Diese Forschungsarbeit beschreibt einen Arbeitsablauf zur Bestimmung und zum Vergleich von Autofluoreszenzniveaus aus einzelnen interessierenden Regionen (z. B. Drusen- und subretinale Drusenoidablagerungen bei altersbedingter Makuladegeneration [AMD]) unter Berücksichtigung unterschiedlicher Autofluoreszenzniveaus im gesamten Fundus.
Die Fundus-Autofluoreszenz-Bildgebung (FAF) ermöglicht die nicht-invasive Kartierung von intrinsischen Fluorophoren des Augenhintergrundes, insbesondere des retinalen Pigmentepithels (RPE), das jetzt mit dem Aufkommen der konfokalen Scanning-Laser-Ophthalmoskopie-basierten quantitativen Autofluoreszenz (QAF) quantifiziert werden kann. Es hat sich gezeigt, dass die QAF bei altersbedingter Makuladegeneration (AMD) im Allgemeinen am hinteren Pol erniedrigt ist. Der Zusammenhang zwischen QAF und verschiedenen AMD-Läsionen (Drusen, subretinale Drusenoidablagerungen) ist noch unklar.
In diesem Artikel wird ein Arbeitsablauf zur Bestimmung der läsionsspezifischen QAF bei AMD beschrieben. Es wird ein multimodaler In-vivo-Bildgebungsansatz verwendet, einschließlich, aber nicht beschränkt auf optische Kohärenztomographie (SD-OCT) im Spektralbereich, Makulavolumen-Scanning und QAF. Mit Hilfe von kundenspezifischen FIJI-Plug-ins wird das entsprechende QAF-Bild mit dem Nahinfrarotbild aus dem SD-OCT-Scan abgeglichen (charakteristische Landmarken, d. h. Gefäßverzweigungen). Die Foveola und der Rand des Sehnervenkopfes werden in den OCT-Bildern markiert (und in das registrierte QAF-Bild übertragen), um eine genaue Positionierung der Analysegitter zu ermöglichen.
AMD-spezifische Läsionen können dann auf einzelnen OCT-BScans oder dem QAF-Bild selbst markiert werden. Normative QAF-Karten werden erstellt, um den variierenden Mittelwert und die Standardabweichung der QAF-Werte im gesamten Fundus zu berücksichtigen (QAF-Bilder aus einer repräsentativen AMD-Gruppe wurden gemittelt, um normative retinale QAF-AMD-Standardkarten zu erstellen). Die Plug-Ins zeichnen die X- und Y-Koordinaten, den Z-Score (eine numerische Messung, die den QAF-Wert im Verhältnis zum Mittelwert der AF-Maps in Bezug auf die Standardabweichung vom Mittelwert beschreibt), den mittleren Intensitätswert, die Standardabweichung und die Anzahl der markierten Pixel auf. Die Werkzeuge bestimmen auch Z-Scores aus der Randzone markierter Läsionen. Dieser Arbeitsablauf und die Analysewerkzeuge werden das Verständnis der Pathophysiologie und der klinischen AF-Bildinterpretation bei AMD verbessern.
Die Fundus-Autofluoreszenz-Bildgebung (FAF) ermöglicht eine nicht-invasive Kartierung von natürlich und pathologisch vorkommenden Fluorophoren des Augenhintergrundes1. Die häufigste blaue Autofluoreszenz (488 nm Anregung) (AF) erregt Lipofuszin- und Melanolipofuszin-Granula des retinalen Pigmentepithels (RPE)2,3,4. Die Verteilung und die Zunahme/Abnahme von Granula spielen eine zentrale Rolle beim normalen Altern und bei verschiedenen Netzhauterkrankungen, einschließlich der altersbedingten Makuladegeneration (AMD)5.
Eine Weiterentwicklung der FAF, die quantitative Fundusautofluoreszenz (QAF), ermöglicht nun die genaue Bestimmung topographisch aufgelöster retinaler AF-Intensitäten 4,6. Durch die Integration einer Referenz in den optischen Pfad des FAF-Bildgebungsgeräts können AF-Intensitäten zwischen Geräten, Zeitpunkten und Motiven verglichen werden. Diese Technik hat zu einem Paradigmenwechsel in Bezug auf einen vermuteten pathogenetischen Faktor bei der AMD geführt, der lange Zeit auf eine übermäßige Lipofuszin-Akkumulation in RPE-Zellen zurückgeführt wurde7. Die histologische und klinische Quantifizierung von Vorhofflimmern ergab jedoch eine Abnahme des Vorhofflimmerns bei AMD (aufgrund der Umverteilung und des Verlusts von autofluoreszierendem Lipofuszin und Melanolipofuszin-Granula) anstelle des vorgeschlagenen Anstiegs von Vorhofflimmern 8,9,10.
