CN108778224A - 通过光凝固治疗和预防视网膜血管疾病 - Google Patents

Abstract

本发明涉及通过光凝固治疗或预防视网膜血管疾病的方法。更具体地，本发明涉及用于放置视网膜灼伤的改进技术，以防止视网膜组织(包括黄斑)中缺氧的发展和缺血的进展。该方法还可用于预防糖尿病患者、前驱糖尿病患者或其他患有缺血性视网膜血管疾病的患者或具有缺血性视网膜血管疾病风险的患者中的潜在缺血性组织损伤。

Description

通过光凝固治疗和预防视网膜血管疾病

技术领域

本发明涉及用于治疗或预防视网膜血管疾病和/或黄斑水肿的方法。更具体地，本发明涉及用于在视网膜周边和黄斑中进行视网膜灼伤以防止黄斑中缺氧的发展和由视网膜血管阻塞引起的缺血的进展的改进技术。该方法还可用于预防糖尿病患者、前驱糖尿病患者或其他患有缺血性视网膜血管疾病的患者的潜在缺血性组织损伤。

背景技术

视网膜血管疾病

视网膜血管疾病是一个重要且日益增长的全球性问题。最常见的视网膜血管疾病形式是由糖尿病引起的。众所周知，糖尿病的发病率正以惊人的速度增加。糖尿病性视网膜病变是I型和II型糖尿病中的重要问题。由糖尿病引起的高血糖导致许多并发症，并且糖尿病性视网膜病变是美国工作年龄人群视力受损或失明的主要原因。

糖尿病患者眼中的血管，特别是毛细血管易于阻塞，产生视网膜缺氧并改变各种因子和细胞因子的合成。细胞因子和其他因子的这些变化可引发不利的局部反馈循环，这增加了相邻毛细血管阻塞的可能性。

目前对这些疾病的治疗主要是全视网膜光凝固(PRP)。该治疗依赖于激光来破坏视网膜中的光感受器，其是主要的氧消耗者。通过PRP破坏眼睛的一些光感受器允许氧可用于较低水平的细胞因子，例如血管内皮生长因子(VEGF)。这种降低倾向于导致新血管形成的消退并降低视力丧失的风险。用于产生光感受器的局部损伤的其他方法是可获得的并且是已知的，但激光治疗是最常用的方法。该治疗在防止由于视网膜新血管形成的并发症引起的视网膜的进一步损伤方面有些效果，但也可引起并发症，例如周边视觉丧失和黄斑水肿增加。通常，这种治疗是通过在周边视网膜中随机散射大的激光灼伤或将激光灼伤网格应用于看起来具有渗漏血管的黄斑区域而进行的。

眼睛中糖尿病的并发症主要与汇合性毛细血管阻塞形式的毛细血管生理紊乱有关，所产生的视网膜缺血区域导致VEGF和其他生物因子的产生增加。升高的VEGF通过升高局部毛细血管粘附蛋白导致附近毛细血管中毛细血管阻塞的速率增加，并导致血管渗漏从而导致视网膜水肿，并且如果涉及足够的视网膜区域，则导致新血管形成。

导致单个毛细血管阻塞的基本病理过程被认为是活化的白细胞粘附至视网膜毛细血管内皮细胞并损伤视网膜毛细血管内皮细胞的结果，最终导致单个毛细血管的阻塞，可能是在损伤循环耗尽内皮复制之后。然而，临床上观察到的是视网膜缺血的大的汇合区域而不是随机的毛细血管阻塞。因此，单个毛细血管的阻塞可能取决于周围毛细血管的开放或阻塞。也就是说，存在非随机阻塞，使得阻塞以不利反馈循环的形式产生进一步的阻塞。随着毛细血管阻塞，局部视网膜组织变得缺血/缺氧，该组织释放一个或多个因子，其增加了附近毛细血管阻塞的可能性。

黄斑水肿

黄斑水肿是黄斑中液体的积聚，通常发生在糖尿病性视网膜病变中，这是美国工作年龄人群中度视力丧失的主要原因。黄斑水肿发生在当黄斑中的流体从渗漏的视网膜血管中异常渗漏和积聚时，并且通常出现在糖尿病性视网膜病变的情况下。众所周知，糖尿病的发病率正以惊人的速度增加。糖尿病性视网膜病变是I型和II型糖尿病中的重要问题。糖尿病引起的高血糖导致许多并发症。

黄斑水肿也可发生在眼科手术后，与年龄相关的黄斑变性相关，或者是影响眼睛的炎性疾病的结果。

目前，约40％的糖尿病性黄斑水肿患者接受激光治疗作为眼内注射的抗血管内皮生长因子(VEGF)药物治疗的辅助手段。降低VEGF水平倾向于减少血管渗漏并降低视力丧失的风险。目前用于黄斑水肿的激光治疗通常采用激光灼伤网格的形式，并且在很大程度上在没有任何指导原理的情况下应用。

发明内容

本发明描述了通过光凝固治疗或预防视网膜血管疾病(包括黄斑水肿)的方法。该方法还可用于预防糖尿病患者、前驱糖尿病患者或其他患有缺血性视网膜血管疾病的患者的潜在缺血性组织损伤。在本发明所述的一些实施方案中，所述方法可用于治疗缺血性视网膜血管疾病，或可预防或最小化受试者中视网膜缺血的发作或进展。在一些实施方案中，该方法包括在受试者的视网膜上产生间隔足够密以维持光凝固灼伤图案边界内的视网膜组织的氧合作用的小的光凝固灼伤图案。在一些实施方案中，光凝固灼伤的间隔在以下至少一种之间产生约140微米或更小的间隙：(a)光凝固灼伤图案的一对单个的光凝固灼伤；(b)光凝固灼伤图案的单个光凝固灼伤和小动脉或小静脉。在其他实施方案中，光凝固灼伤的间隔产生与另一个光凝固灼伤、小动脉或小静脉相距不超过约140微米的光凝固灼伤图案的单个光凝固灼伤。在其他实施方案中，本发明描述了用于放置黄斑灼伤的改进技术，以预防黄斑组织中缺氧的发展和缺血的进展。

在一些实施方案中，光凝固灼伤图案的单个光凝固灼伤具有长度为约50微米至约300微米且宽度为约20微米至约100微米的带状，其中所述带状的长度大于宽度。在其它实施方案中，光凝固灼伤图案的单个光凝固灼伤具有带状，其具有以下尺寸：长度为约300微米，宽度为约100微米，或长度为约52微米，宽度为约20微米。在一些实施方案中，光凝固灼伤图案的单个光凝固灼伤在视网膜的小动脉和小静脉之间大致中央的位置。

在其他实施方案中，光凝固灼伤图案的单个光凝固灼伤是圆形的，直径为约20微米至约100微米。在一些实施方案中，光凝固灼伤图案的单个光凝固灼伤是圆形的并且具有约60微米或约80微米的直径。在一些实施方案中，光凝固灼伤图案的单个光凝固灼伤大致位于视网膜的小动脉和小静脉之间的中央，或者大致相邻于小动脉或小静脉的位置。

在一些实施方案中，待治疗或预防的视网膜血管疾病是糖尿病性视网膜病变。在一些实施方案中，可以使用本发明描述的方法治疗具有患糖尿病性视网膜病变风险的受试者，从而预防糖尿病性视网膜病变的发作。

在一些实施方案中，产生光凝固灼伤图案的视网膜组织是缺血性视网膜组织，是非缺血性视网膜组织，或是缺血性和非缺血性视网膜组织的组合。在其他实施方案中，产生光凝固灼伤图案的视网膜组织是非缺血性视网膜组织，并且受试者具有发展视网膜血管疾病的风险。在其他实施方案中，所述方法对患有视网膜血管疾病的受试者进行。

在一些实施方案中，光凝固灼伤的图案由激光产生。在一些实施方案中，光凝固灼伤图案的产生是在手动控制下。在其他实施方案中，光凝固灼伤图案的产生是自动化的或在医学监督下进行计算机引导。

在其他实施方案中，在产生光凝固灼伤图案之前进行血管造影。在一些实施方案中，血管造影被用作光凝固灼伤图案定位在视网膜上位置的参考。

在一些实施方案中，用于在受试者中治疗或预防黄斑水肿，或治疗或预防视网膜缺血进展的方法包括将一个或多个光凝固灼伤应用于被预测在一个或多个区域处或附近的毛细血管或毛细血管段阻塞后会引起缺血进展的黄斑的一个或多个区域上。

在一些实施方案中，通过以下方法来识别被预测在一个或多个区域处或附近的毛细血管或毛细血管段的阻塞后会引起缺血进展的黄斑的一个或多个区域：对受试者的黄斑毛细血管解剖结构建模，为每个毛细血管或毛细血管段生成风险图，并选择由风险图预测的如果阻塞则引起缺血的进展的一个或多个毛细血管或毛细血管段。当在模拟后毛细血管或毛细血管段的风险图指示周围毛细血管的阻塞频率为约0.2或更大时，所述一个或多个毛细血管或毛细血管段可被选择。

在其他实施方案中，方法包括识别在一个或多个区域处或附近的毛细血管或毛细血管段阻塞后预测会引起缺血进展的受试者黄斑的一个或多个区域。该方法包括测定从受试者的黄斑毛细血管解剖结构的每个毛细血管或毛细血管段到下一个最近的毛细血管或毛细血管段的距离，并选择可受益于预测毛细血管阻塞的额外建模的一个或多个黄斑区域或单个毛细血管或毛细血管段。

在一些实施方案中，该方法包括确定受试者的黄斑毛细血管解剖结构。受试者的黄斑毛细血管解剖结构可以通过例如血管造影术、自适应光学扫描激光检眼镜检查或光学相干断层摄影术-血管造影术或其他未来成像技术来确定。

在一些实施方案中，一个或多个光凝固灼伤具有约20微米至约100微米的直径。在其他实施方案中，一个或多个光凝固灼伤具有约50的直径。光凝固灼伤可通过激光产生，所述激光可以手动施加、由计算机引导或完全自动化。

本发明的实施方案还提供了一种被配置为执行本发明描述的方法的系统。在一些实施方案中，该系统包括处理器和存储器，存储器包括具有包含在其中的计算机可执行指令的一个或多个计算机可读介质。当由处理器执行时，计算机可执行指令可以使处理器识别被预测在一个或多个区域处或附近毛细血管或毛细血管段阻塞后引起缺血进展的黄斑的一个或多个区域。处理器可以被配置为接收受试者的黄斑毛细血管解剖结构的输入。

附图说明

将附图并入说明书中并形成说明书的一部分，以说明本发明的若干实施例。附图简单地示出了如何制造和使用本发明的实施例，并且不应被解释为将本发明限制于所示出和描述的实施例。如下面参考的附图所示，通过以下对本发明的各个方面、实施方案和配置的更详细描述，其他特征和优点将变得显而易见。

图1A描绘了计算机分析的周边视网膜中的视网膜毛细血管网络、Mueller细胞和其他视网膜细胞的构型的2D视图。中心图片描绘了模型血管网络的流速图。右图描绘了建模部分的氧张力图。

