Besondere Lernleistung
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Messung der okularen Rigidität an enukleierten Schweinsaugen Besondere Lernleistung im Fach Biologie Jugend forscht 2009 vorgelegt von Marcel Kitsche aus Strehla Werner-Heisenberg-Gymnasium Riesa Riesa / Dresden Januar 2009 2 Inhaltsverzeichnis Seite Einleitung 4 1 Grundlagen 5 1.1 Das Auge – Allgemeines 5 1.1.1 Der Aufbau des menschlichen Auges 5 1.1.2 Schichtung des Auges 6 1.1.2.1 Die äußere Augenhaut 6 1.1.2.1.1 Die Hornhaut 6 1.1.2.1.2 Die Lederhaut 7 1.1.2.2 Die mittlere Augenhaut 8 1.1.2.3 Die innere Augenhaut 9 1.2 Die Rigidität 9 1.2.1 Geschichtliche Entwicklung der Messung und Berechnung der Rigidität 10 1.2.2 Nutzen der Rigiditätsbestimmung 13 2 Material und Methode - Untersuchungen an Schweineaugen 14 2.1 Versuchsaufbau 14 2.2 Vorüberlegungen und Voruntersuchungen 16 2.3 Funktionsweise – Beschreibung am nicht präparierten Auge 16 2.4 Das Kollagen 17 3 Ergebnisse 19 3.1 Unbehandelte Kontrollaugen 19 3.2 Verfestigung des Augengewebes 20 3.2.1 Durch Nitroethanol 20 3.2.2 Durch UVA/Riboflavin 21 3.2.3 Durch Formaldehyd 23 3.2.3.1 Obere äquatoriale Hälfte 23 3.2.3.2 Vollständiges Auge 24 3.3 Reduktion der Festigkeit des Augengewebes durch Salzsäure und 25 Kollagenase 4 Diskussion 26 5 Zusammenfassung 27 3 6 Danksagung 28 7 Selbstständigkeitserklärung 29 8 Quellenverzeichnis 30 9 Literaturverzeichnis 35 10 Anlagenverzeichnis 37 4 Einleitung Die Behandlungsmethoden in der Augenheilkunde gegen das Glaukom, die altersbedingte Makuladegeneration oder die Festigkeitszunahme der Augenhülle im Alter sind noch lange nicht ausgereift. Es wird ständig versucht, die derzeitigen Therapien, bestehend aus Medikamenten und / oder Lasereinsatz, durch bessere Verfahren zu ersetzen. Eine Festigkeitszunahme der Augenhülle im Alter reduziert auch die Durchblutung im Auge. Bisher liegen dazu aber keine exakten Daten für das menschliche Auge vor. Es gibt Überlegungen, die biomechanische Festigkeit des Augapfelgewebes mit Hilfe von chemischen oder physikalischen Mitteln zu verändern. Dafür könnte man das Gewebe verfestigen, um eine übermäßige Dehnung zu stoppen, z.B. bei Kurzsichtigkeit, oder es aufweichen, um die Dehnbarkeit zu erhöhen, damit starke Druckschwankungen wie z.B. beim Glaukom, besser gedämpft werden können. Die Steifigkeit der Augenhülle wird auch als okulare Rigidität bezeichnet. An der Augenklinik Dresden beschäftigt man sich schon seit mehreren Jahren mit der Biomechanik des Auges. Als neuer Schwerpunkt soll die okulare Rigidität untersucht werden. Mein Ziel ist es, ein Messverfahren für die Bestimmung der okularen Rigidität aufzubauen, dieses bei enukleierten Schweineaugen zu überprüfen und die Wirkung von ausgewählten chemischen Substanzen auf die okulare Rigidität mit diesem Messverfahren nachzuweisen. Diese Erkenntnisse können einen Beitrag zur Diagnostik bzw. in der Therapie beim Menschen leisten. 5 1 Grundlagen 1.1 Das Auge – Allgemeines 1.1.1 Der Aufbau des menschlichen Auges Der kugelförmige Augapfel des Menschen liegt geschützt in der Augenhöhle. (Abbildung 1) Die Augenhülle umschließt die mit Kammerwasser gefüllte vordere und hintere Augenkammer sowie den Glaskörper. Dieser füllt zwei Drittel des Augapfels mit einer geleeartigen Masse aus und ist mitverantwortlich für den Erhalt der Form des Auges. Durch seine Transparenz, die durch seinen 98,5%igen Wasseranteil gegeben wird, ermöglicht er eine gute optische Abbildung. 19) Die Beweglichkeit des Auges wird durch sechs Augenmuskeln gewährleistet. Gebildet wird der Augapfel von der Lederhaut, der Aderhaut sowie der Netzhaut. Bei dieser „zwiebelschalenartigen Auskleidung“ ist die Lederhaut die äußerste Schicht. Auf der Lederhaut, Richtung Augenzentrum, befindet sich die gut durchblutete Aderhaut. Auf ihr liegt zum Abschluss die Netzhaut, welche die einfallenden Lichtreize aufnimmt und diese Erregungen über den Sehnerv zum Gehirn weiterleitet. Die vordere Augenkammer wird im hinteren Teil durch die ringförmige Regenbogenhaut, auch Iris genannt, begrenzt. Sie liegt am Übergang von der Hornhaut zur Sklera und enthält Pigmente, welche für die charakteristische Augenfärbung verantwortlich sind. Die Iris umgrenzt weiterhin die Pupille, die Sehöffnung des Auges. 39) Der Durchmesser des Auges beträgt bei einem Erwachsenen ca. 2,3 cm und bei einem Kind etwa 1,7 cm. Der aus eine Million Fasern bestehende Sehnerv ist ungefähr 1 mm dick. Insgesamt befinden sich 147.000 Zapfen pro Quadratmillimeter am Ort des schärfsten Sehens, dem „gelben Fleck“, auf der Netzhaut. Die Lederhaut ist ca. 0,3 – 1,35 mm dick; die Hornhaut hingegen etwa 0,5 – 0,6 mm. Diese Angaben schwanken von Mensch zu Mensch in einem gewissen Bereich, der sich nicht im negativen Sinne auf das Sehen auswirkt. 3) 6 1.1.2 Schichtung des Auges Nach der Betrachtung des groben Aufbaus des Auges lässt sich eine Differenzierung in drei Schichten vornehmen – die äußere, die mittlere und die innere Augenhaut. 1.1.2.1 Die äußere Augenhaut Die äußere Augenhaut besteht aus der Lederhaut, auch Sklera genannt, sowie aus der Hornhaut, die auch als Cornea bezeichnet wird. 40) Die Lederhaut umschließt den gesamten Augapfel bis auf den vorderen Bereich als formende und schützende Hülle. Im Sehnervbereich geht sie in die Lamina cribrosa über. Der sichtbare, vordere Lederhautabschnitt wird von der Bindehaut bis über den Hornhautrand überlagert und geschützt. 41) 1.1.2.1.1 Die Hornhaut Die Hornhaut wird auch als „[…] kristallklare[s] Fenster vorne am Auge [bezeichnet], durch das man die farbige Iris und die schwarze Pupille sieht.“ 1) Sie hat im Wesentlichen 3 Eigenschaften, mit denen sie ihre Hauptaufgaben erfüllen kann. Sie ist zum einen durchsichtig. Das ist dahingehend wichtig, da Lichtstrahlen ein unbehinderter Zugang in das Auge und zur Netzhaut gewährleistet werden muss. Dadurch ist das Sehen möglich. Des Weiteren ist die Hornhaut gewölbt. Dies ergibt, zusammen mit der Augenlinse, die notwendige Brechkraft, die gebraucht wird, um das Bild der Außenwelt scharf auf unserer Netzhaut abzubilden. Die Brechkraft der Hornhaut, die durch das dahinter befindliche Kammerwasser gegeben wird, beträgt +43 Dioptrien. 