Die Überwachung von Vorhofflimmern hat klinische Auswirkungen. Von der Emde et al. und andere haben gezeigt, dass Vorhofflimmern nicht nur vermindert ist, sondern auch im Verlauf der AMD bei Hochrisiko-Augen mit intermediärer AMD weiter abnimmt 8,9. Darüber hinaus deuten histologische Studien darauf hin, dass die meisten AMD-betroffenen RPE-Zellen ein charakteristisches Verhalten mit Granulaaggregation und -extrusion vor dem Verlust von RPE-Zellen durch Subduktion, Supping, Migration oder Atrophie zeigen13,14,15,16. Dies deutet darauf hin, dass der Verlust von Vorhofflimmern ein Auslöser oder ein Surrogatsignal für ein bevorstehendes Fortschreiten der Krankheit sein könnte.
QAF-Studien haben AF bisher nur global am hinteren Pol unter Verwendung von vorgefertigten polaren Koordinatensystemen (z. B. QAF8/Delori-Gitter) untersucht17. Die Verwendung vorgefertigter Raster zur Messung des Autofokus führt zu mehreren AF-Werten in vordefinierten Bereichen pro Auge eines Motivs. Bei der Untersuchung von Vorhofflimmerwerten auf diese Weise könnten lokale Veränderungen in Bereichen mit pathologisch verändertem Vorhofflimmern übersehen werden, z. B. bei AMD auf oder in der Nähe von Drusen oder subretinalen Drusenoidablagerungen (SDDs). Drusen und in höherem Maße SDDs sind mit einem hohen Risiko für die Entwicklung einer späten AMD und eines Sehverlusts verbunden. Insbesondere Drusen haben einen typischen Zyklus, in dem sie über viele Jahre hinweg an Größe zunehmen und sich vor der Atrophie schnell verschlechtern können. Denkbar ist beispielsweise, dass das globale Vorhofflimmern bei AMD abnimmt, aber in und um diese spezifischen krankheitsbedingten fokalen Läsionen zunimmt oder sogar noch weiter reduziert wird.
Unterschiedliche lokale Vorhofflimmermuster könnten auch prognostische Relevanz für das Fortschreiten der Erkrankung haben. Zum Beispiel könnten Autofluoreszenzwerte verwendet werden, um zu beurteilen, ob Drusen an Größe zunehmen oder sich bereits in einer Regression zur Atrophie befinden. Es konnte bereits gezeigt werden, dass veränderte periläsionale Muster von Vorhofflimmern bei geografischer Atrophie das Fortschreiten der Atrophie im Laufe der Zeit maßgeblich beeinflussen18. Darüber hinaus könnten lokale Autofluoreszenzmuster weitere Details über den Zustand des RPE verraten. Die optische Kohärenztomographie (OCT) zeigt häufig eine Hyperreflexion in die Choriocapillaris, obwohl die RPE-Schicht intakt erscheint. Ein multimodaler Ansatz, der lokale QAF-Werte und OCT kombiniert, könnte helfen, Läsionen mit einem hohen Risiko für RPE-Störung und drohende Atrophie zu differenzieren.
Ein Grund, warum in Studien keine ortsaufgelösten Analysen durchgeführt wurden, liegt darin, dass die am häufigsten verwendete Software der Hersteller kein Werkzeug für diese Art von Analysen bereitstellt. Die Eigenschaften verschiedener Läsionen in Abhängigkeit vom AMD-Krankheitsstadium könnten die Pathogenese der AMD weiter erklären. Daher wäre ein Instrument zur Messung des regionalen, läsionsspezifischen Vorhofflimmerns wünschenswert. Um Läsionen, die sich in der gesamten Netzhaut befinden, genau vergleichen zu können, benötigt der Arbeitsablauf eine Möglichkeit, unterschiedliche Grade von Vorhofflimmern im menschlichen Fundus zu berücksichtigen19. Am zentralsten ist der Vorhofflimmern aufgrund der Abschattungseffekte des Makulapigments und der unterschiedlichen Körnchenzahlen charakteristisch niedriger20,21.