图1B描绘了没有光凝固的初始毛细血管阻塞之后的给定时间点处的流速图。

图1C描绘了没有光凝固的初始毛细血管阻塞之后的给定时间点处的氧张力图。

图2A描绘了N＝2的模拟光凝固点图案。

图2B描绘了N＝4的模拟光凝固点图案。

图2C描绘了密度N＝2的带状图案的建模模拟中的缺血进展。

图2D描绘了密度N＝4的带状图案的建模模拟中的缺血进展。

图3A是箱线图，其表示在光凝固视网膜面积(灼伤面积)和视网膜缺血面积之间关系。缺血进展的面积高度依赖于点图案灼伤面积。

图3B是箱线图，其表示在点图案的密度和作为总受损视网膜量度的视网膜的激光治疗面积和最终缺血面积的总和之间的关系。

图3C是箱线图，其表示在光凝固视网膜面积(灼伤面积)和视网膜缺血面积之间关系。缺血进展的面积高度依赖于带状图案灼伤面积。

图3D是箱线图，其表示在带状图案的密度和作为总受损视网膜量度的视网膜的激光治疗面积和最终缺血面积的总和之间的关系。

图4A描绘了具有80微米的点的模拟光凝固点图案。

图4B描绘了具有60微米的点的模拟光凝固点图案。

图4C描绘了具有带状图案的建模模拟中的缺血进展，所述带状图案具有300微米长、60微米宽且密度为N＝4的带。

图4D描绘了具有带状图案的建模模拟中的缺血进展，所述带状图案具有100微米长、100微米宽和密度为N＝4的带。

图5A是箱线图，其表示在光凝固视网膜面积(灼伤面积)与缺血面积之间的关系。缺血进展的面积取决于点的尺寸。

图5B是箱线图，其表示在单个点的尺寸(密度N＝4)和视网膜的治疗面积和最终缺血面积的总和之间的关系，表明对于该密度的斑点，尺寸对缺血进展几乎没有影响。

图5C是箱线图，其表示在光凝固视网膜面积(灼伤面积)和缺血面积之间的关系。灼伤面积取决于带的宽度(长度保持不变)。对于位于动脉和静脉之间的中央的这些灼伤，无论宽度如何，几乎没有缺血进展。

图5D是箱线图，其表示在单个带的宽度(密度N＝4；长度保持恒定)和视网膜的治疗面积和最终缺血面积的总和之间的关系，表明如果灼伤位于中央则灼伤的尺寸不相关。

图5E是箱线图，其表示在光凝固视网膜面积(在恒定宽度的情况下，灼伤面积随着增加的长度而增加)和缺血面积之间的关系。对于这些在动脉和静脉之间中央放置的灼伤，每个长度的缺血进展几乎为零。

图5F是箱线图，其表示在单个带的长度(密度N＝4；宽度保持恒定)和视网膜的治疗面积和最终缺血面积的总和之间的关系。由于每个灼伤长度防止了缺血进展，因此在每个较长的带长度处整体视网膜损害增加。

图6表示由带状灼伤图案产生的视网膜氧分布的预测变化并将每个单个的灼伤作为氧源处理。灼伤的后果是消除视网膜缺血/缺氧，并因此局部增加VEGF等因子。

图7是由计算机呈现的根据本发明描述的实施方案的视网膜灼伤图案的表示。

图8描绘了黄斑毛细血管阻塞、缺血和过量VEGF表达的示例性模型模拟。材料和方法中描述的模型被用作所有模拟的基础。

图9描绘了灌注-氧合相图，其表示计算机模拟中毛细血管阻塞的进展的存在。

图10A描绘了建模风险图，其在30次重复计算机模拟中指示周围毛细血管阻塞的频率，其中由虚线指示的毛细血管段在时间0被阻塞。

图10B描绘了建模风险图，其在45次重复计算机模拟中指示周围毛细血管阻塞的频率，其中由虚线指示的毛细血管段在时间0被阻塞。

图11A-11B描绘了使用光凝固灼伤的风险图引导图案(图11A)或均匀网格图案(图11B)的模型治疗结果。描绘了灼伤图案(顶行)、氧图(中间行)和来自灼伤处理后的复制模拟的风险图(底行)。

图12描绘了来自自适应光学扫描激光眼科(AOSLO)图像的人类周围毛细血管网络的示例性模型抽象图和构造。该ASOLO图像中FAZ的直径约为500微米。比例尺为100微米。

图13描绘了氧和VEGF通量的示意图。彩色块代表模型对象：毛细血管块(CAP为红色)、流体部分(FP为青色)、Mueller细胞(MC为绿色)和其他视网膜细胞(OT为棕色)。箭头、三角形和正方形形式的标记用于表示建模的通量。

图14描绘了氧平流的传送带模型的示意图。该示意图显示了一个小的毛细血管网络，有五个段和两个接合。沿着血流方向，被标记为具有空心三角头的箭头的第一交叉点具有合并血流和第二分支血流。红色块是毛细血管段的CAP、构建块或结构元素(视觉上存在于模型配置中)。黄色块是CB，是平流的功能元素。

图15描绘了平流和扩散的顺序模拟的过程的实例的示意图。

图16描绘了材料和方法部分中描述的模型的工作流程。

图17A描绘了建模的病例1的毛细血管网络。

图17B描绘了建模的病例1的流速图。

图17C描绘了建模的病例1的氧张力图。

图17D描绘了建模的病例1的VEGF浓度图。

图18A-18D描绘了在第0周(图18A)、第72周(图18B)、第124周(图18C)和第152周(图18D)的建模的病例1的初始毛细血管阻塞之后的流速图案。

图19A-19D描绘了在第0周(图19A)、第72周(图19B)、第124周(图19C)和第152周(图19D)的建模的病例1的初始毛细血管阻塞之后的氧张力图案。

图20A-20D描绘了在第0周(图20A)、第72周(图20B)、第124周(图20C)和第152周(图20D)的建模的病例1的初始毛细血管阻塞之后的VEGF水平图案。

图21A-21D描绘了在0.5年(图21A)、第1年(图21B)、第2年(图21C)和第3年(图21D)结束时建模的病例1随时间的视网膜厚度。

图22A描绘了建模的病例1随时间推移的平均氧张力。

图22B描绘了对于建模的病例1，缺氧Mueller细胞部分随时间的生长。

图22C描绘了建模的病例1随时间推移的总体积流入速率。

图22D描绘了建模的病例1随时间推移的平均最小细胞-血管距离。

图23描绘了建模的病例1随时间推移的细胞氧分布。

图24A-24B描绘了建模的病例1的362次模拟的流-氧相图。

图25A描绘了建模的病例1初始阻塞部位的黄斑毛细血管网络的开放度图。颜色表示从初始阻塞3年的模拟时间后毛细血管段的开放频率。较暖的颜色对应于更不易阻塞或较高的毛细血管开放度。

图25B描绘了建模的病例2初始阻塞部位的黄斑毛细血管网络的开放度图。颜色表示自从初始阻塞在3年的模拟时间后毛细血管段的开放频率。较暖的颜色对应于更不易阻塞或较高的毛细血管开放度。

图26描绘了病例1和病例2模拟的边界条件。该图像指示所有边界节点处的血压和氧张力值。

图27描绘了在病例1模拟中参数对毛细血管网络开放度指数和视网膜厚度变化的影响。在重复模拟上运行在四个广泛变化的值(在图下方水平列出)处六个参数的变化(一次一个)(在图旁边垂直列出)。每个彩色块表示28次模拟的平均结果，其中某个参数相对于如CASE1中的参考参数集具有某一值变化。本发明建模中使用的CASE1参数集在图中表示为“×1”。

具体实施方式

用于治疗和预防视网膜血管疾病的图案化光凝固

一些方面涉及以足够紧密的间隔放置的视网膜光凝固灼伤的产生，其能够防止糖尿病性视网膜病变或其他视网膜血管疾病中视网膜缺血的现有或潜在区域的扩散。在一些实施方案中，可通过激光产生对缺血性或非缺血性视网膜的非常小的灼伤网格。小灼伤的网格可用于治疗现有的视网膜缺血和/或预防毛细血管阻塞的传播。不希望受任何特定理论的限制，治疗现有的视网膜缺血或预防毛细血管阻塞的传播可以是灼伤视网膜氧合改善的结果，从而防止由缺血驱动的VEGF升高，VEGF本身可起到驱动毛细血管阻塞传播的作用。

术语“光凝固”、“光凝固灼伤”和“灼伤”是指某种形式的光感受器视网膜层的破坏。可以使用各种激光实现光凝固，并且可以导致视网膜光感受器的破坏以将作为氧消耗者的它们消除，同时对上覆的视网膜组织或更深的脉络膜血管组织的破坏最小。然后，这些相同的区域允许氧从下面的脉络膜扩散，然后充当视网膜的氧源。

为了实现光凝固，可以在短时间内进行低功率激光传输，以使包括光感受器层和/或视网膜色素上皮在内的深视网膜层中吸收的能量向更浅表的上覆视网膜组织的扩散最小化。上覆的视网膜组织包含中间视网膜神经元、视网膜神经节细胞、神经胶质、神经纤维层和视网膜脉管系统。通过防止(preserve)或至少最小化对上覆视网膜组织的损伤，可以避免或最小化视野缺陷。高氧消耗性光感受器层的破坏改善了由来自脉络膜脉管系统的氧的扩散带来的上覆视网膜层和相邻视网膜组织的氧合作用。这种改善的氧合作用可以防止在上覆的视网膜组织中发生缺氧或逆转现有的视网膜缺氧。缺血性视网膜组织可以产生各种因子，包括VEGF，其可以通过几种机制对眼组织的功能产生不利影响。局部升高的VEGF可促使毛细血管闭合以及血管渗漏，从而产生视网膜水肿。VEGF水平升高也是最严重的眼部糖尿病并发症的发展、视网膜和虹膜新血管形成的基础。

单个的光凝固灼伤导致产生氧合区域。光凝固灼伤可以通过激光产生以产生轻的、最小破坏性或亚阈值灼伤。灼伤的宽度可以通过光凝固区域的宽度来确定。激光灼伤可以是圆形的(“点”)，或者可以是线性的或近似线性的，并且在一些实施方案中，可以通过多个重叠的圆形灼伤形成连续灼伤。线性或近似线性灼伤可以是延长灼伤(“线”)，或相对短(“带”)。在多个重叠的圆形灼伤形成连续线性或近似线性灼伤(例如，带)的情况下，所得的线性或近似线性灼伤被称为“单个”灼伤。也就是说，“单个”不是指多个重叠圆形灼伤中的每个圆形灼伤，而是指所得到的带。值得注意的是，紧密间隔但不一定是连续的重叠的单个光凝固灼伤可以在两个足够小的单个灼伤之间具有间隙，使得介于之间的视网膜被氧合。术语“网格”是指各单个光凝固灼伤在两个维度上相当规则地彼此间隔，灼伤之间的距离足够小，使得介于之间的视网膜被氧合至阻止诱导VEGF和由视网膜缺氧产生的其他因素的合成升高并防止缺血的进展的水平。

在一些情况下，光凝固灼伤被产生为氧合视网膜的屏障，其阻断由局部VEGF或缺血性视网膜中的其他促缺血因子产生引起的进行性毛细血管闭合的扩散。在一些实施方案中，光凝固灼伤在现有缺血性视网膜斑块的边界处产生，或用于将非缺血性视网膜区域分成较小区域。在其他实施方案中，可以在具有完整毛细血管的视网膜区域上产生光凝固灼伤的网格，其中网格可以防止毛细血管闭合的传播。在一些实施方案中，可以在周边视网膜中产生光凝固灼伤。在周边使用中，灼伤可以保持周边视网膜功能并通过减少周边缺血的发展降低眼部玻璃体VEGF水平，并且在一些情况下减少或预防黄斑水肿。这可以减少非局部毛细血管阻塞的进展。在其他实施方案中，可以在眼后极产生光凝固灼伤，防止进行性毛细血管闭合。

在一些实施方案中，产生光凝固灼伤包括网格的程序可以是自动化的。虽然可以创建具有足够紧密间隔的灼伤的光凝固灼伤图案，包括手动的网格图案，但这将是耗时的。该过程可以通过计算机化的成像/激光传输系统自动化。在一些实施方案中，计算机化的成像/激光传输系统可以注册到眼底图像，然后以计算机辅助但医生引导的方式应用。目前，如果发现视盘的新血管形成或其他地方的新血管形成，则进行全视网膜光凝固。通常在没有荧光血管造影成像来指导视网膜的给定区域是否缺血的情况下将灼伤放置在大视网膜血管之间的视网膜中，而不是根据识别缺血性和非缺血性视网膜的所有区域的宽视野血管造影图来放置以确保对非缺血性视网膜的最小破坏。本发明的实施方案将轻的、最小破坏性或亚阈值灼伤以屏障或网格方式放置在视网膜上。在一些实施方案中，可以仅在具有开放性毛细血管的视网膜中产生灼伤。然而，在一些实施方案中，可不需要血管造影，因为本实施方案的灼伤对于缺血性视网膜是治疗性的，并且屏障和/或网格的产生将实现该技术的目标，即，即使在不参考血管造影的情况下进行仍能在仍然血管化的视网膜中防止缺血/缺氧的进展。