2) Die dritte wichtige Eigenschaft der Hornhaut besteht in ihrer Festigkeit. Denn sie ist der durchgehende Bestandteil der umgebenden, schützenden und formerhaltenden Hülle des Augapfels. 7 Die Hornhaut ist horizontal elliptisch und hat einen Durchmesser von 11,7 mm sowie 10,6 mm. Eine sphärische Wölbung erklärt den Dickenunterschied von 0,52 mm im Zentrum sowie 0,67 mm am Rand. 76) Eine weitere Eigenschaft der Cornea ist, dass sie nicht vaskularisiert ist. Das heißt, sie hat keine Blutgefäße. Diese würden einfallendes Licht streuen und ein klares Bild unmöglich machen. Aber die Hornhaut ist berührungsempfindlich machen. 14) mit Nervenfasern durchzogen, die sie sehr Diese sensiblen Nervenäste heißen „Nervus ophthalmicus“. 77) Die Schichtung der Hornhaut Die Cornea setzt sich aus fünf Schichten, die in der Abbildung 2 gekennzeichnet sind, zusammen. 78) 1.1.2.1.2 Die Lederhaut Die Lederhaut wird auch als Sklera bezeichnet und ist hauptsächlich für die Stabilisierung des Augapfels verantwortlich. menschlichen Körpers 6) 20) Sie ist eine Sehnenhaut und damit die festeste Haut des und schließt den Glaskörper ein. 21) Die „rundliche“ Form bekommt sie durch den Augeninnendruck 72), der ca. 15 mmHg beträgt. 48) Die Sklerastärke schwankt zwischen 0,3 mm am hinteren Augenmuskelansatz und 1,3 mm am hinteren Pol. 90) Die Sklera reicht von der Hornhaut im vorderen Augenbereich bis zum Sehnerv, der der Hornhaut gegenüber liegt. Blutgefäße befinden sich nur nahe der Hornhaut, der Ansatzstellen der Augenmuskeln sowie des Sehnervs. Ansonsten ist die Lederhaut kaum durchblutet und ihr Gewebe enthält keine Kapillaren. Dies nennt man bradytroph. Des Weiteren besitzt sie mehrere kleine Öffnungen, die sich am Sehnerv, den Ziliarnerven 8 sowie den Blutgefäßen befinden. Die Abflussstelle für das Kammerwasser ist der Schlemmsche Kanal. 73) Die Stärke der Lederhaut ist von der Größe des Augapfels abhängig. Bei kleinen Augäpfeln ist die Lederhaut sehr fest und dicker als bei größeren Augäpfeln, bei denen sie dünner ist. 74) Durch ihre weißliche Farbe wird die Lederhaut auch als „weiße Augenhaut“ bezeichnet. Umschlossen wir sie von einer elastischen Membran, der Tenon-Kapsel. Aufgebaut ist sie aus einem stabilen Gewebe mit kräftigen kollagenen und elastischen Fasern 89), die in einer gekreuzten Schichtung vorliegen. 91) 1.1.2.2 Die mittlere Augenhaut Die mittlere Augenhaut besteht aus dem Ziliarkörper, der Regenbogenhaut sowie der Aderhaut, die auch als Chorioidea bezeichnet wird. 42) Die Aderhaut ist eine schwarzbraun pigmentierte Haut, die der Sklera auf der Innenseite anliegt. Sie enthält viele Blutgefäße, die die Netzhaut versorgen. Die eingelagerten Pigmente bewirken den Effekt einer „Wand einer Dunkelkammer“. Diese „Wand“ verhindert, dass Lichtstrahlen außerhalb der Pupillenöffnung in den Augapfel einfallen können. Die eindringenden Lichtstrahlen werden, nachdem sie die Sinnesrezeptoren der Retina, so wird die Netzhaut auch bezeichnet, erreicht haben, absorbiert. Dadurch werden Lichtreflexionen innerhalb des Augapfels verhindert. 43) Im vorderen Bereich des Auges geht die Chorioidea in den Ziliarkörper über. Er besteht aus Bindegewebsfortsätzen, dessen Fasern die Augenlinse im Zentrum des Strahlenverlaufs aufhängen und aus ringförmigen Ziliarmuskeln. 44) 9 1.1.2.3 Die innere Augenhaut Die innere Augenhaut besteht aus der Netzhaut mit den dazugehörigen Sinnesrezeptoren und dem Pigmentepithel. 45) Das Pigmentepithel hat in etwa die gleiche Funktion wie die Aderhaut der mittleren Augenhaut. Es hat einen hohen Gehalt an Melanin, einem braunen Farbstoff und kann somit die durch die Netzhaut hindurch kommenden Lichtstrahlen absorbieren. Dadurch werden wiederum Lichtreflexionen innerhalb des Augapfels vermieden. 46) Die Retina setzt sich aus Zapfen, die für ein hochauflösendes Farbsehen am Tag sowie für exakte Abbildungen und Stäbchen, welche für das Dämmerungssehen verantwortlich sind, zusammen. Der Ort des schärfsten Sehens wird als „gelber Fleck“ oder Makula und der Ort, der frei von lichtempfindlichen Zellen ist sowie die Austrittstelle des Sehnervs darstellt, als „blinder Fleck“ bezeichnet. 47) Somit kann man weiterhin konstatieren, dass die Netzhaut das visuelle Signal verarbeitet, bevor es von den Ganglienzellen an das Gehirn weitergeleitet wird. 15) 1.2 Die Rigidität Die okulare Rigidität kann als biomechanischer Parameter umschrieben werden, der die Steifigkeit des gesamten Auges ausdrückt. Sie hängt von der Beschaffenheit der Cornea, der Sklera und anderen Komponenten der äußeren Hülle des Auges ab. Des Weiteren hat sie einen Einfluss auf die durch Druckveränderungen hervorgerufene Widerstandsfähigkeit. (Ebneter 2007) 8) Diese treten z.B. beim Lagewechsel, einem Augenreiben, dem Lidkneifen (bis 90 mmHg) sowie dem Zwinkern (10 mmHg) auf. (Johnson 2007) 17) Es existieren bereits Unterschiede in den Rigiditätswerten im Vergleich von menschlichen Augen mit denselben, enukleierten Augen. Dabei ist die Rigidität bei enukleierten höher als in „lebenden“ Augen. Dieser Unterschied scheint von dem Blutfluss in der Aderhaut zu kommen. Daher ist es sinnvoll, in vivo Untersuchungen durchzuführen. (Ebneter 2007) 9) 10 Allgemein wurde festgestellt, dass die Rigidität indirekt proportional zum Augenvolumen ist, sich in kurzsichtigen Augen verringert und in weitsichtigen erhöht, sowie direkt proportional zum intraokularen Druck (IOD) ist, das heißt, sie ist bei einem hohem IOD größer, als in einem niedrigeren. (Ebneter 2007) 10) Eine Studie von Pallikaris zeigte, dass es einen Zusammenhang zwischen dem okularen Rigiditätskoeffizienten und dem Alter des Auges gibt. Fortführend weiß man, dass sich die Rigidität bei langjährigem Glaukom erhöht. (Ebneter 2007) 