Der AF erreicht seinen Höhepunkt bei ~9° (Abstand zur Fovea in alle Richtungen) und nimmt peripher stärker ab4. Würde man also die absoluten Werte der AF-Pegel von weichen Drusen (in Bereichen mit niedrigem AF an der Fovea und Parafovea) und SDDs (in Bereichen mit hohem AF parazentral lokalisiert) vergleichen, wären die Ergebnisse nicht vergleichbar22. Inspiriert von der Arbeit von Pfau et al. und dem Konzept des Sensitivitätsverlusts (Korrektur der in AMD gemessenen Empfindlichkeit für den Sehhügel [abnehmende Netzhautempfindlichkeit mit Abstand zur Fovea] gesunder Kontrollen) für die funduskontrollierte Perimetrie wird Vorhofflimmern mit standardisierten Vorhofflimmerwerten in der gesamten Makula verglichen23,24. Die Ergebnisse werden als Z-Scores (numerische Messung der Beziehung eines Regions of Interest-Werts zum Mittelwert) angegeben.
Das Ziel dieser Studie ist es, den Einsatz eines neuen Instruments zur Messung der lokalen QAF-Spiegel bei verschiedenen Arten von Läsionen bei Patienten mit AMD zu evaluieren. Dieses Gerät wurde entwickelt, um den Autofluoreszenzgrad von Läsionen zu messen, die auf OCT-Scans identifiziert wurden. Dies ermöglicht die Beurteilung des lokalen Autofluoreszenzniveaus in Läsionen, wie z. B. weichen Drusen oder SDDs, und ermöglicht die Verfolgung von AF-Veränderungen von Läsionen im Laufe der Zeit. Der potenzielle Nutzen dieses Werkzeugs besteht darin, einen neuen strukturellen Biomarker zu ermöglichen, der den Zustand des RPE schätzt und möglicherweise einen prognostischen Wert für die untersuchten Läsionen hat.
Dieser Arbeitsablauf bietet eine Schritt-für-Schritt-Anleitung zur Verwendung von Open-Source-FIJI-Plug-in-Tools zur Bestimmung und zum Vergleich von Vorhofflimmern von AMD-spezifischen Läsionen. Die Plug-ins bieten einfach zu bedienende Vorlagen, die keine Programmierkenntnisse erfordern und von Ärzten ohne technische Unterstützung angewendet werden können27. Unseres Wissens nach sind diese Werkzeuge einzigartig für die läsionsspezifische Quantifizierung von Vorhofflimmern.
Die QAF-Werte variieren auf natürliche Weise über die Netzhaut, wobei die Werte an der Peripherie höher und in der Makula niedriger sind, was auf eine ungleichmäßige Verteilung von Lipofuszin und Melanolipofuszin innerhalb der Netzhaut, den niedrigen AF der Gefäße und eine ungleichmäßige Verteilung der Makulapigmente zurückzuführen ist. Aufgrund der hohen Variation der natürlich vorkommenden QAF-Spiegel in der Netzhaut ist die direkte Analyse der absoluten QAF-Werte von Läsionen kein vielversprechender Ansatz. Zum Beispiel kann eine hypoautofluoreszierende Läsion in der Peripherie immer noch höhere absolute QAF-Werte aufweisen als physiologische Fluoreszenzwerte der Makula. Die Verwendung eines StandardRetina und die Verwendung von Z-Scores zur Messung der Fluoreszenzwerte von Drusen korrigieren diese natürlich auftretende Varianz der QAF-Werte.
Ein Z-Score ist ein numerisches Maß für die Beziehung eines Regions of Interest-Werts zum Mittelwert in der StandardRetina. Sie wird berechnet, indem der Mittelwert eines Individuums vom Mittelwert der StandardRetina an derselben Stelle subtrahiert und dann das Ergebnis durch die Standardabweichung dividiert wird. Diese Standardisierung ermöglicht den Vergleich verschiedener QAF-Bilder, da der Z-Score angibt, um wie viele Standardabweichungen ein Wert vom Mittelwert abweicht. Ein positiver Z-Wert gibt an, dass der Wert über dem Mittelwert liegt, während ein negativer Z-Wert angibt, dass er unter dem Mittelwert liegt.