本发明中描述的实施方案提供了治疗进行性缺血性视网膜血管疾病的方法。在一些实施方案中，方法包括通过光凝固灼伤的边界从缺血性视网膜组织的区域分隔非缺血性视网膜组织的区域，从而产生氧合的视网膜屏障。在其他实施方案中，通过经由线性光凝固灼伤的图案在非缺血性视网膜内产生细分而发生分隔，从而产生氧合视网膜屏障。在其他实施方案中，所述方法包括在非缺血性视网膜组织、缺血性视网膜组织或非缺血性和缺血性视网膜组织的区域上产生光凝固灼伤的网格(参见例如图7)。一些实施方案提供了治疗缺血性视网膜血管疾病的方法，其中该方法可以包括进行视网膜的血管造影。血管造影可以帮助识别血管化和缺血性视网膜组织，并且可以帮助放置所描述的光凝固灼伤或灼伤图案(例如网格)。所述血管造影可以是宽视野血管造影。

在一些实施方案中，可以通过产生灼伤图案(例如网格)以预防方式应用所述方法。紧密间隔的光凝固灼伤的图案可以在疾病过程中早早防止缺血的进展，从而防止糖尿病或其他缺血性血管疾病的大多数视网膜并发症。与本方法相比，现有的全视网膜光凝固(PRP)方法利用大光斑尺寸激光治疗大面积的缺血性视网膜，其目的是通过局部破坏高度耗氧的光感受器而降低氧消耗来增加上覆和紧邻视网膜的氧合作用。标准PRP程序产生大的、圆形的、随机分散的周边视网膜灼伤或大的、圆形灼伤的直线网格图案，而不考虑被治疗的视网膜的缺血或非缺血。进行PRP的目的是实现破坏一些或多或少为标准总量的周边视网膜的净效果。标准PRP程序涉及产生尺寸为250-500微米的1200-1600个斑点，递送至周边视网膜，通常超过2个治疗期。标准PRP的不足之处在于，由于大灼伤的标准间距，治疗产生的氧源远离被干预的视网膜，无法缓解其现有或潜在的缺氧，因此无法防止仍在非缺血性视网膜区域中的进行性毛细血管阻塞。最近，通过使用多点图案扫描激光器(PASCAL)引入了修改，其通常使用圆形灼伤的矩形网格图案。除了采用宽视野血管造影的少数例外，传统的PRP和PASCAL对整个周边视网膜产生灼伤，即无论该区域是否缺血，都要治疗该视网膜区域。传统PRP和PASCAL都会导致大面积健康的视网膜组织破坏，大灼伤会损害光感受器并导致视野丧失。相比之下，本方法可以对视网膜造成最小的损伤，并且可以用于治疗和/或预防缺血性视网膜血管疾病，例如糖尿病性新血管形成，具有有限的视野缺陷或没有视野缺陷。在一些实施方案中，本方法可以防止那些尚未缺血的区域中毛细血管的进行性丧失，并且可以预防糖尿病性视网膜病变的视觉并发症。在一些实施方案中，所提供的方法可以在单次办公室访问中完成。

即时光凝固灼伤、图案和方法是基于缺血性视网膜病变的扩散的数学模型(参见例如实施例1-5和材料和方法)。该模型描述在材料和方法部分以及Fu等人的PLoS ComputBiol(2016)6月14日；12(6)：el004932中，其全部内容通过引用并入本发明用于所有目的。根据该模型，毛细血管损失的局部区域通过依赖于继发于升高的局部因子如VEGF的进行性毛细血管闭合的机制扩散。这种扩散现象导致广泛的毛细血管损失区域，即，缺血性视网膜的广泛连续区域通常位于完整的较大视网膜血管之间并由其界定。不希望受任何特定理论的限制，认为视网膜血管充当缺血扩散的屏障，因为即使当局部毛细血管阻塞时，血管周围的视网膜仍保持充分氧合，因此不存在局部VEGF的产生。一些方法通过小的紧密间隔的灼伤网格产生即使发生随机毛细血管闭合也保持氧合(即，不缺氧)的视网膜区域。因此抑制了毛细血管闭合的传播和由此引起的缺氧。在其他实施方案中，产生光凝固线以充当氧合视网膜屏障，将视网膜组织分隔成具有较低缺血/缺氧传播风险的较小区域，和/或在缺血区域上产生边界，防止缺血扩散到非缺血性视网膜中。由于灼伤之间的距离，传统的PRP灼伤除了上覆并且非常接近灼伤的视网膜外，不会使局部视网膜氧合，因此不会阻止具有仍然流通的毛细血管的那些视网膜区域中的视网膜缺血的进展。此外，传统的PRP不能缓解由于单个毛细血管闭合引起的局部缺氧，因为相对于毛细血管网的规模，单个灼伤和灼伤间隔都很大。传统的PRP旨在治疗现有的增殖性糖尿病性视网膜病变。预期用本方法和光凝固线破坏相同面积的缺血性视网膜将治疗增殖性疾病，但当应用于非缺血性视网膜时，本方法具有减缓或防止进行性毛细血管脱落的附加功能。通过这样做，它可以更好地保持周边视觉并通过保留功能性视网膜降低球体VEGF产生，可以减轻或预防那些没有局部黄斑病因的水肿患者的黄斑水肿。在糖尿病性视网膜病变的早期阶段进行这种程序可以在很大程度上防止视网膜周边的进行性毛细血管损失，并且还降低在一定程度上由于玻璃体VEGF水平升高造成的黄斑水肿的速率。然而，本发明公开的方法不要求该不良反馈循环的原因是归因于VEGF或者循环受特定细胞类型的刺激。

本发明的光凝固灼伤、灼伤图案和方法也可用于治疗或预防其他形式的视网膜血管疾病。

在一些实施方案中，光凝固灼伤可以布置成网格图案，其在单个光凝固灼伤之间具有足够紧密的间隔，使得介于之间的视网膜可以将氧合维持在防止诱导VEGF和由视网膜缺氧产生的其他因子的合成升高且可以预防缺血的进展的水平。在这样的实施方案中，围绕单个灼伤的氧合面积与至少一个其他带或小动脉或小静脉的氧合面积重叠或足够接近，以防止缺血在一对带之间或在带和小动脉或小静脉之间传播。在一些实施方案中，单个灼伤被间隔开，使得每个单个灼伤的边缘距离另一单个灼伤、小动脉或小静脉的边缘小于约140微米(参见例如实施例4)。单个灼伤可以是任何尺寸。在一些实施例中，可以选择灼伤尺寸以使视野缺陷最小化，同时在单个灼伤的边缘之间保持约140微米的间隔。在一些实施方案中，网格图案的光凝固灼伤可以是近似带状或圆形的。

在一些实施方案中，光凝固灼伤可以是近似带状的，具有约50微米至约300微米的长度(L)和约20微米至约100微米的宽度(W)。预期具有在这些范围内的长度和宽度的任何组合的带。可以选择带的长度和宽度以平衡视网膜的总灼伤面积与期望的结果，即治疗或预防缺血。在一些实施方案中，可以选择带尺寸以提供能够防止进行性毛细血管阻塞和缺血的视网膜的最小总灼伤面积。在一些实施方案中，带可具有约300微米的长度和约100微米的宽度。在其他实施方案中，带可具有约52微米的长度和约20微米的宽度。在一些实施方案中，多个光凝固灼伤带可以在两个维度上近似规则地被间隔开，形成带的网格图案。带的网格图案可以将视网膜分隔成如果一个变得缺血则保护相邻区域免于缺血传播的区域。可以选择网格的带尺寸和间隔，使得每个带的边缘距离另一个带或小动脉或小静脉的边缘小于约140微米(参见例如实施例4)。可以进一步选择网格的带的尺寸和间隔以最小化视野缺陷。在一些实施方案中，可以在视网膜组织上产生带的网格而不考虑视网膜脉管系统(例如，小动脉和小静脉)。在其他实施方案中，带可以大致位于小动脉和小静脉之间的中央(参见例如实施例4)。

在其他实施方案中，光凝固灼伤可以是近似圆形(即点)，其直径或尺寸(S)为约20微米至约100微米。可以选择点尺寸以平衡视网膜的总灼伤面积与期望的结果，即治疗或预防缺血/缺氧。在一些实施方案中，可以选择点尺寸以提供能够防止毛细血管阻塞和缺血进展的视网膜的最小总灼伤面积。在一些实施方案中，点的尺寸为约100微米。在其他实施方案中，点的尺寸为约80微米。在其他实施方案中，点的尺寸为约60微米。在一些实施方案中，多个点在两个维度上被近似规则地间隔开，形成点的网格图案(参见例如图7)。可以选择网格的点的尺寸和间隔，使得每个点的边缘距离另一个点或小动脉或小静脉的边缘小于约140微米(参见例如实施例4)。可以进一步选择网格的带的尺寸和间隔以最小化视野缺陷。在一些实施方案中，可以在视网膜组织上产生点网格而不考虑视网膜脉管系统(例如，小动脉和小静脉)。在其他实施方案中，点可以大致相邻小动脉和小静脉定位(参见例如实施例4)。在其他实施方案中，点可以大致位于小动脉和小静脉之间的中央。位于小动脉和小静脉或其他氧合源之间的中央的灼伤可防止缺血的传播，只要从带的末端到氧源的距离小于约140微米即可。

应当认识到，利用激光系统将光凝固灼伤应用于视网膜，可造成光凝固灼伤尺寸和形状的不规则性。这种不规则性可在周边视网膜中变得更加明显。在周边视网膜中，随着医学专业人员在光凝固过程中使用的晶状体越接近其倾斜极限，入射激光束的角度可以变化更大。当光束的较大部分被引导通过透镜的边缘时，球面像差可导致灼伤尺寸和形状的变化。例如，圆形灼伤经常变成彗星形灼伤。然而，只要本发明的带或点保持足够紧密间隔(例如，单个灼伤的边缘在约140微米内)，这种形状和尺寸的不规则应该具有可忽略的效果。此外，将认识到光凝固灼伤、灼伤图案和所述方法可以应用于能够使灼伤尺寸和形状的不规则性最小化的激光系统。

在一些实施方案中，光凝固灼伤可以是一个或多个线性灼伤或系列灼伤，其导致近似连续的线性灼伤，其在两个灼伤之间具有足够小的间隙，使得介于之间的视网膜被氧合。在一些实施方案中，可以定位线性灼伤或系列灼伤的位置以将缺血性视网膜组织的区域与非缺血性视网膜组织分隔开。例如，线性灼伤或系列灼伤可定位成环绕缺血性视网膜组织。在这样的配置中，线性灼伤或系列灼伤可以防止缺血跨越灼伤从缺血性视网膜组织进展到非缺血性组织。可以选择灼伤线的宽度以使组织损伤最小化，同时仍然防止缺血的进展。在一些实施方案中，线性灼伤或系列灼伤的宽度可为约20微米至约100微米。在其他实施方案中，可以选择线性灼伤或系列灼伤的宽度足够宽以提供足以防止缺血穿过线性灼伤或系列灼伤而发展的氧合作用。