11) Purslow und Karwatowski bestätigten frühere Untersuchungen, die ergaben, dass die okulare Rigidität keine Konstante ist. Bei Katzen und Kaninchen stellten sie eine Zunahme der Steifigkeit des Auges bei steigendem Druck fest. (Purslow 1995) 52) 1.2.1 Geschichtliche Entwicklung der Messung und Berechnung der Rigidität Ende des 19. Jahrhunderts wurden erstmals Aussagen über Elastizität und Spannung der Augenhülle gemacht. Dabei kamen die Wissenschaftler Donders, Memorski und Berthold zu dem Ergebnis, dass die Sklera starr sein muss. Kurze Zeit später stellten Leber und Stellwag v. Carion eine gewisse Elastizität des Augapfels fest. 1877 gab es dann erste Veröffentlichungen durch Weber, dessen Ergebnisse jedoch uneinheitlich waren und keinen Bezug auf Größe und Art der Elastizität der Sklera ergaben, sondern lediglich konstatierten, dass eine gewisse Elastizität besteht. (Kruse 1960) 32) In den darauffolgenden Jahren befassten sich viele Persönlichkeiten mit dieser Problematik des Auges, um einen großen Fortschritt in der Augenheilkunde zu erreichen. So gelang es Schulten sowie seinen Kollegen Koster, Clark und Ridley, eine Abnahme der Elastizität bei Kaninchen mit intraokularer Drucksteigerung festzustellen. (Kruse 1960) 33) 11 Der Forscher Vogelsang sah zu einem späteren Zeitpunkt die Schwierigkeit, dass das Auge aus nicht einheitlichem Material besteht und somit physikalische Gesetze der Elastizität nicht ohne Weiteres anwendbar sind. Deshalb beschrieb Jonas Friedenwald den Rigiditätskoeffizienten 1937 als mathematische Größe für das physikalische Verhalten der Sklera. Er sollte mit der Formel, (Kruse 1960) 34) K …. Rigiditätskoeffizient Po …. intraokularer Druck vor Beginn der Messung Pt ….. Druck während der Messung mit aufgesetztem Tonometer Vc …. Volumenänderung die für tote Augen gilt, berechnet werden. (Ebneter 2007) 12) Weiterhin definierte er den Rigiditätskoeffizienten als eine zur Elastizität in einem umgekehrten Verhältnis stehende konstante Größe für das einzelne Auge. Als mittleren Rigiditätskoeffizienten gab er 0,0215 µl-1 an. Diese Konstante ist unabhängig von der Höhe des intraokularen Druckes und nur für ein Auge, nicht für beide Augen eines Individuums oder Augen derselben oder verschiedender Arten von Lebewesen bestimmt. (Kruse 1960) 35) Perkins und Gloster stellten jedoch eine Vergrößerung der Rigidität mit steigendem Druck bei Versuchen an Tieraugen fest. Ihnen gelang dieser Nachweis auch bei menschlichen Augen. In den darauffolgenden Jahren gab es weitere Experimente, die die vorangegangenen entweder unterstützten oder widerlegten. So beobachteten McBain, McDonald und Prijot ein Kleinerwerden des Koeffizienten bei einem intraokularen Druckanstieg. McBain ging sogar soweit, die Formel von Friedenwald zur Berechnung des Rigiditätskoeffizienten komplett abzulehnen. Er begründete dies damit, dass bei intraokularen Druckänderungen der Wert nicht konstant bleibt und sich die Rigidität vielmehr bei Druckschwankungen nach bestimmten Regeln verändert. 12 Macri beobachtete zwischen 15 und 30 mmHg eine Zunahme und in den darauf folgenden Druckbereichen eine Abnahme des Rigiditätskoeffizienten. Kronfeld versuchte die bisherigen verschiedenen Versuchsanordnungen zu Ergebnisse erklären. durch Des die unterschiedlich Weiteren stellte er angewendeten fest, dass die Rigiditätsänderung mit zunehmender Zeitspanne zwischen Enukleation und Messung besonders enorm ist. Grant und Trotter bestätigten dieses Forschungsergebnis jedoch nicht. Goldmann und Lavergne protokollierten eine deutliche Verringerung der Rigidität nach der einigen Augenoperationen physikalisch-chemischen und begründeten Eigenschaften dies der mit der Änderung Augenhülle oder Durchblutungsvariationen. (Kruse 1960) 36) Die Messung Friedenwalds erfolgte durch einen Schiötz-Tonometer, welcher in Abbildung 3 dargestellt ist. Durch andere Messmethoden erhielten andere Forscher natürlich auch andere Rigiditätswerte, die in Abbildung 4 deutlich werden. Ein anderes Modell als das von Friedenwald wurde von Silver beschrieben. Es befasste sich mit lebenden menschlichen Augen. Seine Formel bestand aus festgelegten Konstanten, die durch zahlreiche Versuche bestimmt wurden. (Ebneter 2007) 13) Die Experimente des 20. Jahrhunderts waren also sehr vielschichtig. Es gab viele medizinische und wissenschaftliche Fortschritte, wie z.B. die „Friedenwald-Formel“, die auch noch heutzutage Anerkennung findet. Die Messungen, die von mir durchgeführt wurden, erfolgten über die Injektion von kleinen Volumeneinheiten in die vordere Augenkammer und der Bestimmung des daraus resultierenden erhöhten inneren Druckes. Dies ist eine invasive, in den Körper eindringende, Methode. 13 Die Formel, die von mir zur Berechnung des Rigiditätskoeffizienten angewandt wurde, steht in Anlehnung zu der von Friedenwald. Andere Formeln, die auch die Veränderung des Druckes charakterisieren, sind zwar präziser, aber komplizierter in einer Klinik umzusetzen. (Pallikaris 2005) 50) Meine gewählte Formel lautet: 1.2.2 Nutzen der Rigiditätsbestimmung Das gesunde Auge hat eine bestimmte physiologische okulare Rigidität, um die optischen Abbildungseigenschaften stabil zu halten und auch die Druckschwankungen (IOD, Blutdruck) zu kompensieren. (Purslow 1995) 53) Dies geschieht mit Hilfe der elastisch verformbaren Sklera. In Folge dessen entwickeln sich erst gar keine hohen Druckspitzen und die Zeit der Einwirkung dieser auf das Auge wird stark reduziert. Personen mit einer relativ unelastischen Augenhülle können sehr hohe Druckwerte erzeugen, wenn sie Zwinkern oder ihre Augen reiben, da deren Augen den Druck nicht entsprechend dämpfen. (Johnson 2007) 18) Die Elastizität des Auges könnte man durch chemische oder pharmakologische Substanzen vorteilhaft beeinflussen, indem man krankhaft veränderte biomechanische Eigenschaften in den physiologischen Bereich zurückführt. Die physiologische okulare Rigidität ändert sich mit dem Alter und