Dit onderzoek beschrijft een workflow om autofluorescentieniveaus te bepalen en te vergelijken uit individuele interessegebieden (bijv. drusen en subretinale drusenoïde afzettingen bij leeftijdsgebonden maculadegeneratie [AMD]), rekening houdend met variërende autofluorescentieniveaus in de fundus.
Fundus autofluorescentie (FAF) beeldvorming maakt het mogelijk om intrinsieke fluoroforen van de oculaire fundus niet-invasief in kaart te brengen, met name het retinale pigmentepitheel (RPE), nu kwantificeerbaar met de komst van confocale scanning laser oftalmoscopie gebaseerde kwantitatieve autofluorescentie (QAF). Het is aangetoond dat QAF over het algemeen afneemt aan de posterieure pool bij leeftijdsgebonden maculadegeneratie (AMD). De relatie tussen QAF en verschillende AMD-laesies (drusen, subretinale drusenoïde afzettingen) is nog onduidelijk.
Dit artikel beschrijft een workflow voor het bepalen van laesiespecifieke QAF in AMD. Er wordt gebruik gemaakt van een multimodale in vivo beeldvormingsbenadering, met inbegrip van, maar niet beperkt tot, spectrale domein, optische coherentietomografie (SD-OCT), maculavolumescanning en QAF. Met behulp van aangepaste FIJI-plug-ins wordt het bijbehorende QAF-beeld uitgelijnd met het nabij-infraroodbeeld van de SD-OCT-scan (karakteristieke oriëntatiepunten; d.w.z. vertakkingen van vaten). De foveola en de rand van de oogzenuwkop worden gemarkeerd in de OCT-beelden (en overgebracht naar het geregistreerde QAF-beeld) voor een nauwkeurige positionering van de analyseroosters.
AMD-specifieke laesies kunnen vervolgens worden gemarkeerd op individuele OCT BScans of het QAF-beeld zelf. Normatieve QAF-kaarten worden gemaakt om rekening te houden met het variërende gemiddelde en de standaarddeviatie van QAF-waarden gedurende de fundus (QAF-beelden van een representatieve AMD-groep werden gemiddeld om normatieve standaard retinale QAF AMD-kaarten te maken). De plug-ins registreren de X- en Y-coördinaten, de z-score (een numerieke meting die de QAF-waarde beschrijft in relatie tot het gemiddelde van AF-kaarten in termen van standaarddeviatie van het gemiddelde), de gemiddelde intensiteitswaarde, de standaarddeviatie en het aantal gemarkeerde pixels. De tools bepalen ook z-scores uit de grenszone van gemarkeerde laesies. Deze workflow en de analysetools zullen het begrip van de pathofysiologie en de interpretatie van klinische AF-beelden bij AMD verbeteren.
Fundus autofluorescentie (FAF) beeldvorming biedt een niet-invasieve mapping van natuurlijk en pathologisch voorkomende fluoroforen van de oculaire fundus1. De meest voorkomende blauwe (488 nm excitatie) autofluorescentie (AF) exciteert lipofuscine en melanolipofuscinekorrels van het retinale pigmentepitheel (RPE)2,3,4. De verdeling en toename/afname van korrels spelen een centrale rol bij normale veroudering en verschillende netvliesaandoeningen, waaronder leeftijdsgebonden maculadegeneratie (AMD)5.
Een verdere ontwikkeling van FAF, kwantitatieve fundus autofluorescentie (QAF), maakt het nu mogelijk om topografisch opgeloste retinale AF-intensiteiten 4,6 nauwkeurig te bepalen. Door een referentie op te nemen in het optische pad van het FAF-beeldvormingsapparaat, kunnen AF-intensiteiten worden vergeleken tussen apparaten, tijdstippen en onderwerpen. Deze techniek heeft geresulteerd in een paradigmaverschuiving met betrekking tot een veronderstelde pathogenetische factor in LMD, waarvan lange tijd werd gespeculeerd dat deze te wijten was aan overmatige accumulatie van lipofuscine in RPE-cellen7. Histologische en klinische kwantificering van AF heeft echter een afname van AF bij AMD aangetoond (als gevolg van de herverdeling en het verlies van autofluorescerende lipofuscine en melanolipofuscinekorrels), in plaats van de voorgestelde toename van AF 8,9,10.