在其他实施方案中，光凝固灼伤可以是一个或多个线性灼伤或系列灼伤，其导致近似连续的线性灼伤，其在两个灼伤之间具有足够小的间隙，使得介于之间的视网膜被氧合，其中线性灼伤或系列灼伤交叉并且形成一个连续的网状图案。这种网状图案不同于由灼伤带或点组成的网格，因为网格包括在两个维度上具有相当规则间隔的多个带或点。利用连续的网状图案，线性灼伤或系列灼伤以大致直角而交叉以产生连续的网状图案。可以将连续网状图案定位在非缺血性视网膜组织上，以防止从视网膜疾病过程发生的缺血的进展到非缺血性视网膜区域内。在一些实施方案中，连续的网延伸出缺血性视网膜组织区域，进入相邻的非缺血性组织。可以选择连续的网延伸到相邻的非缺血组织中的距离，以最小化或防止缺血进展到非缺血组织内。该距离可以与最小化或限制由连续网灼伤引起的对非缺血性组织的损伤的需要相平衡。可以选择激光灼伤线之间的间距和灼伤线宽度，以最小化组织损伤，同时仍然防止缺血的进展。在一些实施方案中，线性灼伤或系列灼伤的宽度可为约20微米至约100微米。在其他实施方案中，线性灼伤或系列灼伤的宽度可以选择为足够宽以提供足以防止缺血穿过线性灼伤或系列灼伤的氧合。

用于治疗和预防黄斑水肿的靶向光凝固

一些方面提供了将光凝固灼伤应用于黄斑以治疗或预防进行性视网膜疾病和/或黄斑水肿的方法。该方法包括在特定部位精确地将小激光光凝固灼伤置于黄斑内以防止黄斑毛细血管阻塞的进展。可以模拟糖尿病性黄斑中毛细血管损失的进展，并且在一些情况下，模型可以用于识别会导致其他附近毛细血管进行性阻塞的一些毛细血管阻塞。在一些实施方案中，计算机建模可用于产生那些毛细血管段的风险图，其可能通过促进附近毛细血管的阻塞而引起缺血的进展。在其他实施方案中，模型可用于确定从黄斑上的点(例如毛细血管段)到下一个最近(但不是最近的)毛细血管的距离。该距离可以用于识别可以从额外建模中受益的黄斑区域以用作初始过滤器，来过滤哪些黄斑区域最容易受到缺血进展并且可以通过建模确定地识别。随着毛细血管的阻塞，周围的视网膜组织变得缺氧，并且可导致VEGF和其他因子的产生增加，导致局部水平过高。除局部产生VEGF外，这可导致进行性黄斑缺血/缺氧，导致周围毛细血管渗漏和黄斑水肿的发展。通过识别会引起缺血进展的那些毛细血管段，可以在所识别的毛细血管段的位置处放置少量光凝固灼伤，包括单次灼伤。然后，光凝固灼伤可以充当氧源，如果毛细血管段被堵塞，则防止缺血从所识别的毛细血管段发展。

黄斑水肿是美国劳动年龄人口中度视力丧失的主要原因。目前，大约40％的患有糖尿病性黄斑水肿的患者接受激光治疗作为眼内注射的抗VEGF剂治疗的辅助手段。目前的激光治疗通常采用激光光凝固灼伤的网格图案的形式，其被大面积应用而不使用预测建模。如本发明所述，建模可用于鉴定可能引起缺血/缺氧传播的那些毛细血管。在一些实施方案中，预测建模可用于识别与下一个最近的毛细血管具有最大距离的毛细血管或毛细血管段，因为该距离可指示为了缓解由阻塞的毛细血管所供应的视网膜组织中缺氧所需要氧扩散的距离。通过预测中心凹周围的哪些毛细血管最有可能促进缺血的传播(如果阻塞)，可以预测黄斑的哪些区域将受益于黄斑激光治疗以治疗或预防进行性视网膜毛细血管阻塞和黄斑水肿。

不希望受任何特定理论的限制，治疗黄斑水肿或预防毛细血管阻塞的传播可以是被激光治疗的黄斑区域氧合改善的结果，从而防止缺血驱动的VEGF升高，VEGF本身可起到驱动毛细血管阻塞的传播的作用。

本发明的一些实施方案提供了将光凝固灼伤应用于黄斑以治疗或预防进行性视网膜疾病和/或黄斑水肿的方法。在一些实施方案中，光凝固灼伤可以在预测的位置处被精确地应用于黄斑，如果这些位置变得缺血/缺氧(例如，由于毛细血管阻塞)，则会促进缺血的进展。靶向光凝固灼伤可以防止黄斑缺血/缺氧的进展。通过预防黄斑缺血/缺氧的进展，可以治疗或预防进行性视网膜疾病和/或黄斑水肿。在这样的实施方案中，患者黄斑的毛细血管解剖结构可以使用常见的成像技术来确定，包括但不限于自适应光学扫描激光检眼镜(AOSLO)、血管造影术和光学相干断层摄影术-血管造影术(OCT-A)。一旦已知毛细血管解剖结构，可以应用模型来确定黄斑区域(例如毛细血管段附近的区域)在初始阻塞事件之后将导致毛细血管阻塞的传播的可能性。当毛细血管阻塞时，毛细血管的阻塞可导致局部VEGF水平的增加，这可能导致附近毛细血管的阻塞，从而导致缺血的进展和缺氧组织区域的增加。通过识别可能促进缺血进展的那些区域或毛细血管段，可以将小的光凝固灼伤应用于所识别的区域。这些小灼伤能够作为能够预防缺血进展的氧源。

在一些实施方案中，受试者黄斑的毛细血管解剖结构可以被并入能够预测毛细血管阻塞进展的模型中。然后可以将灼伤应用于由模型预测的具有阻塞风险的那些毛细血管附近的黄斑区域。能够预测毛细血管阻塞进展的示例性模型是材料和方法部分以及Fu等人的PLoS Comput Biol(2016)Jun 14；12(6)：el004932中提供的模型，其通过引用完全并入本发明用于所有目的。该模型被应用于不同视网膜区域(包括黄斑)的不同毛细血管网络，产生的结果与这些区域的临床观察结果相当，可用于鉴定其闭合可能导致缺血和缺氧进展的那些毛细血管。

转到图8，在使用材料和方法部分中描述的模型(还参见Fu等人，2016)运行的未处理的模拟中，证明散发的、分离的毛细血管阻塞诱导局部缺氧。在正常条件下，细胞是含氧量正常的并且不产生过量的VEGF。如图8所示，初始毛细血管阻塞导致附近的细胞变得缺氧。取决于所产生的缺氧区域的尺寸(其主要由区域血管密度决定)，毛细血管阻塞可触发相邻毛细血管中的阻塞进展。

为了确定是否所有毛细血管段均具有引起或促进毛细血管阻塞进展的相同潜力，如材料和方法部分中所述，对随机选择的初始阻塞位点进行模型的重复模拟。毛细血管阻塞的概率方面意味着模型的重复运行不会产生相同的毛细血管损失图案，但复制的相似性将受到网络结构的强烈影响。一旦选择了初始阻塞部位，其他毛细血管阻塞的顺序(如果有的话)是随机的。将模拟结果排列在灌注-氧合相图中，如图9所示。从深蓝色到深红色的颜色(参见图9的图例)表示从初始状态(即，第0周，此时引入随机毛细血管阻塞)到第156周的模拟时间。重叠的深蓝色和深红色斑点代表没有进展的病例。位于左下象限的深红色斑点表示进展。

通过多次重复模拟，可以生成风险图。图10A中描绘了示例性风险图。在使用相同初始阻塞位点(其由虚线表示)进行30次重复模拟后开发出图10A的风险图。所描绘的热图表示在具有相同初始阻塞位点的所有模拟中在三个模拟年结束时单个毛细血管段被阻塞的频率。图10B描绘了与图10A类似的风险图，但针对不同的初始阻塞的毛细血管段。图10B的风险图是从具有相同初始阻塞位点的45次重复模拟得到的(由虚线表示)。模拟确定，图10A和10B中所示的毛细血管段的闭合导致了指示在图9的灌注-氧合相图中描绘的进展的大部分模拟。

在一些实施方案中，可以沿着或靠近由模型识别的可能引起缺血进展的一个或多个毛细血管段(如果识别的毛细血管段本身变得阻塞的话)放置一个或多个灼伤。例如，图10A和10B中的虚线表示的毛细血管段被识别为导致大部分阻塞进展。在建模之后，可以沿着或靠近两个被识别的毛细血管段将灼伤施加到黄斑(参见例如图11A)。如11A中所示，沿着两个识别的毛细血管段(图10A-10B的虚线)施加直径为50μm的模拟灼伤。根据该模型，对被预测具有阻塞风险并引起毛细血管阻塞进展的那些毛细血管段施加的小的靶向灼伤可有效防止缺血的进展(参见图11A)。这些灼伤预防缺血进展的能力通过图11A底行中的风险图证明。相比之下，在模型中以非靶向方式作为网格放置的灼伤表明，这种灼伤图案只有在网格足够密集才有效防止毛细血管阻塞(参见例如图11B)。对黄斑产生不必要的灼伤可增加视力丧失。靶向黄斑的特定区域不仅可以防止黄斑内缺血和缺氧的进展，而且由于需要少量灼伤，还可以减少相对于当前治疗的视力丧失。

在一些实施方案中，黄斑毛细血管的间隔或密度可用于确定黄斑或特定毛细血管或毛细血管段的哪些区域(如果有的话)可受益于额外的建模。例如，如果在黄斑或黄斑区域中的所有毛细血管或毛细血管段与下一个最近的毛细血管(而不是最近的毛细血管)具有约140微米或更小的间距，则黄斑或黄斑的该区域可被确定为进行性阻塞的低风险，因此可以跳过该黄斑或黄斑区域的建模。然而，如果黄斑或黄斑区域的下一个最近的毛细血管之间的间隔大于约140微米，则该黄斑或黄斑区域的建模可有益于识别黄斑的那些区域(例如沿着毛细血管段)：如果该区域变得缺氧或毛细血管段阻塞，则其可受益于一个或多个光凝固灼伤以防止缺血的进展。因此，在本发明所述的一些实施方案中，方法可以进一步包括确定黄斑内下一个最近的毛细血管或毛细血管段之间的距离。当黄斑或黄斑区域中的下一个最近的毛细血管或毛细血管段之间的距离确定为大于约140微米时，黄斑或黄斑区域中具有这种间距的毛细血管段可进一步如本发明所述建模以确如果那些毛细血管或毛细血管段被堵塞其定是否有引起缺血进展的风险。

在一些实施方案中，可仅需要少量灼伤以防止黄斑内缺血/缺氧的进展。少量灼伤可针对被预测具有缺血传播的高度可能性的区域。在其他实施方案中，可以将多个灼伤施加到黄斑上。在对黄斑施加多个灼伤的情况下，这可包括将少量灼伤集中在被预测具有很高的缺血传播可能性的黄斑区域上，或者包括大量灼伤，其再次被集中在被预测具有很高的缺血传播可能性的那些黄斑区域上，但同时也超出了这些区域。

在一些实施方案中，施用于黄斑的灼伤可以是直径约100微米或更小。在一些实施方案中，施用于黄斑的灼伤直径可为约50微米。在其他实施方案中，施用于黄斑的灼伤可小于约50微米。

在一些实施方案中，可以使用激光系统在手动控制下将灼伤应用于黄斑的选定区域。在其他实施方案中，可以在自动控制下使用激光系统将灼伤施加到黄斑的选定区域和/或对准视网膜脉管系统。

在一些实施方案中，当给定毛细血管或毛细血管段的风险图指示在模型模拟后周围毛细血管的阻塞频率为约0.2或更大时，可以选择该区域(例如，毛细血管或毛细血管段或相邻组织)。