bei verschiedenen Erkrankungen. So nimmt die okulare Rigidität beim Glaukom und bei Diabetes zu, während sie bei Myopie verringert ist. Eine Verfestigung könnte bei Myopieerkrankten eine erhebliche Sehverschlechterung aufhalten. Die Sklera spielt auch eine entscheidende Rolle beim Verständnis der Wirkung des intraokularen Druckes auf den Sehnerv. Je höher der IOD ist, desto größer ist die Wahrscheinlichkeit für die Verletzung des Sehnervkopfes. (Burgoyne, 2005; Sigal, 2004, 2005) 5, 60, 61) 14 2 Material und Methode - Untersuchungen an Schweineaugen 2.1 Versuchsaufbau Um einen geeigneten Versuchsaufbau zur Messung der okularen Rigidität an Schweinsaugen zu finden, waren einige Voruntersuchungen und Recherchen zur Messmethode und den Messinstrumenten notwendig. Nach zahlreichen Überlegungen ergab sich ein Versuchsaufbau, der in Abbildung 5 dargestellt ist. Als „Dreh- und Angelpunkte” in diesem Versuchsaufbau kann man die beiden dreigliedrigen Ventile bezeichnen. Das Ventil I verbindet eine Wassersäule zum Einstellen des Druckniveaus sowie die Insulinpumpe mit dem Ventil II. Dieses ist direkt an ein Druckmessgerät sowie an ein Auge angeschlossen. (Abbildung 6) Nachdem das Druckmessgerät geeicht, das heißt, auf den Atmosphärendruck eingestellt wurde, musste der „Motor“ dieses Versuchsaufbaus, die Insulinpumpe, in Betrieb genommen werden. Als erstes muss man dafür die Batterien in die Insulinpumpe (Abbildung 7) einsetzen, eine Ampulle füllen und einsetzen, sowie zweimal die Tastenkombination aus „h“ und „m“ drücken, um in den STOP-Zustand der Pumpe zu gelangen. Um die eingesetzte Ampulle zu initialisieren, muss man „S“ zweimal drücken, damit die gewünschte Funktion angesteuert wird. Daraufhin erscheint dann ein Pfeil auf der linken Seite des Bedienfeldes der Ampulle auf der Funktion „Ampulle initialisieren“. Nun müssen „h“ und „m“ erneut betätigt werden. Jetzt wird die Ampulle initialisiert und es erscheinen die Ziffern von „0“ bis „9“ auf dem Display sowie ein langer Piepton als Initialisierungsbestätigung. Als nächstes muss der Katheter der Insulinpumpe gefüllt werden. Hierzu betätigt man im STOP-Zustand einmal den Knopf „S“, um die Funktion „Katheter füllen“ anzusteuern. 15 Daraufhin müssen die Knöpfe „h“ und „m“ und zusätzlich der Knopf „S“ gedrückt werden. Die Pumpe gibt nun Flüssigkeit zum Füllen des Katheters aus der gefüllten Ampulle ab. Zum Stoppen des Katheterfüllens muss erneut „h“ gedrückt werden. Um nun das eigentliche Ziel, die Bolus-Abgabe der Insulinpumpe, zu erreichen, muss man sie in den RUN-Zustand versetzen. Ist dies geschehen, reicht die einmalige Betätigung des Knopfes „h“, um drei Pieptöne als Bestätigung zu hören. Der Navigationspfeil auf dem Display springt nun auf die rechte untere Seite zum „Bolus“-Bereich. Hier kann eingestellt werden, wie viel der in der Ampulle befindlichen Flüssigkeit abgegeben werden soll. Die einmalige Betätigung des Knopfes „h“ bewirkt hierbei eine Bolus-Abgabe von 0,5 Einheiten. Jeder weitere Knopfdruck zur Abgabenerhöhung wird als Piepton nach 6 Sekunden bestätigt. Die endgültige Flüssigkeitsabgabe in das System, mit dem die Insulinpumpe verbunden ist, erfolgt nach zehn Sekunden. Dabei entsprechen 0,5 Einheiten 12,5 µl abgegebener Flüssigkeitsmenge. Dies wurde mit Hilfe einer Feinmesswaage im Institut für Anatomie der TU Dresden nachgemessen. Bevor Flüssigkeit in das Auge gepumpt werden kann, muss der Ausgangsdruck im System eingestellt werden. Dies geschieht an einer Wassersäule. (Abbildung 8) Eine Laserwasserwaage sorgt dafür, dass der Ausgangsdruck von 0 mmHg genau auf der Ebene des Arbeitstisches erreicht wird. Druckveränderungen sind durch das Bewegen einer Ampulle im vertikalen Bereich möglich. Diese Ampulle ist mit Wasser gefüllt und mit dem restlichen System verbunden. Des Weiteren lassen sich durch die beiden im Versuchsaufbau eingebauten Ventile Druckentlastungen vornehmen. Sobald alle Messanlagen über Schläuche miteinander verbunden wurden, kann das System mit Wasser gefüllt werden. Dabei ist es wichtig darauf zu achten, dass keine Luftblasen im System sind, da diese sonst auf Grund ihrer Verdichtung das Messergebnis verfälschen würden. Das Druckmessgerät ist mit Hilfe eines Sensors mit dem Messsystem verbunden. (Abbildung 9) 16 2.2 Vorüberlegungen und Voruntersuchungen Da in den folgenden Experimenten mit Drücken gearbeitet wird, ist es wichtig zu überprüfen, ob der Versuchsaufbau eine eigene Rigidität hat. Je starrer das System ist, desto besser lassen sich die Ergebnisse für Auswertungen verwenden. Die Rigidität des Systems ist mit 0,3659 µl-1 ca. 17-mal höher als der von Friedenwald berechnete Rigiditätswert. (Kruse 1960) 37) Dies ist in Abbildung 10 dargestellt. Das System ist also sehr starr. Bei der Bestimmung der Rigidität des Auges kann dieser Faktor vernachlässigt werden. Wenn man nun eine Flüssigkeit in das System gibt und alle Ventile schließt, kann es nur einen Weg für die entstehenden Drücke geben – das Auge. Aus dem resultierenden Druckanstieg lässt sich die Rigidität des Auges ableiten. 2.3 Funktionsweise – Beschreibung am nicht präparierten Auge Die Schweinsaugen, die zum Experimentieren verwendet wurden, stammen alle aus einem Schlachthof. Die sechs Monate alten Schweine waren schon tot, als ihnen die Augen entfernt wurden. Diese Augen werden normalerweise entsorgt, wenn sie nicht für experimentelle Zwecke verwendet werden. Je älter die Schweine sind, desto fester sind ihre Augen. 