Het monitoren van AF heeft klinische implicaties. Von der Emde et al. en anderen hebben aangetoond dat AF niet alleen afneemt, maar ook verder afneemt in het beloop van AMD in intermediaire AMD-ogen met een hoog risico 8,9. Bovendien suggereren histologische studies dat de meeste door AMD aangetaste RPE-cellen een karakteristiek gedrag vertonen met granulaataggregatie en extrusie voorafgaand aan RPE-celverlies via subductie, vervelling, migratie of atrofie 13,14,15,16. Dit geeft verder aan dat AF-verlies een trigger of een surrogaatsignaal kan zijn van dreigende ziekteprogressie.
QAF-studies hebben tot nu toe alleen AF globaal geëvalueerd aan de achterste pool, met behulp van geprefabriceerde rasterpolaire coördinatensystemen (bijv. QAF8/Delori Grid)17. Het gebruik van geprefabriceerde rasters om AF te meten, resulteert in meerdere AF-waarden op vooraf bepaalde gebieden per oog van een onderwerp. Door AF-waarden op deze manier te onderzoeken, kunnen lokale veranderingen in gebieden met pathologisch veranderde AF over het hoofd worden gezien, bijvoorbeeld in AMD bovenop of in de buurt van drusen of subretinale drusenoïde afzettingen (SDD’s). Drusen, en in hogere mate SDD’s, worden in verband gebracht met een hoog risico op het ontwikkelen van late LMD en verlies van gezichtsvermogen. Drusen in het bijzonder hebben een typische cyclus van toename in omvang gedurende vele jaren en kunnen snel verslechteren voorafgaand aan atrofie. Het is denkbaar dat bijvoorbeeld globaal AF afneemt bij LMD, maar toeneemt of zelfs verder afneemt in en rond deze specifieke ziektegerelateerde focale laesies.
Verschillende lokale AF-patronen kunnen ook prognostische relevantie hebben voor ziekteprogressie. Autofluorescentieniveaus kunnen bijvoorbeeld worden gebruikt om te beoordelen of drusen in omvang toenemen of al in regressie zijn naar atrofie. Het is al aangetoond dat veranderde AF-perilesiepatronen bij geografische atrofie een grote invloed hebben op de progressie van atrofie in de loop van de tijd18. Bovendien zouden lokale autofluorescentiepatronen meer details kunnen onthullen over de gezondheid van de RPE. Vaak toont de optische coherentietomografie (OCT) hyperreflectie in de choriocapillaris, hoewel de RPE-laag intact lijkt. Een multimodale aanpak die lokale QAF-waarden en OCT combineert, kan helpen bij het differentiëren van laesies met een hoog risico op RPE-verstoring en dreigende atrofie.
Een van de redenen waarom ruimtelijk opgeloste analyses in studies niet zijn uitgevoerd, is omdat de meest gebruikte software van de fabrikant geen hulpmiddel biedt voor dit soort analyses. AF-eigenschappen van verschillende laesies, afhankelijk van het stadium van de LMD-ziekte, zouden de pathogenese van AMD verder kunnen verklaren. Daarom zou een instrument om regionale, laesiespecifieke AF te meten wenselijk zijn. Om laesies die zich over het hele netvlies bevinden nauwkeurig te vergelijken, heeft de workflow een manier nodig om rekening te houden met verschillende gradaties van AF in de menselijke fundus19. Het meest centraal is AF karakteristiek lager vanwege de schaduweffecten van maculapigment en verschillende korreltellingen20,21.