另一方面提供了用于执行本发明描述的方法或帮助完成这种方法的系统。在一些实施方案中，该系统可以被识别为黄斑毛细血管模型计算机系统，其实现上述方法的毛细血管或毛细血管段的建模和选择。此外，在描述黄斑毛细血管建模系统时，可以分离出上述用于模拟毛细血管阻塞的进展和识别可能引起这种进展的毛细血管或毛细血管段的一个或多个的各个过程，并将其表示为整体黄斑毛细血管建模计算机系统的子系统。黄斑毛细血管建模计算机系统的子系统可以全部或部分地分配给特定的硬件实现系统，例如专用的专用集成电路(ASIC)或场可编程门阵列(FPGA)或其他硬件实现的系统。全部或部分地，一个或多个子系统可替代地被实现为定义计算机系统的操作的软件或固件指令，其具体涉及实现为软件或固件指令的一个或多个子系统。软件或固件指令可以使中央处理单元、存储器和/或计算机系统的其他系统专门根据特定的一个或多个子系统指定的特征来操作。此外，本发明的各种实施方案可以进一步提供激光治疗的替代选择，其被证明有利于计算在实践中遇到的各种损伤的最佳选择。

在一些实施方案中，系统可包括黄斑毛细血管建模计算机系统和一个或多个另外的子系统，例如光凝固激光系统和成像系统，例如血管造影系统、AOSLO系统或OCT-A系统。在一些实施方案中，各种子系统可彼此协调以实现本发明所述的治疗方法。例如，成像系统可以被配置成对受试者的黄斑成像并确定其毛细血管解剖结构，并将毛细血管解剖结构的图像发送到黄斑毛细血管建模计算机系统。黄斑毛细血管建模系统可以配置成识别和选择可能引起或促进缺血进展的那些毛细血管或毛细血管段，并将所识别和选择的毛细血管或毛细血管段的图提供给光凝固激光系统。然后，光凝固激光系统可以通过医疗专业人员的输入以被引导的方式或者自动地将光凝固灼伤应用于所识别和选择的区域。

在一些实施方案中，系统可以包括处理器和存储器，存储器包括具有包含在其中的计算机可执行指令的一个或多个计算机可读介质，其中，当由处理器执行时，计算机可执行指令使处理器识别被预测在该一个或多个区域处或附近的毛细血管或毛细血管段阻塞后引起缺血进展的一个或多个黄斑区域。在一些实施方案中，处理器可以被配置为接收受试者的黄斑毛细血管网络的输入。对被预测在该一个或多个区域处或附近的毛细血管或毛细血管段阻塞后会导致缺血进展的黄斑的一个或多个区域的识别可以包括对受试者的黄斑毛细血管解剖结构进行建模，如材料和方法部分中所述。然后可以产生每个毛细血管或毛细血管段的风险图，并且可以选择由每个毛细血管或毛细血管段的风险图预测的在阻塞时会引起缺血进展的一个或多个毛细血管或毛细血管段。当在模型模拟后特定毛细血管或毛细血管段的风险图表明周围毛细血管的阻塞频率为约0.2或更大时，可以选择一个或多个毛细血管或毛细血管段。

实施例

本发明描述的材料、方法和实施方案在以下实施例中被进一步定义。一些实施方案在本发明的实施例中定义。应当理解，这些实施例虽然表明一些实施方案，但仅以说明的方式给出。根据本发明的公开内容和这些实施例，本领域技术人员可以确定本发明的基本特征，并且在不脱离其精神和范围的情况下，可以对本发明进行各种改变和修改以使其适应各种用途和条件。

实施例1–用于预防进行性糖尿病性毛细血管阻塞的周边光凝固的计算模型

在一个示例性实施方案中，开发了糖尿病性视网膜病变中视网膜缺血传播的计算模型。该模型用于分析各种周边视网膜光凝固图案的后果。该模型将视网膜缺血视为不利的局部反馈现象，其中一旦毛细血管阻塞，则相邻毛细血管阻塞的可能性增加，从而导致视网膜缺血区域扩大。在该模型中，视网膜缺血区域倾向于传播、随着时间的推移尺寸增大、并且受到较大视网膜血管周围的氧合区域的限制，因为视网膜氧合干扰了不利的局部反馈过程。将视网膜灼伤模拟为局部氧源，灼伤的不同尺寸和图案对视网膜缺血的传播具有不同的影响。该模型允许测试不同的灼伤图案和尺寸，这与标准PRP和PASCAL中使用的完全不同。视网膜灼伤的图案针对视网膜光凝固区域与缺血性视网膜区域的总和进行了优化。在模型内，特定图案的视网膜灼伤有效地通过产生使缺血不会传播穿过的氧合边界来防止缺血的空间进展。

计算模型是基于对以下的实际假设：氧的血管流输送(氧平流)、氧从血管的扩散和组织消耗、Mueller细胞的VEGF产生(该产生在功能上由局部缺氧程度决定)、各种细胞的VEGF扩散和消耗、和在逻辑上与局部VEGF水平相关并与血管直径和流量成反比的毛细血管的概率性阻塞。

参考图1，图1A的左侧图片描绘了计算机模拟的周边视网膜中的视网膜毛细血管网络、Mueller细胞和其他视网膜细胞的构型的2D视图。血管图案和直径来自文献(Spitznas M.和Bornfeld N.The Architecture of the Most Peripheral RetinalVessels.Albrecht Von Graefes Arch Klin Exp Opthalmol.1977；203(3-4):217-29，其全部内容通过引用并入本发明)。图1A的中心图片描绘了模型血管网络的流速图。毛细血管以比小动脉、小静脉和分流血管(shunting vessel,最上角的血管)更低的速度携带血流。图1A的右侧图片描绘了建模部分的氧张力图。血管附近的细胞比位于更远距离的细胞具有相对更好的氧合作用，但在正常条件下没有区域缺血。图1B描绘了在没有光凝固的情况下初始毛细血管阻塞之后的给定时间点的流速图。图1B的左侧图片(第0周)描绘了动静脉(AV)区域中毛细血管的闭合。图1B的中间和右侧图片(分别为第56周和第144周)描绘了在同一区域内向前和向后传播的级联毛细血管阻塞，因此流动图显示缺血性视网膜的较大的间隙和较大面积。彩条具有μm/s的单位。较暖的颜色代表更大的流速。图1C描绘了在没有光凝固的情况下初始毛细血管阻塞之后的给定时间点的氧张力图。图1C的左侧图片描绘了一组氧合不足的细胞，其区域为蓝色，靠近最初阻塞的血管。图1C的中间和右侧图片(分别为第56周和第144周)描述了缺血区域随着毛细血管阻塞数量的增加而扩大。小静脉中的氧张力也随着时间的推移而下降。彩条的单位为mmHg。较暖的颜色代表较高的氧张力。

使用计算模型的模拟证明，没有激光治疗的初始毛细血管阻塞通常但不总是导致衍生的阻塞和大的连续缺血区域的级联，该缺血区域在解剖学上由小动脉和小静脉界定(图1B和1C)。毛细血管阻塞的随机发生破坏了毛细血管流动路径并导致最初阻塞的血管附近的缺血区域(图1B左；第0周)。缺氧的Mueller细胞显著提高了VEGF的局部合成，其扩散到其他附近的血管，提高了阻塞的可能性。由于相对较大的流速和较大的管腔直径，小动脉和小静脉相对被保护免于阻塞，因为它们往往处于临床情况直至进行性缺血过程的晚期。附近其他毛细血管出现衍生的毛细血管阻塞。在视网膜内，这导致无流动区域的前后扩张(图1B中间和右侧)，以及相应的缺血(图1B)和缺氧(图1C)。

实施例2–点和带激光灼伤密度对缺血进展的影响

在另一个示例性实施方案中，使用实施例1和材料和方法部分中描述的计算模型来确定点和带激光灼伤密度对视网膜缺血进展的影响。虽然常见的PRP使用典型尺寸为250-500微米的激光灼伤，但计算模型表明，尺寸小得多的规则图案灼伤将有效地防止糖尿病性视网膜病变中毛细血管阻塞的进展，同时对视网膜组织造成较小的损伤。

测试了具有相同的视网膜组织总消融区域的激光灼伤的两种基本图案(图2)。一种图案包括沿着小动脉和小静脉的方形点状激光灼伤，每个点的尺寸为100微米×100微米。另一种测试图案是相对于小动脉和小静脉以垂直方向取向的矩形带状激光灼伤，每个长度为300微米，宽度为100微米。所有灼伤在图2中描绘为暗斑。测试各种密度的激光灼伤并用标签“N”标记，然后标记数字。结果显示在总结图3和5中。N表示在带状图案模拟期间放置在建模区域中的激光灼伤的数量，或者表示在点图案模拟中将给出与N带灼伤相同的总灼伤面积的点状激光灼伤的图案。点图案或带状图案中给出的灼伤尺寸是数学上预期的值。在实践中，灼伤的尺寸在不同的模拟中通常不是精确相同但总是接近这些值。在该模型中，灼伤的组织是已失去其生理功能(例如氧的消耗)的细胞区域，并且这些区域也充当来自下面的脉络膜的氧扩散源。数学上的方形灼伤与其边缘处的细胞具有不同的重叠，其程度决定了细胞的模拟生命或死亡，因此在灼伤尺寸方面给出了轻微的不精确性。这在图2中描绘为其他线性灼伤边缘的轻微不规则性。治疗通过以下方法被限于中间的两个模拟AV区域：仅在这两个区域中放置激光灼伤，和将随机初始阻塞的候选位置限制于这两个区域内的毛细血管。类似的激光图案和模拟结果可以应用于由更多区域组成的更大空间尺度。

图2A-2D描绘了使用点图案(图2A-2B)和带状图案(图2C-2D)激光灼伤的四种光凝固疗法图案。还描绘了随时间的氧张力图。消融面积在正常条件下和在整个模拟过程中富含氧，继发于来自灼伤部位的脉络膜脉管系统的氧输送。在N＝4的点图案情况下(图2B)，在分流血管附近随机发生初始毛细血管阻塞，并且在模拟结束时进展以仅引起一个衍生的毛细血管阻塞(图2B)。激光区域提供足够的氧，防止了第二毛细血管的阻塞进展到更大的缺血区域。缺血区域的位置接近具有低VEGF的充分氧合区域，使得其不可能传播到其他完整的视网膜区域。相反，N＝2的点图案(图2A)不能防止缺血的进展，这可以通过模拟结束时的“旁路”氧损失图案来证明。数据表明，最小的灼伤面积具有最高的进行性缺血面积量(图3A)。

在N＝4的带状图案模拟中(图2D)，在区域的中间部分出现随机的初始阻塞并且因此刺激了额外的毛细血管阻塞，但是在模拟结束时，缺血在空间上受到限制(图2D，最右图)，缺血性传播不能穿过光凝固带或小动脉或小静脉。N＝2的带状图案(图2C)显示出对缺血进展的非常相似的预防作用，但可能缺血的面积更大(图3C)。类似于N＝4的点图案情况，光凝固区域充当氧源，表明低VEGF，并且对缺血的传播产生屏障。模拟的N＝4带状图案和点图案光凝固均有效地抑制了糖尿病性毛细血管阻塞的进展。在N＝6带状图案和点图案中也发现了类似的预防效果，但是与必要相比导致更多的视网膜光凝固以防止传播，如图3B和3D中灼伤面积和缺血的总和的增加所示。相比之下，N＝2点图案疗法没有阻止毛细血管阻塞的进展并产生大面积的缺血，而N＝2带状图案虽然产生了有效的屏障，但允许了缺血进展。

实施例3–点和带激光灼伤区域对缺血进展的影响

在另一个示例性实施方案中，使用实施例1和材料和方法部分中描述的计算模型来确定点和带激光灼伤区域对视网膜缺血进展的影响。选择N＝4带状图案和点图案用于另外的建模以评估它们作为灼伤尺寸的函数预防缺血传播的功效(参见图4)。