16) Bevor genaue Werte aus der Experimentieranordnung entnommen wurden, wurde ein Probeauge in das System integriert, um zu überprüfen, ob ein Druckanstieg im Auge bei einem Flüssigkeitseintrag zu verzeichnen ist. Dies war der Fall. Es wurden bei einem Ausgangsdruck von 20 mmHg 50 µl in das System gegeben. Der resultierende Enddruck betrug 29 mmHg. Damit funktioniert das System. Um korrekte Ergebnisse zu erhalten, müssen die zwei vorhandenen Ventile im richtigen Moment geöffnet und geschlossen werden. Die Abbildung 11 zeigt den Ventilstand, nachdem Wasser von der Insulinpumpe in das System gepumpt wurde. Der Druck nimmt 17 nun im System zu. Das Wasser kann nur in das Auge strömen, da das blaue Ventil, welches ebenfalls in Abbildung 11 dargestellt ist, eine Rückströmung zu der Wassersäule verhindert. Das weiße Ventil erlaubt im Gegensatz dazu eine Flüssigkeitswanderung von der Insulinpumpe zum Druckmessgerät bzw. zum Auge. 2.4 Das Kollagen Kollagen ist ein Protein, welches in Haut, Knochen, Lungen, Gefäßwänden und Sehnen sowie als strukturbildendes Material in geringen Mengen in allen Organen vorkommt. Kollagene, Molekülaggregate, werden von den fünf häufigsten Peptidketten, mit jeweils unterschiedlichen chemischen und strukturellen Merkmalen, gebildet. (Schreiber 2002) 55) Die Polypeptidketten werden durch die Ribosomen des rauen endoplasmatischen Retikulums synthetisiert. 83) Kollagen Typ I ist das dominierende Kollagen der Hornhaut. Es besitzt eine Zug- und Druckfestigkeit. Es ist jedoch unelastisch. In der menschlichen Hornhaut sind bisher acht verschiedene Kollagentypen bekannt. (Schreiber 2002) 56) Der Gesamtanteil an Kollagen am Trockengewicht der Hornhaut beträgt 75%. Ein Fünftel aller Aminosäuren im Kollagen sind Hydroxyprolin und Prolin; (Schreiber 2002) 57) jede dritte Aminosäure ist Glycin. (Abbildung 12) Diese ist auch die kleinste Aminosäure und passt damit sehr gut in die Tripelhelix mit dessen engen Windungen. Prolin bildet eine starre Ringstruktur aus und dient daher als „Ecke“ in der Polypeptidkette. Diese Aminosäure unterstützt ebenfalls die Herausbildung von engen Windungen innerhalb der Tripelhelix. Hydroxyprolin dient in dieser Konstellation als Stabilisator zwischen benachbarten Polypeptidketten. 84) In der Sekundärstruktur des Kollagens sind drei helikale Peptidketten rechtsgängig umeinander gewunden. (Abbildung 13) Eine Kollagenvernetzung erfolgt größtenteils über aldehydvermittelte kovalente Bindungen zwischen Lysin- und Hydroxylysinseitenketten unter enzymatischer Kontrolle. Dieses Enzym ist Lysyloxidase. Es katalysiert die Bildung von Lysin- und Hydroxylysinaldehyd. In Folge dieser starken Quervernetzung entsteht ein Netzwerk von Fibrille zu Fibrille. (Schreiber 2002) 58) Dies ist im unteren Teil der 18 Abbildung 14 ersichtlich. Des Weiteren bilden Disulfidbindungen zwischen den Peptidketten aus. zwischen Proteinen können auch, neben 85) sich Wasserstoffbrücken und (Abbildung 15) Quervernetzungen dem Enzym Lysyloxidase, durch nichtenzymatische Glykosylierung oder durch Aldehyde hervorgerufen werden. (Schreiber 2002) 59) 19 3 Ergebnisse 3.1 Unbehandelte Kontrollaugen In Abbildung 16 ist für die unbehandelten Kontrollaugen eine Rigiditätswertekurve bei drei verschiedenen Druckstufen zu sehen. Insgesamt sind in dieser Abbildung 16 die Werte von 12 Schweineaugen zusammengefasst wurden. Dabei wurde jedes einzelne Auge mit Hilfe der beschriebenen Versuchsanordnung experimentell untersucht. Als erstes wurde immer ein Ausgangsdruck von 15 mmHg eingestellt. Daraufhin wurden 50 µl Wasser durch die Insulinpumpe in die Vorderkammer des Auges injiziert. Eine Veranschaulichung dazu ist in Abbildung 17 ersichtlich. Das gleiche Verfahren wurde dann auch bei einem Startdruck von 25 bzw. 35 mmHg in diesem und den weiteren 11 Augen durchgeführt. In der Abbildung 16 sind die Rigiditätswerte abhängig von den eingestellten Druckstufen. Der Durchschnittsrigiditätswert der einzelnen Augen nimmt dabei stetig zu. Er steigert sich von 0,0100 µl-1 bei 15mmHg auf 0,0139 µl-1 bei 25 mmHg bis hin zu 0,0169 µl-1 bei der 35mmHg-Druckstufe. Die Balken, die an den drei Knotenpunkten nach oben und nach unten angetragen wurden sind, beschreiben die Standardabweichungen. Bei der niedrigsten Druckstufe beträgt diese 0,0045 µl-1, bei der mittleren 0,0037 µl-1 und bei der höchsten 0,0026 µl-1. Damit ist ersichtlich, dass die Streuung der gemessenen Werte geringer wird. Nun kann man mit den experimentell ermittelten Werten auch eine statistische Auswertung vornehmen, um zu überprüfen, ob sich die jeweiligen Rigiditätsmittelwerte statistisch unterscheiden. Dazu gibt es den sogenannten t-Test. Beim Vergleich der Druckstufen bei 15 und 25 mmHg bei den „unbehandelten Kontrollaugen“ ergibt sich eine Wahrscheinlichkeit von 0,04%, dass die einzelnen Rigiditätswerte zufällig identisch sind. Diese geringe Wahrscheinlichkeit bedeutet einen statistisch signifikanten Unterschied der beiden Mittelwerte. Die Schweineaugen haben also auf der Vergleichsebene der beiden verschiedenen Druckstufen deutlich unterschiedliche Steifigkeitswerte. Der Unterschied der Rigiditätswerte beim Vergleich der Druckstufen 25 und 35 mmHg ist nicht mehr signifikant (p=0,4360). Dagegen unterscheiden sich die Werte bei den Druckstufen 15 und 20 35 mmHg noch deutlicher. Eine zufällige Übereinstimmung liegt hier nur bei 2,17% (p=0,0217). 3.2 Verfestigung des Augengewebes 3.2.1 Durch Nitroethanol Nitroethanol ist eine Flüssigkeit mit der Summenformel C2H5NO3. 38) Nitroethanol hat eine oxidierende Wirkung. In Folge dessen bilden sich weitere Bindungen im Kollagengewebe heraus. Dadurch wird ein Gewebe verfestigt und vernetzt. 