Es ist wichtig zu beachten, dass es potenzielle Fallstricke geben kann, die berücksichtigt werden sollten. Obwohl diese Methode die unterschiedliche Anzahl von AF-Werten im gesamten Fundus berücksichtigt, ist sie möglicherweise immer noch nicht die genaueste Methode, um den AF eines RPE zu messen und zu vergleichen. Individuen haben unterschiedliche Konzentrationen und Topographien des Makula-Lutealpigments, und Läsionen können auch die Transluzenz der darüber liegenden Netzhaut beeinträchtigen28,29. Es ist daher plausibel, dass der gemessene reduzierte AF in Bereichen von SDDs (siehe repräsentative Ergebnisse) eher eine Folge von Abschattungseffekten als von verminderten Fluorophoren im RPEist 30,31,32.
Wir arbeiten derzeit an einem Workflow zur Berücksichtigung der retinalen Reflektivität, der Dicke und des quantifizierten Makulapigments (mit grünem und blauem AF) mit linearen Mischmodellen. Darüber hinaus verwendet QAF bisher einen altersabhängigen Korrekturfaktor zur Berücksichtigung der Lentikulartrübung, der interindividuelle Unterschiede in der Lentikulartrübung von Teilnehmern eines ähnlichen Alters von33 Jahren außer Acht lässt. Wir arbeiten daher derzeit an einem Workflow für einen personalisierten Korrekturfaktor der linsenförmigen Autofluoreszenz und Trübung. Um zuverlässig Informationen über Vorhofflimmern aus kleinen Läsionen zu extrahieren, ist eine angemessene Test-Retest-Reliabilität von QAF-Bildern erforderlich. Um diejenigen QAF-Bilder weiter zu differenzieren, bei denen eine detailliertere Analyse möglich ist, untersuchen wir “QAF-Bildzuverlässigkeitsindizes”, die die Test-Retest-Reliabilität von QAF-Bildern vorhersagen können. Im gegenwärtigen Stadium besteht der vorsichtige Ansatz darin, doppelte Bilder aufzunehmen und die Reliabilität von läsionsspezifischem Vorhofflimmern zu untersuchen.
Die vorgestellte Methode zur zusätzlichen Analyse der Isohüllen von Läsionen war technisch schwierig umzusetzen, da Isohüllen benachbarter Läsionen verschmelzen. Bereiche mit verschmolzenen Iso-Hüllen konnten je nachdem, welche Läsion betrachtet wird, unterschiedlich charakterisiert werden. Unsere Lösung bestand darin, alle Läsionen eines Typs als eine Läsion zu betrachten und ihre Peripherie als gemeinsame Isohülle zu analysieren. Diese Methode reduziert jedoch drastisch die Fähigkeit, die Iso-Hüllen einzelner Drusen zu messen, und könnte als ein weiterer Fallstrick dieser Technik angesehen werden. Technisch ausgefeiltere Methoden zur Berücksichtigung von verschmolzenen Iso-Hüllen oder die ausgesetzte Meldung von Vorhofflimmern in Bereichen mit verschmolzenen Iso-Hüllen könnten in Zukunft die Analyse von Vorhofflimmern im Umfang von Läsionen erleichtern.
Für diese Studie haben wir AMD als Modellerkrankung verwendet. Der Arbeitsablauf kann auch für die Untersuchung von Läsionen bei anderen Krankheiten angepasst werden. Bisher wurde QAF bei vielen chorioretinalen Erkrankungen eingesetzt, darunter die rezessive Stargardt-Krankheit, Bestrophin-1-assoziierte Erkrankungen, verschiedene Formen der Retinitis pigmentosa, die akute zonale okkulte äußere Retinopathie, Pseudoxanthoma elasticum und andere 17,33,34,35,36,37 . Da für diesen Arbeitsablauf Open-Source-Software verwendet wird, ermutigen wir andere, diese Arbeit bei der Bestimmung von läsionsspezifischem Vorhofflimmern zu duplizieren und unser Wissen über Netzhauterkrankungen zu erweitern. Zusammenfassend stellen wir einen Arbeitsablauf vor, mit dem die AF-Konzentrationen verschiedener Netzhautläsionen in der gesamten Makula bestimmt und verglichen werden können. Dieser Arbeitsablauf ebnet den Weg für eine tiefergehende Analyse von Vorhofflimmern und könnte die Entwicklung neuer Biomarker bei AMD und darüber hinaus erleichtern.
The authors have nothing to disclose.
Diese Arbeit wurde durch das Stipendium der Deutschen Ophthalmologischen Gesellschaft (DOG) für Doktoranden (MW) und das NIH/NEI 1R01EY027948 (TA) gefördert.
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