为了评估模拟光凝固的效果，模拟结束时缺血面积被认为是糖尿病进展严重程度的重要指标，尽管也考虑了根据灼伤面积的视功能缺陷。由此评估初始激光消融面积和缺血传播面积之和。最佳光凝固被定义为毛细血管阻塞产生的缺血面积和光凝固导致的组织损伤面积的最低总和。

对于实施例2中描述的每种点图案和带状图案，进行重复模拟以平均在单次模拟中由于毛细血管阻塞的随机性质带来的任何随机效应。绘制了总结这些模拟光凝固疗法的评估图(图3)。未经任何处理的对照组也被绘制为0灼伤面积或N＝0。对于给定的N，归一化的灼伤面积对于点和带状图案基本相等。光凝固面积或N在X轴上绘制，而对于点(图3A)和带(图3C)图案，缺血的视网膜分数(在三个模拟年末的归一化面积)在Y轴上绘制。这些图片中的每一个还包括标准PRP作为绿色正方形。重复模拟的结果以箱线图的形式给出。图3B和3D绘制X轴上的N并绘制Y轴上治疗面积和最终缺血面积的归一化总和。基于对照模型，基于总周边视网膜的0.28归一化灼伤面积加上未治疗视网膜的估计缺血传播，给出估计的PRP结果。

在相同治疗的重复模拟中，各个结果显示略微不同的初始灼伤面积，这反映了预期的正方形或矩形灼伤区域在实践中将具有解剖学上模糊的边缘。图3A分别描绘了对于N＝0和N＝2，N＝4和N＝6图案，点图案的传播的缺血面积对灼伤面积的四个箱线图。初始灼伤面积越大，最终缺血面积越小。如果点图案的总灼伤面积作为总视网膜分数接近或大于N＝4(0.26归一化面积)，则没有明显的缺血进展。图3B绘制了针对这些不同点图案条件的灼伤面积和缺血的归一化总和，并且示出了所述总和对用点图案处理的面积的一些依赖性，因为随着归一化灼伤面积的增加，传播减少，并且在N＝4处存在拐点，这表示超过N＝4的激光治疗产生大于必要的总视网膜损伤。带状图案的图3C和3D的曲线图示出了与点图案类似的结果，随着灼伤面积增加，缺血传播减少(图3C)，但是更大的灼伤面积在很大程度上抵消了优势，其基本上等于减少的缺血面积(图3D)。点和带状图案图的显著特征是缺血性传播可以在与标准PRP(其不会阻止缺血进展)相当的归一化的灼伤面积处停止。这是因为标准PRP的大灼伤之间的宽视网膜区域将表现得与具有缺血性传播的模拟的未治疗病例相似。缺血性视网膜的总面积对于糖尿病性视网膜病变的并发症是重要的，因为从该视网膜释放的VEGF是糖尿病性新血管形成和一些黄斑水肿病例的最终驱动因素。

实施例4–用于防止缺血进展的点和带激光灼伤面积的优化

在另一个示例性实施方案中，使用实施例1和材料与方法部分中描述的计算模型来优化激光灼伤尺寸以预防缺血进展。基于N＝4灼伤图案，优化确定了能够有效防止缺血传播的最小灼伤面积。

点和带状图案适用于实现灼伤面积和缺血面积的最佳总和。利用点图案，检查了将边缘尺寸从100微米减小到80、60、40或20微米的效果。边缘尺寸为S＝80微米和S＝60微米的点图案分别在图4A和4B中示出。与S＝60相比，S＝80的点图案在预防缺血进展方面表现出更好的效果。S＝60的点图案似乎是功效的转变点，因为具有更小尺寸的点图案导致甚至更大的缺血面积(图5A)。S＝20点反映了基于视网膜细胞尺寸的当前模型中的理论最小模拟灼伤尺寸，并且与对照模拟显示出很小的差异。虽然并非所有的点尺寸都在图4中示出，但是所有情况都包括在评估图中(图5)。

对于带状图案，研究了宽度(“W”)或长度(“L”)的变化。细化带状图案灼伤以研究可以基本上阻止糖尿病性毛细血管阻塞进展的理论上的最小尺寸。模拟的宽度为100、80、60、40和20微米。在其他模拟中，带状图案灼伤从两端均等地缩短到仅覆盖AV区域的中间区域，其理由是小静脉和小动脉附近的视网膜区域相对良好地氧合并且被保护免受缺血。模拟长度为50、74、100、124和300微米。模拟带状图案疗法的实例描述于图4C和4D，其示出了带状图案宽度和长度的变化。图4C描绘了具有L＝300微米和W＝60微米的带的N＝4的带状图案防止缺血进展的能力。图4D描绘了具有L＝100微米和W＝100微米的带的N＝4的带状图案防止缺血进展的能力。两种情况都通过产生传播屏障来限制缺血的进展，如图5C和5E所示，其描绘了重复模拟的结果。

在复制模拟中评估各种点和带状图案，其结果在图5中示出。图5A描绘了针对不同点尺寸的不同总灼伤面积的预测缺血面积的箱线图。通常，更多的灼伤面积导致更少的缺血面积进展。在图5B中，缺血和灼伤的总面积作为灼伤尺寸的函数在Y轴上给出。增加灼伤尺寸和减少缺血进展的效果在很大程度上是互补的，并且在测试的尺寸范围内低于PRP的结果。观察到缺血进展的可变性在最大灼伤尺寸处下降，如箱高度减小所示。带宽变化的影响如图5C和5D所示，以及带长变化的影响示于5E和5F中。没有观察到增加带状图案的灼伤尺寸的益处。当激光灼伤的宽度从100微米(基本带状图案的默认值)降至20微米(大致为单个细胞的尺寸)时，缺血进展的平均面积或多或少保持不变，表明具有不同宽度的灼伤的预防效果相似。在模拟中观察到类似的结果，其中带的长度是变化的，带大致位于小动脉和静脉之间的中央处。这种安排在治疗上具有吸引力，因为在优化过程中，总的灼伤面积比PRP减少了近80％。

计算模型表明，与传统的PRP治疗相比，光凝固的测试点图案和带状图案有效地防止了糖尿病毛细血管阻塞的进展。通过缩小激光灼伤的尺寸来优化点图案治疗显示，激光灼伤之间的间隙的临界尺寸等于约140微米，其中大于约140微米的间隙显示毛细血管阻塞的传播增加(参见例如图5A)。这对应于N＝4间距的60至80微米的灼伤尺寸。另一方面，通过细化或缩短激光灼伤来优化带状图案疗法在用小的消融面积预防缺血传播方面表现出令人惊讶的一致特征(参见图5C和5E)。在所有优化的灼伤图案中，L＝72微米的带状图案导致视网膜光凝固和缺血面积的最小总和。这与点图案的140微米间隙一致，因为该带长度导致激光治疗的中心带与相邻的小动脉和小静脉之间约125微米的间隙。请注意，点和带状图案之间在形状方面的差异很小，但是在该模型中，点位于小动脉和小静脉附近，而带在两个血管之间居中。这种区别对于缺血传播的生理学是重要的。

在激光治疗的氧景观转变(landscape shift)的示意图中呈现了抑制缺血传播的假设机制(图6)。在正常状态下，小动脉和小静脉附近的氧张力较高，而血管之间的中央区域的氧张力较低，但没有视网膜缺氧，因此VEGF合成处于基础水平。这种正常的氧张力谷仅略高于缺氧阈值。因此，毛细血管阻塞导致这些区域中的细胞变得缺氧，导致VEGF合成的增加并导致相邻毛细血管阻塞的概率升高。当激光灼伤在小动脉和小静之间引入氧源时，氧景观向上移动，使氧谷中的氧水平高于缺氧阈值，从而防止了VEGF的合成升高，因此有助于防止毛细血管阻塞的传播。

实施例5–预测可能变得缺氧的黄斑区域的计算模型

在示例性实施方案中，开发了用于预测可能变得缺氧的黄斑区域的计算模型。该模型用于识别黄斑中将变为缺氧的那些区域，使得可以通过光凝固灼伤来治疗所识别的一个或多个区域，从而防止该区域变得缺氧并防止缺血的传播。模型的基础在“材料和方法”部分中有更详细的描述。

在未经处理的模拟中，分散的、分离的毛细血管阻塞诱导局部缺氧，并且取决于缺氧的尺寸(其很大程度上由区域血管和密度决定)，可以触发相邻毛细血管阻塞和缺血的进展。具有毛细血管阻塞进展的示例性模拟在图1中描绘。图1描绘了毛细血管阻塞、缺血和过量VEGF产生的进展的模拟。在正常条件下，细胞是含氧量正常的并且没有产生过量的VDGF。在第0周，发生了初始的毛细血管阻塞，并且附近的细胞变得缺氧。细胞合成过量的VEGF，其在空间上传播以到达相邻的毛细血管并增加其被阻塞的可能性。在稍后的时间点，毛细血管非灌注和缺血区域逐渐扩大。

为了确定是否来自患者的视网膜动静脉区域中的所有毛细血管段均具有相同的进展潜力，运行相同模型的重复模拟，其中随机选择初始阻塞位点。在选择初始阻塞部位时，其他毛细血管阻塞的顺序(如果有的话)是随机的。为了确定模拟是否显示了毛细血管阻塞的进展，将模拟结果置于灌注-氧合相图中，例如图2中所示。在图2中，颜色编码的点表示从标准初始状态(第0周)到第156周的模拟时间。重叠的深蓝色和深红色点表示没有缺血进展的病例。位于左下象限的深红点表示缺血进展。只有少数初始毛细血管闭合具有进展倾向，其由在模拟3年结束时总血流速率和视网膜氧合作用的严重下降(图2中的深红点)指示。该结果导致进一步检查和识别具有最大进展潜力的这些初始毛细血管闭合。

为了确定哪些初始毛细血管闭合具有进一步毛细血管阻塞的高度倾向，基于其初始阻塞位点对重复模拟进行了分组，并且为每个组生成风险图或脆弱性图。发现来自患者的视网膜动静脉区域中的两个毛细血管段的闭合是图2中所示的大多数进展的原因。这两个毛细血管闭合的风险图如图3A-3B所示。风险图显示了，在第0周时某个毛细血管段阻塞的情况下，每个毛细血管段在三年模拟结束时被阻塞的频率。风险图用于识别具有高度缺氧风险的区域，并选择通过小型光凝固灼伤治疗的位置。

图3A中描绘的风险图是对相同初始阻塞位点的30次重复模拟的结果(黑色虚线)。在模拟结束时单个毛细血管段被阻塞的频率是彩色编码的。相对于相同初始阻塞位点的所有模拟确定频率。图3B中描绘的风险图的生成类似于图3A的生成，但是表示当不同的毛细血管段最初被阻塞时(虚线)，在模拟结束时单个毛细血管段被阻塞的频率，并且是45次重复模拟的结果。

处理的模拟的结果描绘于图4中。灼伤尺寸被设定为50微米。针对风险图导向的具有触发额外毛细血管阻塞的高风险的毛细血管段的小灼伤无论灼伤密度如何都能有效预防缺血的进展。相反，只有当密度足够大时，均匀的小灼伤网格才能有效防止进展。灼伤图案在图4的顶行中示出，同时在中间行中提供了示例性模拟结束时的氧图，并且在底行中描绘了来自重复模拟的风险图。风险图引导的激光灼伤图案仅覆盖具有最大进展倾向的毛细血管段。

材料与方法–计算模型

已经开发了视网膜脉管系统的Python脚本和Compucell3D模型，并将其应用于示意性周边视网膜毛细血管网络。该模型在下面和Fu，X.等人的Progression of DiabeticCapillary Occlusion:A Model,PLoS Comput Biol,2016 Jun 14；12(6):e1004932中有充分描述，该文献通过引用整体并入本发明。该模型是基于Spitznas M.和Bornfeld N.的组织学(The Architecture of the Most Peripheral Retinal Vessels.Albrecht VonGraefes Arch Klin Exp Opthalmol.1977；203(3-4):217-29)，其全部内容通过引用并入本发明。