87) Sechs Augen wurden zwei Tage lang in 0,1M 2-Nitroethanol-Lösung eingelegt. Nach der Bestimmung der Rigiditätswerte ergab sich eine Abhängigkeit bezüglich der Druckstufen, welche in Abbildung 18 dargestellt ist. Die Rigiditätsmittelwerte in der Reihenfolge der aufsteigenden Druckstufen betragen 0,0169 µl-1, 0,0179 µl-1 sowie 0,0187 µl-1. Damit nimmt auch hier die Rigidität mit steigenden Ausgangsdrücken zu. Die Standardabweichung bei diesen Mittelwerten ist in etwa konstant. Bei 15 mmHg beträgt sie 0,0044 µl-1, bei 25mmHg 0,0052 µl-1 und bei 35 mmHg 0,0041 µl-1. Bei diesen experimentell ermittelten Werten ergibt sich aber eine sehr große Übereinstimmung der einzelnen Messwerte im Vergleich zu den „unbehandelten Kontrollaugen“. Der t-Test ergab, dass bei der gepaarten Betrachtung der niedrigsten Druckstufe mit der mittleren eine 39,72%ige Wahrscheinlichkeit vorhanden ist, dass die Mittelwerte der Messwerte identisch sind. Sie unterscheiden sich also statistisch nicht. Diese Werteübereinstimmung fällt jedoch bei der Gegenüberstellung der anderen Druckstufen wieder ab. Bei der 25-35mmHg-Kombination liegt die Identitätswahrscheinlichkeit bei 28,43%. Bei den am weitesten voneinander entfernt liegenden Druckstufen beträgt der ermittelte Werte „nur“ noch 22,84%. Die Mittelwerte 21 unterscheiden sich also alle nicht voneinander. Je fester das Gewebe wird, z.B. durch Vernetzungen, desto weniger ändert sich der Rigiditätswert mit dem Druck. Die Werte sind aber schon bei geringen Druckwerten deutlich höher im Vergleich zu den Kontrollaugen. Dass Nitroethanol vernetzende Eigenschaften hat, wurde auch in einer Studie von Paik et al. 2008 nachgewiesen. Sie untersuchten allerdings noch weiter Alkohole auf ihre vernetzenden Eigenschaften gegenüber dem Kollagen. Dabei stießen sie zusätzlich noch auf eine Temperaturabhängigkeit der einzelnen untersuchten Substanzen. (Paik 2008) 49) 3.2.2 Durch UVA/Riboflavin Der Keratokonus ist eine meist beidseitig auftretende Hornhautdegeneration mit einer kegelförmigen Hervorwölbung der immer dünner werdenden Hornhaut. Diese Augenerkrankung tritt mit einer Häufigkeit von ca. 1:2000 auf. Beginnend in der Pubertät, schreitet sie in den darauffolgenden Lebensjahren fort. Die daraus resultierende irreguläre Hornhautverkrümmung (Abbildung 19), die nicht mehr mit einer Brille ausgeglichen werden kann, nimmt stetig zu. Durch speziell angepasste harte Kontaktlinsen kann der zunächst wachsende Astigmatismus ausgeglichen werden. 62) Es wird vermutet, dass bei dieser Erkrankung eine Störung zwischen den einzelnen Kollagenmolekülen vorliegt und somit der Grad der Vernetzungen im Auge stark verringert ist. 63) Dies äußert sich in einer geringen Stabilität des Auges. Des Weiteren wird diese krankhafte Hornhaut in einer Pepsinlösung doppelt so schnell abgebaut wie eine normale Hornhaut. (Spörl 2007) 67) Eine Behandlung mit Hilfe von Kollagenvernetzung und UVA-Bestrahlung (Abbildung 20) ist hierbei die effektivste Maßnahme zur Behebung der genannten Symptome. Mit dem Zusatz von Riboflavin, 64) dem Vitamin B2, 23) wird die UVA-Strahlung absorbiert. Des Weiteren dient es als Photosensibilisator zur Erzeugung von reaktiven Sauerstoffradikalen. Mit dieser Verbindung aus UVA-Licht und Riboflavin soll eine künstliche Erhöhung des Grades der Vernetzung im Hornhautstroma erzielt werden. (Spörl 2007) 65, 68) 22 Diese photooxidative Vernetzungsmethode, die wieder die normale mechanische Stabilität in der Hornhaut herstellen soll, benötigt nur eine kurze Therapiezeit, lässt die Transparenz der Hornhaut unverändert und ist einfach, sowie sicher handhabbar. 66) Bei meinen Experimenten haben die UVA-Strahlen auf jedes der fünf getesteten Augen 30 Minuten eingewirkt. In einem Intervall von fünf Minuten wurden darauf jeweils zwei bis drei Tropfen Riboflavin appliziert. Die aufgebaute Apparatur ist in Abbildung 21 dargestellt. Diese wiederholte Riboflavinzugabe verhindert die Austrocknung der Hornhaut durch das UVA-Licht und hält die notwendige Absorption in der Hornhaut aufrecht. (Spörl 2007) 69) Hervorgerufene Veränderungen sind jedoch nicht sofort sichtbar. Kollagenvernetzungen sind weder durch Färbemethoden noch durch mikroskopische Techniken nachweisbar. Sollte es aber chemische Veränderungen in der Kollagenstruktur gegeben haben, müsste sich dies in einer Rigiditätszunahme widerspiegeln. (Spörl 2007) 70) Die Rigiditätswerte dieser behandelten Augen liegen im Mittel alle über denen der unbehandelten Kontrollaugen. Bei der 15mmHg-Druckstufe liegt der Rigiditätsmittelwert bei 0,0200 µl-1 ± 0,0087 µl-1. Bei der nächst höheren bei 0,0245 µl-1 ± 0,0098 µl-1 und bei der größten Ausgangsdruckstufe von 35 mmHg bei 0,0266 µl-1 ± 0,0105 µl-1. Diese Daten sind in der Abbildung 22 aufgeführt. Beim Vergleich der Mittelwerte der okularen Rigidität bei den drei Druckstufen ergaben sich keine Unterschiede (t-Test, p=0,198). Allgemein lässt sich feststellen, dass bei diesem Vernetzungsverfahren die Steifigkeit des Auges eindeutig zunimmt. Dies ist auf eine Dickenzunahme zurückzuführen. und eine erhöhte Vernetzung innerhalb der Kollagenfasern 23 3.2.3 Durch Formaldehyd Formaldehyd gehört zu der Gruppe der Aldehyde und ist ein stechend riechender, farbloser Stoff. Seine Summenformel lautet HCHO. Er wird durch eine katalytische Oxidation aus Methanol dargestellt. Vernetzende 79) Des Weiteren ist dieser Stoff sehr reaktionsfreudig. Eigenschaften wurden ihm unter anderem in 22) Rattenzellen nachgewiesen. (Cox, 1980) 7) 3.2.3.1 Obere äquatoriale Hälfte Im klinischen Alltag ist es sinnvoll, den Patienten so wenig wie möglich zu belasten. Daher wäre es effizient, wenn man, anstatt den ganzen Augapfel zu vernetzen, nur einen Teil der Struktur verändern würde. Da Aldehyde eine vernetzende Wirkung bei Rattenzellen gezeigt haben, soll dieser Sachverhalt nun auch bei Schweineaugen nachgewiesen werden. Bei diesem Versuch wurde also nur der oberen äquatorialen Augenhälfte, der Hornhautseite, Formaldehyd zugeführt. (Abbildung 23) Während dieses Versuches gab es aber einige experimentelle Probleme. So ist der IOD nicht kontinuierlich nach dem Flüssigkeitseintrag durch die Insulinpumpe gestiegen, sondern schwankte. Erst stieg er. Dann fiel er wieder, um dann wieder kurz anzusteigen. Damit ist diese Methode zur Rigiditätsveränderung nicht sehr praktikabel. Demzufolge sieht die Digitalisierung der Messdaten auch anders, als bei den anderen Versuchsreihen, aus. Die Rigiditätsmittelwerte liegen zwar alle über denen der Kontrollaugen, fallen aber bei größer werdendem Ausgangsdruck ab. Aus diesen Ergebnissen ergibt sich die Abbildung 24. 