AF bereikt zijn piek bij ~9° (afstand tot de fovea in alle richtingen) en neemt perifeer in grotere mate af4. Daarom, als men de absolute waarden van AF-niveaus van zachte drusen (gelokaliseerd in de fovea en parafovea in gebieden met lage AF) en SDD’s (paracentraal in gebieden met hoge AF) zou vergelijken, zouden de resultaten niet vergelijkbaar zijn22. Geïnspireerd door het werk van Pfau et al. en het concept van gevoeligheidsverlies (het corrigeren van gevoeligheid gemeten in AMD voor de heuvel van het gezichtsvermogen [afnemende gevoeligheid van het netvlies met afstand tot de fovea] van gezonde controles) voor fundusgecontroleerde perimetrie, wordt AF vergeleken met gestandaardiseerde AF-waarden in de macula23,24. De resultaten worden gerapporteerd als z-scores (numerieke meting van de relatie van een interessegebied met het gemiddelde).
Het doel van deze studie is het evalueren van het gebruik van een nieuw hulpmiddel voor het meten van lokale QAF-niveaus in verschillende soorten laesies bij patiënten met AMD. Deze tool is ontworpen om autofluorescentieniveaus te meten van laesies die zijn geïdentificeerd op OCT-scans. Dit maakt het mogelijk om lokale autofluorescentieniveaus in laesies, zoals zachte drusen of SDD’s, te beoordelen en maakt het mogelijk om AF-veranderingen van laesies in de loop van de tijd te volgen. Het potentiële nut van deze tool is om een nieuwe structurele biomarker mogelijk te maken die de gezondheid van de RPE schat en mogelijk prognostische waarde heeft voor de onderzochte laesies.
Deze workflow biedt een stapsgewijze handleiding voor het gebruik van open-source FIJI-plug-intools om AF van AMD-specifieke laesies te bepalen en te vergelijken. De plug-ins bieden gebruiksvriendelijke sjablonen die geen codeerkennis vereisen en die door artsen kunnen worden toegepast zonder technische ondersteuning27. Voor zover wij weten, zijn deze tools uniek in hun soort voor laesie-specifieke AF-kwantificering.
QAF-waarden variëren van nature over het netvlies, met waarden die hoger zijn aan de periferie en lager in de macula als gevolg van ongelijke verdeling van lipofuscine en melanolipofuscine in het netvlies, de lage AF van bloedvaten en ongelijke verdeling van maculaire pigmenten. Vanwege de grote variatie van natuurlijk voorkomende QAF-niveaus in het netvlies, is het rechtstreeks analyseren van absolute QAF-waarden van laesies geen veelbelovende benadering. Een hypoautofluorescerende laesie in de periferie kan bijvoorbeeld nog steeds hogere absolute QAF-waarden hebben dan de fysiologische fluorescentieniveaus van de macula. Het gebruik van een StandardRetina en het gebruik van z-scores om de fluorescentieniveaus van drusen te meten, corrigeren voor deze natuurlijk voorkomende variantie van QAF-waarden.
Een z-score is een numerieke meting van de relatie van een interessegebied met het gemiddelde in de StandardRetina. Het wordt berekend door het gemiddelde van een individu af te trekken van het gemiddelde van de StandardRetina op dezelfde locatie en vervolgens het resultaat te delen door de standaarddeviatie. Deze standaardisatie maakt het mogelijk om verschillende QAF-beelden met elkaar te vergelijken, omdat de z-score aangeeft hoeveel standaarddeviaties een waarde afwijkt van het gemiddelde. Een positieve z-score geeft aan dat de waarde boven het gemiddelde ligt, terwijl een negatieve z-score aangeeft dat deze onder het gemiddelde ligt.
Het is belangrijk op te merken dat er mogelijke valkuilen kunnen zijn waarmee rekening moet worden gehouden. Hoewel deze methode rekening houdt met de variërende hoeveelheid AF-niveaus in de fundus, is het misschien nog steeds niet de meest nauwkeurige manier om de AF van een RPE te meten en te vergelijken. Individuen hebben verschillende niveaus en topografie van maculaal luteaal pigment, en laesies kunnen ook de doorschijnendheid van het bovenliggende netvlies beïnvloeden28,29. Het is daarom aannemelijk dat de gemeten verminderde AF in gebieden met SDD’s (zie representatieve resultaten) een gevolg is van schaduweffecten in plaats van verminderde fluoroforen in de RPE30,31,32.