具有连接毛细血管的从小动脉到小静脉的完整血管模型包括氧平流、氧扩散和氧消耗、VEGF合成和破坏、毛细血管阻塞的可能性和视网膜水肿。在生理学上，概念上简单的糖尿病视网膜模型将Mueller细胞视为VEGF的唯一视网膜来源，并假设糖尿病视网膜中Mueller细胞的VEGF产生略高于正常视网膜，以此作为区分糖尿病患者与正常人的允许步骤。在该模型中，基于局部细胞水平氧饱和度，Mueller细胞以可变量局部产生VEGF。VEGF从Mueller细胞中扩散并被包括毛细血管内皮细胞在内的各种细胞消耗，但不会被平流带走。模型血管具有内皮细胞，其通过ICAM的升高响应于局部VEGF水平，并且通过由升高的葡萄糖诱导的白细胞CD11a、CD11b和CD18受体实现的白细胞粘附增加毛细血管阻塞的可能性。将该模型循环多次，如果发生毛细血管阻塞，则重新计算所有血管流速、局部氧张力和VEGF水平。该模型的阻塞治疗是不可逆的，因为它基本上假设毛细血管处于内皮复制耗尽阶段，因此内皮细胞的丢失会留下未覆盖的基底膜并导致毛细血管阻塞。

该模型假设视网膜的每个区域的血管供应是“关键的”，因为毛细血管的阻塞将总是导致生理依赖性视网膜的一些区域的缺血，导致VEGF合成的相当大的进一步局部升高，到高于由现已缺血的Mueller细胞已经稍微提高的VEGF允许水平。该模型描述了一种生理学，其中糖尿病中毛细血管的阻塞增加了不良反馈循环中相邻毛细血管阻塞的可能性，因为缺氧提高了VEGF，其提高了内皮细胞ICAM水平，从而提高了毛细血管阻塞概率。模型毛细血管阻塞总是概率性的，其在功能上是基于局部VEGF水平和毛细血管段中计算的流量。VEGF是各种可扩散细胞因子(包括VEGF)的集体作用的替代物，其影响毛细血管阻塞的可能性。

在本模型中，各种模型时间的地图由毛细血管网络结构、流量和氧张力构成。图1A示出在正常条件下视网膜周边细胞和血管的构型，其在涉及脉管系统的二维平面处可视化。在分配边界血压和氧张力的情况下，计算流速并模拟氧稳态(图1A)。包括小动脉、小静脉和周边分流血管在内的较大血管显示出比毛细血管更大的血流速度。所有细胞在正常条件下均充分氧合，并且与血管相邻的细胞具有比远离血管的细胞更高的氧张力。

图1B和1C显示毛细血管阻塞在流动图和氧张力图方面的进展，其中阻塞发生在第0周，显示了在模型周56和144的结果。模型中的光凝固灼伤成为扩散的氧源，其尺寸和形状与凝固灼伤的尺寸和形状相等(参见例如图2)。作为氧源的这些灼伤能够防止进行性毛细血管阻塞，因为氧阻断了从缺氧到升高的诱导的VEGF合成到附近毛细血管阻塞的可能性增加的因果链的起始。在周边视网膜毛细血管网络中应用不同的激光灼伤图案，并对被处理的视网膜区域以及预测的随时间推移视网膜缺血区域进行建模。这两个区域的总和被用作向对于于视觉功能的视网膜光凝固的优化的量度(参见例如实施例4)。

毛细血管阻塞模型–生理假设

VEGF是一个历史悠久的因子。最初被确定为血管通透性因子，随着时间的推移，它已经变得清楚，它作为血管生成，内皮细胞增殖中的因子以及神经视网膜保护因子具有其他重要作用。虽然对视网膜水肿建模，但VEGF对于本模型的重要特性是其介导升高视网膜内皮细胞上的ICAM-1的作用。在目前的进行性毛细血管阻塞模型中，VEGF是局部分泌的分子，其扩散并增加附近毛细血管阻塞的可能性。由于这种促闭合性质不是众所周知的，甚至可能被一些人否定，因此提供了支持选择VEGF作为导致毛细血管阻塞的不良循环的物质的背景。这并不意味着VEGF无论如何都是唯一被涉及的细胞因子，或者没有产生糖尿病性视网膜病变的慢性炎症状态的干预级联事件。白细胞停滞是由循环白细胞的糖尿病活化介导的，其与视网膜血管内皮上的粘附分子如ICAM-1的显著上调共存。这些变化增加了白细胞粘附到视网膜毛细血管内皮的可能性，从而增加了毛细血管闭合的可能性。该模型没有详细描述局部的、无疑是复杂的现象，例如累积的白细胞介导的内皮毛细血管损伤，其导致内皮复制衰竭，最终导致毛细血管阻塞；它们在这里被视为盲区。

该模型简单处理一种物质的升高，尽管两种物质的相对量，例如VEGF和色素上皮衍生因子(PEDF)的平衡，可能是生理上重要的。PEDF本身具有复杂的神经营养、神经保护和抗血管生成、抗渗出和抗炎特性。高葡萄糖降低视网膜Mueller细胞中PEDF的表达，同时提高VEGF表达。另外，糖尿病性黄斑水肿或增殖性糖尿病性视网膜病变患者的PEDF玻璃体水平显著低于非糖尿病患者或无视网膜病变的糖尿病患者，而在每种情况下VEGF均升高。该模型通过将不平衡的生理学输入简单地视为VEGF的浓度来简化这种二元性。必须通过可扩散物质来满足进行性缺血过程中的一些步骤，并且理想地，如果要将VEGF建模为可扩散物质，则需要对模型中的每个步骤的解剖学和生理学支持。局部不良正反馈模型可以独立存在，仅将糖尿病缺血的问题作为一种地理现象，但是具有与生物元素尽可能紧密对应的模型元素更具建设性。基于以下观察开发了一种简单的生物学模型：该物质需要具有许多生理学特性，这些特性首先产生由活化的白细胞引起的复发性毛细血管内皮细胞损失的允许的糖尿病状态，导致来自局部内皮细胞耗竭的永久性毛细血管阻塞，以及这又会产生毛细血管阻塞的地理传播。这种进展需要被建模为VEGF的物质和视网膜组织具有以下特征：

步骤1：随着高血糖的发作或高血糖的持续存在，该物质必须以某种方式改变其从非糖尿病状态的产生。

步骤2：该物质浓度的变化必须引起视网膜毛细血管的一些变化，导致永久毛细血管阻塞的概率增加到高于基本为零的非糖尿病状态。

步骤3：毛细血管阻塞必然继而产生局部视网膜缺血，并且通过某种机制进一步提高该物质的水平，这意味着缺血不能杀死产生该物质的细胞。

步骤4：在局部视网膜面积中较高浓度的该物质必须引起附近毛细血管阻塞的较高可能性，并且阻塞的可能性在功能上与该物质的浓度有关。

步骤1：糖尿病中VEGF的初始轻微升高，高于非糖尿病的基础水平，以启动活化的白细胞粘附到毛细血管内皮的非零概率。

步骤1需要响应于葡萄糖升高而在视网膜中初始轻微升高VEGF以产生毛细血管阻塞的非零概率，作为产生允许毛细血管内皮细胞破坏和最终毛细血管阻塞的初始状态的方式。理想地，还应指定VEGF的细胞来源。不同的视网膜细胞类型以不同方式响应于升高的葡萄糖。视网膜色素上皮(RPE)细胞响应于葡萄糖的急性升高而增加VEGF的产生(以及减少PEDF的产生)。尽管这些变化是在模型所需的方向上，但分泌的因子可能会离开RPE细胞的基底部分，低于后血脑屏障，并移动进入脉络膜毛细血管，而不是神经视网膜。此外，是脉络膜毛细血管而不是视网膜脉管系统为RPE提供大部分氧，因此视网膜毛细血管的损失不太可能显著降低RPE的氧合作用，而这是假设反馈回路中的关键步骤(上述步骤3和4)。因此，本发明的视网膜模型忽略了RPE细胞作为VEGF的来源。

有证据表明，内皮细胞和周细胞均对葡萄糖升高有反应，至少有一些VEGF的产生和ICAM-1以及NF-κβ的升高。周细胞可能是糖尿病性视网膜病变中最早死亡的细胞，并且由于它们和内皮细胞在毛细血管阻塞过程中死亡，因此它们基本上不存在于周边缺血区域。因此，这两种细胞类型不太可能是阻塞传播的因素来源，尽管它们肯定在该过程中起作用，尤其是通过ICAM-1诱导和通过高血糖诱导的血管生成素2介导的周细胞凋亡引发阻塞概率升高的可能作用。血管生成素2在周细胞的损失中是重要的，因此在微血管糖尿病并发症中是重要的。它在增殖性糖尿病性视网膜病变的玻璃体中以升高的浓度存在并且在视网膜中产生。VEGF是本模型的重点，因为生理学支持其与ICAM和毛细血管阻塞的关系，这是模型的中心点，其比血管生成素2更清楚，并且对它有更多了解。与一些动物模型中的内皮细胞不同，人视网膜内皮细胞在暴露于升高的葡萄糖时不刺激内源性ROS产生、NF-κβ活化或其他促炎变化。视网膜中的其他细胞可以产生VEGF，但是唯一具有由葡萄糖升高引起的VEGF分泌增加的显著证据和在缺血性视网膜中存活的细胞是视网膜的主要神经胶质细胞，Mueller细胞。暴露于升高的葡萄糖水平的Mueller细胞也产生iNOS、ICAM、细胞因子和PGE2。这些结果和CaMKII-CREB调解证据得到了进一步支持。HIF-1α的降解受vonHippel-Lindal抑制蛋白的控制，并且在升高的葡萄糖水平下降低降解，从而通过HIF-1α增加VEGF。增加转录因子HIF-1α的水平将VEGF合成增加到非糖尿病患者基线之上。

糖尿病是一种慢性疾病，并且临床上可观察到的视网膜病变通常直到该病症的至少几年才出现。这意味着存在高级糖基化终产物(AGE)并且还可以在提高VEGF的合成中起作用。已经通过Mueller细胞中的AGE显示了ICAM的VEGF诱导。糖尿病也提高了Mueller细胞中的RAGE表达。尽管缺氧刺激了缺氧调节的血管增殖因子如VEGF的释放，但已发现VEGF在毛细血管变性之前在糖尿病动物的视网膜中增加，因此表明肯定有缺氧以外的因素调节其在糖尿病中的诱导。另外，VEGF在糖尿病开始之前以基础水平存在于视网膜中，并且在糖尿病发作的几天内显著增加。Mueller细胞在缺血区域存活，并且随着这些区域的尺寸而增加，因此合成的VEGF的总量将增加。总之，对于在任何缺血之前来自糖尿病视网膜中的Mueller细胞的VEGF的小幅增加存在生理支持。这是模型中的允许步骤，其区分糖尿病状态和非糖尿病状态。只有当物质(VEGF)高于基础状态(步骤1)的升高能够增加白细胞粘附到视网膜毛细血管内皮的可能性时，这才支持该模型。