24 Bei den fünf getesteten Augen bei 15 mmHg Ausgangsdruck liegt die okulare Rigidität bei 0,0325 µl-1. Die Standardabweichung ist hier extrem hoch. Sie beträgt 0,0245 µl-1. Das sind immerhin mehr als 75%. Die Werte der anderen beiden Druckstufen schwanken nicht so sehr. Bei 25 mmHg beträgt die Rigidität 0,0242 ± 0,0116 µl-1. In der höchsten Druckstufe liegen die Werte 0,0054 µl-1 um den Mittelwert von 0,0206 µl-1 verteilt. Eine Vernetzung der Kollagenstruktur hat aber auf jeden Fall stattgefunden. Statistisch sind die Mittelwerte dieser Versuchsreihe alle identisch. Bei 15-25mmHg liegt die Wahrscheinlichkeit für ähnliche Mittelwerte bei 24,06%. Beim 25-35mmHg-Vergleich liegt sie bei 27,90% und bei der 15-35mmHg-Kombination bei 23,82%. Statistisch unterscheiden sich diese Werte also nicht. 3.2.3.2 Vollständiges Auge Im Gegensatz zu den nur „halb“ vernetzten Schweineaugen mit Formaldehyd, ergaben sich bei der vollständigen Umgebung der Augen mit Formaldehyd bessere Werte. Die Rigiditätsmittelwerte sind bei steigendem Ausgangsdruck stetig gestiegen und in Abbildung 25 dargestellt wurden. Hier liegt die Steifigkeit der Schweineaugen bei 15 mmHg bei 0,0147 µl-1, steigert sich auf 0,0154 µl-1 bis hin zu 0,0183 µl-1. Alle diese gemessenen Augen ergaben sehr einheitliche Werte. Die Standardabweichung liegt bei 0,0023 µl-1 bis 0,0035 µl-1. Der t-Test bei den sieben untersuchten Augen ist hier sehr unterschiedlich ausgefallen. Während die Wahrscheinlichkeit für eine Übereinstimmung der Rigiditätsmittelwerte bei 15-25 mmHg 24,94% beträgt, unterscheiden sich die Werte bei den anderen beiden Druckstufenkombinationen signifikant. Bei 25-35 mmHg liegt die Wahrscheinlichkeit bei 0,25% und bei den am weitesten auseinander liegenden Ausgangsdrücken bei 1,19%. Eine Veränderung der Rigidität bei unterschiedlichen Ausgangsdrücken ist hier also sehr deutlich. 25 3.3 Reduktion der Festigkeit des Augengewebes durch Salzsäure und Kollagenase Doch nicht nur Verfestigungen der Augenhülle sind in der Augenheilkunde von Bedeutung. Auch das Erforschen der Reduktion der Festigkeit des Kollagens könnte in der Medizin einen großen Fortschritt bedeuten. Hierfür stehen wieder mehrere biochemische und biophysikalische Methoden zur Verfügung. Eine davon ist Kollagenase. Es ist ein Enzym, welches die Peptidbindung zwischen Prolin und weiteren Aminosäuren spalten kann. Deshalb ist es geeignet, bei kollagenhaltigen Strukturen angewendet zu werden, da Kollagen unter anderem aus Prolin aufgebaut ist. 82) Dies ist keinesfalls ein unnatürlicher Prozess, da Kollagenasen unter anderem beim Abbau abgestorbenen Gewebes beteiligt sind. 71) Eine weitere Methode, die biomechanische Stabilität von kollagenhaltigen Geweben (Sklera, Hornhaut…) zu verringern, besteht darin, geringe Mengen an Salzsäure einzusetzen. Diese denaturiert Eiweiße, welche Makromoleküle aus Aminosäuren sind. Somit würde auch ein Teil des Kollagens denaturiert und zerstört werden. nimmt die Festigkeit der Augenhülle ab. 88) Dadurch 26 4 Diskussion Das Ziel der Arbeit war es, ein reproduzierbares Messverfahren für die okulare Rigidität an enukleierten Schweineaugen aufzubauen und es durch Modifizierung der Gewebeeigenschaften zu testen. Trotz des scheinbar einfachen Modellaufbaus ist dieses Ziel erreicht wurden. Alle diese gewonnenen Ergebnisse und Erkenntnisse können in einer weiteren Studie auch in der Diagnostik oder bei der Therapie beim Menschen eingesetzt werden. Doch die gewählten Bedingungen vernachlässigen einige Komponenten menschlicher Augen. Auch wenn die Schweineaugen einen ähnlichen Aufbau zu dem eines menschlichen Auges haben, so waren es dennoch keine lebenden Augen. Daraus resultiert, dass die Augen nicht durchblutet waren. Ein okularer Blutfluss fand also nicht statt. Dieser Parameter beeinflusst aber nachweislich die Rigidität. (Pallikaris 2005) 51) Denn die DruckVolumen-Beziehung ist eine Funktion mit zwei Komponenten. Zum einen die morphologische Betrachtungsweise und zum anderen die Betrachtung der Eigenschaft des Materials. Auf Grund des gewählten einfachen Modellaufbaus ergaben sich einige Fehler während des Messens, die fast alle behoben werden konnten. So funktionierte die Messung nicht, wenn Luftblasen im System waren, die Batterie der Insulinpumpe zu schwach oder die eingesetzte Ampulle unpassend war. Des Weiteren gab es Fehlmessungen, wenn ein Ventil undicht oder die Druckverstärkung am Druckmessgerät falsch gewählt wurde. Um diese Sachverhalte und Fehlerquellen auszuschließen, wurde mehrmals die Rigidität getestet. Sobald das zu untersuchende Auge beschädigt war, gab es ebenfalls sehr unrealistische Messergebnisse. All diese genannten Faktoren führten zu einem verstärkt verzögerten Druckanstieg durch einen irregulären Flüssigkeitstransport bzw. durch eine Augapfelnachgabe. Das Erkennen, die Beseitigung bzw. Vermeidung dieser Fehler war ein wesentlicher Prozess in der Entwicklung dieser sicheren und reproduzierbaren Messmethode und spiegelt sich in einer „Gebrauchsanleitung“ wider. 27 5 Zusammenfassung Die aufgebaute Messmethode ist zur Bestimmung der Rigidität der Augenhülle geeignet, was anhand von Messungen an Kontrollaugen im Vergleich mit verschiedenen Vernetzungsverfahren behandelten Augen gezeigt werden konnte. In Abbildung 26 sind alle Rigiditätswertekurven vereint. Da die Rigiditätswerte der unbehandelten Kontrollaugen mit denen von Friedenwald übereinstimmen und alle anderen Kurven oberhalb dieser Kontrollkurve liegen, kann man schlussfolgern, dass mit zunehmendem Grad von Vernetzungen die Rigidität bei allen Druckstufen steigt. Damit ist es gelungen, die Steifigkeit in Schweineaugen mit Hilfe von verschiedenen Mitteln zu vergrößern. Dabei ergab die Kombination aus UVA-Licht und Riboflavin die größte Rigiditätserhöhung. Nitroethanol erbrachte ebenfalls eine „Kurvenanhebung“. Die Resultate der Anwendung von Formaldehyd ergaben, dass es nicht funktioniert, nur eine äquatoriale Hälfte des Auges zu verfestigen, sondern der ganze Augapfel präpariert werden muss, um sinnvolle Ergebnisse zu erhalten. Daraus resultierte