We werken momenteel aan een workflow om rekening te houden met retinale reflectiviteit, dikte en gekwantificeerd maculapigment (met behulp van groene en blauwe AF) met lineaire gemengde modellen. Bovendien gebruikt QAF tot nu toe een leeftijdsafhankelijke correctiefactor om rekening te houden met lenticulaire troebeling die geen rekening houdt met interindividuele verschillen in de lenticulaire troebeling van deelnemers van een vergelijkbare leeftijdvan 33 jaar. Daarom werken we momenteel aan een workflow voor een gepersonaliseerde correctiefactor van lenticulaire autofluorescentie en vertroebeling. Om op betrouwbare wijze informatie over AF uit kleine laesies te extraheren, is een adequate test-hertestbetrouwbaarheid van QAF-beelden nodig. Om verder onderscheid te maken tussen die QAF-beelden waarbij een meer gedetailleerde analyse haalbaar is, onderzoeken we “QAF-beeldbetrouwbaarheidsindices” die de test-hertestbetrouwbaarheid van QAF-beelden kunnen voorspellen. In het huidige stadium is de voorzichtige aanpak om dubbele beelden te verkrijgen en de betrouwbaarheid van laesiespecifieke AF opnieuw te testen.
De gepresenteerde methode voor het aanvullend analyseren van de iso-hulls van laesies was technisch moeilijk te implementeren, omdat iso-hulls van naburige laesies samensmelten. Gebieden met gefuseerde iso-rompen kunnen verschillend worden gekarakteriseerd, afhankelijk van welke laesie wordt overwogen. Onze oplossing was om alle laesies van één type als één laesie te beschouwen en hun periferie te analyseren als een gezamenlijke iso-romp. Deze methode vermindert echter drastisch de mogelijkheid om de iso-hulls van individuele drusen te meten en kan worden beschouwd als een verdere valkuil van deze techniek. Meer technisch geavanceerde methoden om rekening te houden met gefuseerde iso-hulls of opgeschorte rapportage van AF in gebieden met gefuseerde iso-hulls zouden de analyse van AF in de omtrek van laesies in de toekomst kunnen vergemakkelijken.
We gebruikten LMD als modelziekte voor deze studie. De workflow kan ook worden aangepast om laesies bij andere ziekten te bestuderen. Tot nu toe is QAF gebruikt bij veel chorioretinale aandoeningen, waaronder recessieve ziekte van Stargardt, Bestrophin-1-geassocieerde ziekten, verschillende vormen van retinitis pigmentosa, acute zonale occulte uiterlijke retinopathie, pseudoxanthoma elasticum en andere 17,33,34,35,36,37 . Aangezien deze workflow gebruikmaakt van open-source software, moedigen we anderen aan om dit werk te dupliceren bij het bepalen van laesiespecifieke AF en onze kennis van netvliesaandoeningen uit te breiden. Samenvattend presenteren we een workflow om AF-niveaus van verschillende retinale laesies in de macula te bepalen en te vergelijken. Deze workflow maakt de weg vrij voor een meer diepgaande analyse van AF en zou de ontwikkeling van nieuwe biomarkers in AMD en daarbuiten kunnen vergemakkelijken.
The authors have nothing to disclose.
Dit werk werd gefinancierd door de beurs van de Duitse Oogheelkundige Vereniging (DOG) voor doctoraatsstudenten (MW) en de NIH/NEI 1R01EY027948 (TA).
BatchStandardRetina plugin | n.a. | n.a. | n.a. |
FIJI (Image J) | n.a. | n.a. | n.a. |
Mark_Bscans_OCT plugin | n.a. | n.a. | n.a. |
Microspft office | Microsoft | n.a. | n.a. |
QAF_xml_reader plugin | n.a. | n.a. | n.a. |
Register_OCT_2 plugin | n.a. | n.a. | n.a. |
Spectralis | Heidelberg Engineering | n.a. | QAF extension |
StandardRetina plugin | n.a. | n.a. | n.a. |