MPOD, L-OD y Z-OD y la relación de Z-OD/ L-OD para cada participante.
Protocol
Representative Results
Discussion
Nuestro estudio ilustra la técnica y metodología para realizar mediciones in vivo de MPOD en varias regiones foveales y parafoveales utilizando un dispositivo reflectómetro. Desarrollamos y calibramos un sistema de orugas periféricas para obtener mediciones a 1 grado y 2 grados de la fijación central. Los resultados de nuestro estudio muestran que MPOD, L-OD y Z-OD se pueden medir en varias regiones lúveles y parafoveales utilizando este protocolo en el infinito óptico. El protocolo podría adaptarse para distancias más cortas cuando no hay habitaciones largas disponibles en una clínica. En ese caso, sin embargo, será necesaria la dilatación pupilar para controlar el alojamiento activo (véase el cuadro 1).
Hay dos pasos críticos al realizar este experimento: 1) la calibración de 0 grados y 2) la calibración negra. Cuando se utiliza el sistema de vía periférica para medir MPOD y sus componentes fuera del centro, la fijación externa para la calibración de 0 grados o la medición del foveal es de suma importancia. Si el participante cuyo ojo se mide no entiende este procedimiento o no puede realizar los pasos necesarios, las mediciones se verán comprometidas y erróneas. La calibración negra también es crítica porque permite que el MPR establezca una medición del espectrómetro de línea base cuando no hay luz presente, que el dispositivo entonces compara con todos los valores obtenidos del sujeto. Por lo tanto, la calibración negra es una necesidad para cada participante.
Los resultados de nuestro estudio indican que los niveles centrales de MPOD coinciden con los datos de estudios experimentales e histológicos publicados anteriormente7,10,14. Además, encontramos que los niveles de MPOD disminuyen con el aumento de la excentricidad de la retina, con los valores de MPOD siendo mayores en el foveal en comparación con la región parafoveal. Los niveles de luteína y zeaxantina también varían en diferentes lugares de la retina con las relaciones de luteína y zeaxantina cambiando en función de la excentricidad. Encontramos relaciones L-OD y Z-OD centrales de 1:2.6, que cambiaron a 2.08:1 a 2 grados de fijación central. Esto es coherente con los informes de estudios anteriores10,29. Encontramos que los niveles de luteína y zeaxantina mostraron una variación interindividual considerable. Los experimentos de laboratorio in vivo anteriores han evaluado sólo tres sujetos y hay información limitada en esta área29. Si la variación interindividual significativa de los niveles de carotenoides es correcta, entonces esto apoyaría la necesidad de obtener medidas de referencia de carotenoides y adaptar suplementos individuales. Se necesitarán más investigaciones para confirmar este hallazgo de alta variabilidad interindividual de los niveles de luteína y zeaxantina en individuos sanos. Las publicaciones previas y el trabajo con este dispositivo MPR muestran que se pueden obtener mediciones repetibles para MPOD tanto en condiciones pupilares no dilatadas como dilatadas, aunque la repetibilidad de las mediciones de L-OD y Z-OD mejoró cuando las pupilas se dilataron25. En el presente estudio, realizamos todas las mediciones de MPR con pupilas dilatadas. Dado que los niveles de carotenoides son más bajos en la periferia foveal y la región parafoveal, puede ser esencial dilatar la pupila para una intensidad de señal constante y mediciones periféricas confiables.
Probamos varios métodos, y en última instancia desarrollamos y probamos nuestro sistema de orugas. Demostró ser la forma más eficaz de lograr resultados fiables. El sistema se probó examinando a tres participantes varias veces para ver si se podían lograr resultados similares con cada intento. Esto incluyó la medición de los participantes en tres ocasiones separadas durante un período de dos meses. Otros métodos intentados incluían la modificación del ocular de reflectometría mediante la creación de una cubierta con aberturas precortadas a 0, 1 y 2 grados fuera del centro. Esta técnica resultó ineficaz porque las rendijas estaban demasiado juntas para que un sujeto se distinguiera adecuadamente.
Hay varias limitaciones en este estudio. El estudio requiere que los sujetos tengan binocularidad normal. Esto garantiza que el sujeto será capaz de fijarse en el objetivo mientras se mide el otro ojo. Los sujetos que no cumplan con este criterio no podrán cumplir con las instrucciones, no se fijarán adecuadamente mientras participan en el estímulo y no se pueden medir con éxito utilizando esta técnica. El sistema de orugas es fiable, pero sus limitaciones pueden abordarse en futuros estudios. El protocolo podría mejorarse al tener luces de fijación LED rojas incorporadas con parte de un sistema de optómetro Badal como parte del reflectómetro. Esto permitiría al participante fijarse en la excentricidad deseada con el ojo que se mide con el alojamiento adecuado de la lente.
En la actualidad, no existen técnicas alternativas para medir in vivo L-OD y Z-OD. Sin embargo, existen dispositivos alternativos que miden MPOD. Uno de estos dispositivos es el fotómetro de parpadeo heterocromático utilizado en este estudio. El fotómetro de parpadeo heterocromático emplea un método psicofísico de prueba y no puede determinar valores individuales de luteína y zeaxantina. Las mediciones MPOD centrales obtenidas mediante un fotómetro de parpadeo heterocromático fueron un promedio de 0,11 inferiores a las obtenidas por el dispositivo MPR con una desviación estándar de 0,16. La medición MPOD obtenida utilizando ambas técnicas tenía una excelente correlación como se informó anteriormente25.
Aunque el estudio actual tiene un pequeño tamaño de muestra, su propósito era probar el concepto de que las mediciones periféricas de zeaxantina y densidad óptica de luteína se pueden obtener utilizando un dispositivo de reflectometría. Hasta nuestro conocimiento, otros estudios in vivo han tenido tamaños de muestra significativamente más pequeños que la muestra utilizada en este estudio. Por lo tanto, estamos seguros de que nuestros resultados demuestran que la densidad de carotenoides in vivo se puede medir en la fovéla, la periferia foveal y la región parafoveal utilizando un reflectómetro. Nuestro estudio arroja más luz sobre cómo se distribuyen los niveles de zeaxantina y luteína en las regiones maculares centrales y periféricas dentro de la retina humana. Debido a que encontramos una variación notable de los valores entre nuestros participantes del estudio, se necesitan estudios más grandes tanto in vivo como in vitro para entender mejor la distribución de luteína y zeaxantina, niveles y proporciones dentro de la población general.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Agradecemos a WesternU College of Optometry y al programa Master of Science in Medical Sciences en WesternU por su asistencia y apoyo. También agradecemos a ZeaVision por su generoso apoyo y financiación.
Materials
| 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. |
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