der geringste Rigiditätswerteanstieg. Das strukturell veränderte Augengewebe reagierte aber unterschiedlich auf die eingesetzten Mittel. So zeigten die mit Formaldehyd behandelten Augen bei den drei Druckstufen die geringsten Unterschiede. Die Standardabweichung – also die Streuung der gemessenen Werte – ist hier am niedrigsten. Wenn also das Ziel bei einer Augenerkrankung vorwiegend darin besteht, die Steifigkeit geringfügig zu erhöhen, dann ist Formaldehyd am effektivsten. Möchte man jedoch eine stärkere Vernetzung erzielen, bietet sich die Anwendung von UVA-Licht und Riboflavin an. Hier muss man jedoch mit einer höheren Streuung der Rigiditätswerte bei verschiedenen Augen rechnen. Das Ziel dieser Arbeit war es, einen geeigneten Aufbau zur Messung der okularen Rigidität zu finden und diesen experimentell zu erproben. Dazu wurde die Rigidität der Augenhülle durch verschiedene biochemische oder physikalische Einflussfaktoren künstlich erhöht. Auf Grund von aufgetretenen Vernetzungen und mit Hilfe dieser Messmethode konnte in allen untersuchten Fällen eine Zunahme der okularen Rigidität nachgewiesen werden. 28 6 Danksagung Ich möchte mich an dieser Stelle bei meiner Betreuerin Anett Wilhelm und bei Prof. Dr.rer.nat. Eberhard Spörl bedanken, die mir bei all meinen Fragen und Problemen immer mit gutem Rat zur Seite gestanden haben. Ein ganz besonderer Dank gilt an dieser Stelle Herrn Prof. Spörl, der mich während meiner Experimente an der TU Dresden jederzeit unterstützt hat. 29 7 Selbstständigkeitserklärung Hiermit erkläre ich, dass ich die vorliegende Arbeit selbstständig und ohne fremde Hilfe verfasst und keine anderen Hilfsmittel als angegeben verwendet habe. Insbesondere versichere ich, dass ich alle wörtlichen und sinngemäßen Übernahmen aus anderen Werken als solche kenntlich gemacht und mit einer Quellenangabe im Quellenverzeichnis versehen habe. Ort: Datum: Unterschrift: 30 8 Quellenverzeichnis [1] Berndt, Christian : Warum die Hornhaut im Auge etwas ganz besonderes ist. 22.12.2008, http://www.optik-berndt.de/hornhaut.html [2] ebd. [3] Berndt, Christian: Aufbau des menschlichen Auges. 22.12.2008, http://www.optikberndt.de/auge_aufbau_anatomie.html [4] Berndt, Christian: Aufbau des menschlichen Auges. 22.12.2008, http://www.optikberndt.de/augenaufb.gif [5] Burgoyne, Claude: The optic nerve head as a biomechanical structure: A new paradigm for understanding the role of IOP-related stress and strain in the pathophysiology of glaucomatous optic nerve head damage. 2005, S. 39 – 73 [6] Cirilov, Marina: 22.12.2008, Aufbau des Auges. http://www.mcoptique.de/Auge____Sehen/Das_Auge/das_auge.html [7] Cox, R. W. / Grant, R. A. / Oliver, R. 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IOVS 2005, S. 409 – 414 Pallikaris, Ioannis G. / Kymionis, George D. / Ginis, Harilaos S. u.a.: Ocular Rigidity in Patients With Age-related Macular Degeneration. 2006, S.611 – 615 Purslow, Peter / Karwatowski, Wojciech: Ocular Elasticity: Is Engineering Stiffnes a More Useful Characterization Parameter than Ocular Rigidity?. 1995, S. 1686 – 1692 Schreiber, Jana: Verfestigung der Hornhaut durch UV-Strahlung unter Verwendung von Riboflavin oder durch Glutaraldehyd: Inauguraldissertation Dresden 2002, S. 4 – 6 Sigal, Ian: Factors influencing optic nerve head biomechanics. IOVS 2005, S. 4189 – 4199 Sigal, Ian: Finite element modeling of optic nerve head biomechanics. IOVS 2004, S. 4378 – 4387 Spörl, Eberhard: Biomechanik modifiziert, Tiefenstruktur unverändert. In: 20. Kongress der DOC in Nürnberg, 05/2007 Kongressausgabe 1, S. 24 Stenske, Sebastian Ragnar: Glaukom und kardiovaskuläre Risiken. Lüneburg 2006 37 10 Anlagenverzeichnis Abbildung 1: Darstellung des schematischen Aufbaus des menschlichen Auges 4) Abbildung 2: Darstellung des Schichtaufbaus der Cornea 79) Legende: 1 - Epithelschicht 2 - Bowman-Membran 3 - Stroma 4 - Descemet-Membran 5 – Endothelzellschicht 38 Abbildung 3: Darstellung des Schiötz-Tonometers 54) Abbildung 4: Darstellung des durchschnittlichen Rigiditätskoeffizienten, der von verschiedenen Autoren mit unterschiedlichen Messmethoden ermittelt wurde 37) 39 Abbildung 5: Darstellung des schematischen Versuchsaufbaus 95) Abbildung 6: Darstellung des Versuchsaufbaus 24) 40 Abbildung 7: Darstellung der Insulinpumpe 25) Abbildung 8: Darstellung der Wassersäule zum Einstellen des Druckniveaus 26) 41 Abbildung 9: Darstellung des Druckmessgeräts 27) Abbildung 10: Darstellung der Rigiditätswerte ohne Auge Volumenänderung Vc Druck (Start) Po Druck (Ende) Pt Rigidität Versuch Nr.1 12,5 µl 22 mmHg 117 mmHg 0,3455 µl-1 Versuch Nr.2 25,0 µl 18 mmHg 200 mmHg 0,4044 µl-1 Versuch Nr.3 37,5 µl 23 mmHg 323 mmHg 0,3478 µl-1 Durchschnittsrigidität = 0,3659 µl-1 42 Abbildung 11: Darstellung der Ventilanordnung 28) Abbildung 12: Darstellung des Typ-1-Kollagen 92) 43 Abbildung 13: Darstellung der Kollagen-Tripelhelix 85) Abbildung 14: Darstellung der Kollagenvernetzung 86) 44 Abbildung 15: Darstellung chemischer Bindungen 94) Abbildung 16: Darstellung der Rigiditätswerte für unbehandelte Kontrollaugen 45 Abbildung 17: Darstellung einer Spritze in einem Auge 29) Abbildung 18: Darstellung der Rigiditätswerte für mit Nitroethanol behandelte Schweineaugen 46 Abbildung 19: Darstellung des Keratokonus 81) Abbildung 20: Darstellung eines Patienten, der mit UVA-Licht behandelt wird 93) 47 Abbildung 21: Darstellung von zwei Schweineaugen, die mit UVA-Licht und Riboflavin behandelt werden 30) Abbildung 22: Darstellung der Rigiditätswerte für mit UVA – Licht und Riboflavin behandelte Schweineaugen 48 Abbildung 23: Darstellung von in Formaldehyd eingelegten Schweineaugen 31) Abbildung 24: Darstellung der Rigiditätswerte für die mit Formaldehyd behandelte obere Augenhälfte von Schweineaugen 49 Abbildung 25: Darstellung der Rigiditätswerte für die mit Formaldehyd vollständig behandelten Schweineaugen Abbildung 26: Darstellung der Rigiditätswerte für alle untersuchten Schweineaugen
