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Die Forschung zu Behandlungen bei fortschreitenden degenerativen Augenerkrankungen, die zur Erblindung führen können, schreitet rasch voran. Derzeit gibt es jedoch kein Gerät, das diese Erkrankungen zuverlässig diagnostizieren kann, bevor die ersten Symptome auftreten. Bei diesen Erkrankungen, von denen die altersbedingte Makuladegeneration (AMD) die bekannteste ist, kommt es zu Veränderungen der Photorezeptoren des Auges. Sie haben alle dieselbe Ursache: die Zerstörung des retinalen Pigmentepithels (RPE), einer Zellschicht, die hinter den Photorezeptoren liegt. Das am Laboratory of Applied Photonics Devices (LAPD) der EPFL entwickelte Gerät beobachtet Veränderungen des RPE vor dem Auftreten von Symptomen und liefert den Forschenden die ersten in-vivo-Bilder, auf denen die Zellen differenziert werden können. Mit dieser Fähigkeit zur Früherkennung werden Kliniker in der Lage sein, diese Störungen zu diagnostizieren, bevor unumkehrbare Symptome auftreten. Die Ergebnisse der ersten klinischen Studie wurden in einem Artikel in der Zeitschrift Ophthalmology Science veröffentlicht.
Beobachtung von Veränderungen in den Zellen hinter den Fotorezeptoren
Die Verschlechterung des RPE ist nicht nur die Ursache der AMD, sondern auch einer Reihe anderer Augenkrankheiten, darunter Retinitis pigmentosa und diabetische Retinopathie. Das RPE befindet sich zwischen den Photorezeptoren und der Aderhaut (einer dünnen Gewebeschicht, die die Blutgefässe zur Netzhaut enthält) und spielt eine wichtige Rolle bei der Aufrechterhaltung der Sehfunktion und der Gesundheit der Stäbchen und Zapfen des Auges. Mehrere Forschungsgruppen haben diese Zellen unter dem Mikroskop – in vitro – untersucht, um ihre Eigenschaften zu bestimmen und die morphologischen Veränderungen zu beobachten, die mit dem Alterungsprozess, aber auch mit dem Auftreten und Fortschreiten von Netzhauterkrankungen wie AMD und Retinitis pigmentosa auftreten. Bislang gab es jedoch keine einfache und zuverlässige Methode zur Beobachtung des RPE bei einem lebenden Patienten – in vivo – für die Früherkennung und laufende Überwachung dieser Erkrankungen.
Schräge Lichtstrahlen sind der Schlüssel
Es wurden bereits verschiedene Versuche unternommen, ein Gerät zu entwickeln, mit dem Klinikerinnen das RPE untersuchen können. Alle Versuche scheiterten jedoch bisher an der unzureichenden Auflösung, an Sicherheitsbedenken der Patientinnen und Patienten oder an zu langen Belichtungszeiten. Das Team der EPFL hat eine Netzhautkamera entwickelt, die mit zwei schrägen, auf das Weisse des Auges gerichteten Strahlen und einem adaptiven optischen System ausgestattet ist, das die Verzerrungen der Lichtwellen korrigiert, um ein klares Bild zu erzeugen. Diese Technologie, die als Transsklerale Optische Bildgebung bezeichnet wird, ähnelt den bestehenden Netzhautbildgebungssystemen, da sie mit Infrarotlichtstrahlen arbeitet. Laut Christophe Moser, dem Leiter des LAPD an der Fakultät für Ingenieurwissenschaft und Technologie, gibt es jedoch einen entscheidenden Unterschied: «Die Strahlen werden schräg durch das Weisse des Auges fokussiert, wodurch das Problem des überschüssigen Lichts umgangen wird, das durch die stark reflektierenden Zapfenphotorezeptorzellen in der Mitte des Auges verursacht wird, wenn man die Netzhaut über die Pupille beleuchtet.» Für das Team war es ein Aha-Erlebnis, als sie das erste klare Bild auf dem Bildschirm sahen, denn es war das erste Mal, dass jemand diesen Teil des menschlichen Körpers mit einer klinisch kompatiblen Bildgebungskamera beobachtet hat.
Mit Cellularis beobachtete Zellen des retinalen Pigmentepithels (RPE) © 2022 LAPD
Eine erste klinische Studie mit 29 Teilnehmenden
Die Forschenden entwickelten einen klinischen Prototyp in Zusammenarbeit mit EarlySight, einem Spin-off desselben EPFL-Labors. Mit einer Belichtungszeit von weniger als fünf Sekunden – ein entscheidender Geschwindigkeitsvorteil für den potenziellen diagnostischen Einsatz – kann die Kamera 100 Rohbilder aufnehmen. Algorithmen sorgen dann für die Ausrichtung und Zusammenführung des Rohmaterials, um ein einziges, hochwertiges Bild auf dem Bildschirm zu erzeugen. Die Benutzeroberfläche verfügt über fünf Schaltflächen, die jeweils einem vordefinierten Bereich des Auges entsprechen und mit denen das gewünschte Bild ausgewählt werden kann. Die Benutzenden können auch auf eine beliebige Stelle im Diagramm des Augenhintergrunds klicken, um genau den Bereich auszuwählen, den sie abbilden möchten.
Der Prototyp des Geräts mit dem Namen Cellularis wurde im Rahmen des EIT Health ASSESS-Projekts der Europäischen Union in Zusammenarbeit mit dem Forschungsteam von Francine Behar-Cohen am Nationalen Institut für Gesundheit und medizinische Forschung (INSERM) in Paris und dem klinischen Forschungszentrum des Jules-Gonin-Augenkrankenhauses in Lausanne entwickelt. Die Kamera wurde dann in einer klinischen Studie unter der Leitung von Irmela Mantel, einer ärztlichen Mitarbeiterin der medizinischen Netzhautabteilung des Jules-Gonin-Augenkrankenhauses, untersucht, um die Fähigkeit des Geräts zu bewerten, klare RPE-Bilder bei 29 gesunden Freiwilligen zu erzeugen. In jedem Fall waren die von der Kamera erzeugten Bilder präzise genug, um die morphologischen Merkmale der RPE-Zellen der Teilnehmenden zu quantifizieren. «Die Morphologie dieser Zellen, die eine wesentliche Rolle für die Funktion der Netzhaut spielen, ist ein wichtiger Indikator für ihre Gesundheit», erklärt Laura Kowalczuk, Ärztin am Jules-Gonin Eye Hospital, Wissenschaftlerin an der EPFL und Hauptautorin der Studie. «Die Fähigkeit, RPE-Zellen präzise zu erkennen und morphologische Veränderungen in ihnen zu beobachten, ist für die Früherkennung degenerativer Netzhauterkrankungen und die Überwachung der Wirksamkeit neuer Behandlungen von entscheidender Bedeutung.»
Cellularis, der Prototyp des Geräts mit dem man degenerative Augenkrankheiten feststellen kann © 2022 LAPD