步骤2：VEGF增加毛细血管内皮ICAM，从而增加毛细血管阻塞的可能性和白细胞停滞。

早在1991年就有证据表明毛细血管阻塞在实验性糖尿病性视网膜病变中继发于活化的粒细胞和单核细胞。显示VEGF在体内增加内皮毛细血管中ICAM-1的表达。在人类糖尿病视网膜中，ICAM增加白细胞和单核细胞与血管内皮的粘附。VEGF诱导视网膜ICAM-1和eNOS表达并在体内启动早期糖尿病视网膜白细胞粘附。VEGF在视网膜的Mueller细胞中产生，并且抑制Mueller细胞衍生的VEGF显著降低了糖尿病小鼠中TNFα、ICAM-1和NF-κβ的视网膜表达。这支持了VEGF在ICAM-1和其他促炎物质，包括NF-κβ的上游。一氧化氮以及炎性蛋白，包括iNOS和ICAM、细胞因子和PGE2，是由暴露于升高的葡萄糖水平的Mueller细胞产生的。已显示糖尿病在啮齿动物视网膜中激活NF-κβ并引起p65亚基迁移到视网膜内皮细胞、周细胞、神经节细胞和内核层细胞(可能是Mueller细胞)的细胞核中。NF-κβ的激活最常见导致p50-p65异二聚体易位进入细胞核，随后诱导多种促炎蛋白(包括iNOS、ICAM和细胞因子)的转录。一些研究支持复杂炎症状态即糖尿病性视网膜病变中ICAM的升高，为了易处理性，在本模型中仅考虑VEGF及其在ICAM诱导中的贡献作用。

当白细胞粘附在毛细血管壁上时，毛细血管阻塞的过程开始。有许多与白细胞机械性能相关的因素，如也可能增加白细胞停滞的增加的刚性，但糖尿病性视网膜病变中毛细血管阻塞的主要解释是糖尿病白细胞比非糖尿病患者中的白细胞更常被激活。在这种状态下，它们具有与视网膜内皮细胞表面上的ICAM-1结合的细胞表面受体CD18、CD11a和CD11b。仅通过升高的葡萄糖就可以诱导白细胞的活化。ICAM-1通常不存在于内皮细胞上，但可以通过VEGF或其他机制诱导，例如氧合的LDL增加活性氧物质的产生。视网膜毛细血管中的白细胞停滞在糖尿病发作的2周内就很早发生。因此，强烈支持了VEGF促进内皮细胞上ICAM表达，并且这导致白细胞粘附到内皮的可能性增加，从而支持模型的步骤2部分。

白细胞粘附于糖尿病中的视网膜血管内皮，并且可有助于糖尿病性视网膜病变中毛细血管的永久性阻塞。根据视网膜胰蛋白酶消化和荧光素血管造影的相关研究，已知只要存在内皮细胞，毛细血管就会被灌注，并且未灌注的毛细血管与受损的内皮细胞和空的基底膜管相关。目前尚不清楚白细胞如何损伤视网膜内皮，因为涉及多种重叠机制。存在涉及毛细血管壁的增厚的基底膜和糖尿病中白细胞的增加的刚性的机械因素。白细胞释放的物质，包括有毒的氧代谢物和各种酶，都会造成严重的“旁观者”伤害。内皮细胞的附着强烈增加中性粒细胞产生活性氧代谢物的能力。此外，来自糖尿病动物的活化中性粒细胞比非糖尿病患者产生更多的超氧化物自由基，这表明糖尿病患者中的白细胞更粘附内皮并且对内皮更具破坏性。还观察到脱粒的PMN与明显死亡的内皮细胞相关。由于嗜中性粒细胞含有许多类型的颗粒，包括增加血管通透性的阳离子溶酶体蛋白、消化基底膜的酸性和中性蛋白酶、以及中性粒细胞弹性蛋白酶，因此导致内皮毒性是合理的。糖尿病2周的大鼠视网膜中Fas水平升高，并且体内阻断FasL抑制了内皮细胞损伤、血管渗漏和血小板聚集。这种对Fas/FasL的依赖性表明细胞凋亡机制对内皮细胞损失的重要性，即使在它们暴露于白细胞释放的氧自由基和蛋白酶的生理环境中也是如此。

如在四氧嘧啶处理的糖尿病大鼠中观察到的，中性粒细胞可以阻塞糖尿病性视网膜毛细血管，其显示局部白细胞积聚在地理上与其他血管病理学相关，例如内皮细胞损伤、毛细血管非灌注和血管外白细胞。已观察到白细胞阻塞糖尿病猫的视网膜中的毛细血管。一些研究通过在糖尿病大鼠视网膜中的扫描激光检眼镜观察吖啶橙标记的白细胞。与非糖尿病大鼠相比，糖尿病早期的视网膜微循环中白细胞明显升高。已假设在糖尿病前视网膜病变期间糖尿病视网膜中白细胞的积聚可导致微血管阻塞和功能障碍，导致随后的视网膜病变，并且这些阻塞发生在早期。这些实验者观察到的白细胞阻塞似乎是随机的，没有任何聚集，另一项研究甚至在早期就观察到聚集的内皮细胞损伤。

白细胞常常在正常患者和糖尿病患者的毛细血管入口处暂时“保持”，因为白细胞的直径比大多数视网膜毛细血管的直径要大(10微米对6微米)。为了进入毛细血管，需要在白细胞内发生活跃的细胞骨架重塑过程。这也意味着毛细血管中的血流暂时被阻塞，但具有完整内皮细胞的毛细血管中存在流动，一旦白细胞通过，毛细血管就会保持开放。这通常在短时间内发生，并且在非糖尿病患者中，白细胞继续移动而不会通过释放ROS和酶或激活细胞凋亡而粘附和损伤内皮。在糖尿病患者中，可以通过活化的白细胞和内皮上的互补细胞受体产生粘附，导致持续的内皮损失，最终超过局部内皮复制能力，导致阻塞的无细胞毛细血管。

所有这些支持通过白细胞粘附和内皮细胞损伤导致的白细胞介导的毛细血管阻塞，毛细血管阻塞过程中的初始步骤是依赖于VEGF的内皮细胞ICAM表达。因此，步骤2，该物质浓度的变化引起视网膜毛细血管的一些变化，导致毛细血管阻塞的概率增加为高于基本为零的非糖尿病基础状态。

步骤3：毛细血管阻塞和由此导致的缺血进一步增加VEGF的产生。

显然毛细血管阻塞必然会产生缺血。氧由开放的毛细血管携带到组织。当毛细血管被阻塞并且不再开放时，组织接受不到血流，这是缺血的定义或至少是字面意义。但是，有一系列的可能性需要考虑。如果网络中的毛细血管密集堆积，那么一个毛细血管的阻塞可具有最小的影响并且所有组织仍然都可以保持氧合。如果毛细血管网非常稀疏，一些细胞甚至在阻塞之前就在缺血边缘摇摇欲坠，并且大量组织可以在单个毛细血管闭合的情况下变得缺血。本模型假定毛细血管的阻塞产生组织缺血，其上调能够扩散到相邻毛细血管的因子并增加其阻塞的可能性。

众所周知，中枢神经组织具有高代谢需求，例如，人体静息时使用的25％氧被CNS消耗。然而，如fMRI所示，中枢神经系统虽然在活动的情况下上调氧消耗，但与肌肉这样的组织相比，功能变化非常小。在CNS中，不需要密度足以应对临时的，极高的氧需求的毛细血管网络。因为血液吸收或散射了光从而阻碍了最佳眼功能，因此视网膜是CNS的特殊部分，其有理由使毛细血管密度最小化。因此，在视网膜中更可能的是毛细血管的阻塞导致组织缺血。本模型中使用的毛细血管网络来自实际受试者成像或来自文献中的周边视网膜毛细血管网络，因此不是为了这些建模目的而创建的。氧扩散系数也取自文献。Mueller细胞的缺血导致HIF-1α的稳定化，然后HIF-1α被转运至细胞核，在那里它能够充当VEGF的转录因子，进而进一步上调VEGF的产生。已知缺血或缺氧诱导ICAM-1的内皮细胞产生。在低氧条件下，HIF-1α、VEGF和促红细胞生成素水平在内部视网膜中都快速增加，特别是在内核层的中心区域，Mueller细胞核的位置。如果在Mueller细胞中HIF-1α被破坏，则白细胞的渗漏和粘附增加以及VEGF和ICAM降低。此外，Mueller细胞在糖尿病患者的缺血性视网膜中存活。步骤3，即毛细血管阻塞导致局部视网膜缺血，并且通过某种机制进一步提高物质(VEGF)的水平，并且缺血不会起到杀死产生该物质的细胞的作用，得到了很好的支持。

步骤4：局部区域中物质浓度的升高增加了附近毛细血管阻塞的可能性，导致毛细血管阻塞的空间进展。

该模型假设一旦毛细血管被永久阻塞，附近毛细血管阻塞的概率就会增加。一旦这种不可逆的毛细血管阻塞由活化的白细胞粘附引发，由Mueller细胞和其他视网膜组织组成的局部视网膜区域的氧张力下降。在Mueller细胞内，HIF-1α是稳定的，作为转录因子迁移至细胞核，并进一步增加VEGF的产生。这种升高的VEGF水平扩散到包括毛细血管内皮在内的周围组织，并且在那些相邻的毛细血管中进一步增加局部VEGF和ICAM-1(步骤2)，导致阻塞的可能性增加。有证据支持这一过程。在自发性糖尿病猴视网膜中，在毛细血管闭合的区域附近检测到中性粒细胞。这种粘附性中性粒细胞的空间选择性集中意味着必然提高了局部内皮细胞粘附，尽管没有特定的免疫组织学证据表明局部升高的ICAM继发于局部升高的VEGF，但是这是合理的。在人类糖尿病患者中的早期工作发现相对较大的区域仅包含无细胞毛细血管，这些区域的边缘通常镶有微动脉瘤、增殖的内皮细胞并具有不规则的静脉壁外形。在人类中，在毛细血管非灌注或变性部位附近观察到视网膜毛细血管内粘附的PMN数量增加。所有这些都与缺血性视网膜区域中产生的局部升高的VEGF一致，其通过增加白细胞粘附以缺血的方式、和通过引起局部血管增生型改变以血管生成方式扩散而影响周围的视网膜毛细血管。

最相关的动物模型是灵长类动物的自发性糖尿病。观察到的最早的组织学记录的变化是斑点/印迹出血、棉毛点(棉毛点是非灌注的神经纤维层区域)和小的非灌注视网膜区域。通常与小视网膜内微血管异常(IRMA)相关的微动脉瘤位于非灌注区域附近，显示为缺乏ADPase阳性血管。大面积的毛细血管损失总是涉及小动脉削减。这些观察结果与缺血性视网膜病变的驱动因素是小缺血区域的发展、然后其局部传播的假设是一致的。由于血管分支因毛细血管的损失而减少流动并且然后经受了更高的VEGF水平，因此将发生小动脉削减。微动脉瘤和IRMA代表VEGF的典型血管生成后果，其在缺血区域边缘升高。在疾病过程中，出现大的缺血区域，这意味着微动脉瘤和IRMA通常在疾病过程的后期发生。在该框架内，通过形成周围的氧合区，大的视网膜血管可以作为毛细血管损失传播的屏障。这可以在临床血管造影和组织学中看到。类似地，在猴子的诱导或自发性糖尿病中，早期背景视网膜病变的特征在于毛细血管脱落和IRMA。正如在人类中常见的那样，在患有自发性或STZ诱导的糖尿病4至13年的猴子中没有检测到糖尿病性视网膜病变的临床症状，只要猴子不是高血压的。虽然没有关于作为距视网膜缺血区域的距离的函数的局部VEGF和ICAM水平的现有数据，但文献中存在相当强的观察支持，其与步骤4(毛细血管阻塞的空间传播)一致。

存在几种类型的体内实验，其检查VEGF注射到动物眼中的结果或动物模型中VEGF水平的变化结果。VEGF被认为是促炎分子，其玻璃体水平与视网膜新血管形成和水肿高度相关。在小鼠中，即使在光感受器中VEGF表达的暂时增加(没有升高的葡萄糖)也表现出类似于糖尿病性视网膜病变的视网膜血管变化，包括视网膜白细胞停滞、毛细血管内皮细胞和周细胞损失、以及无细胞毛细血管。还存在动物糖尿病模型，其中来自口服或玻璃体内药物或遗传操作的干预能够预防糖尿病性视网膜血管变化的发展。就本发明人所知，虽然通过完全不同的途径起作用，并且一些并未改变VEGF，但都阻止了白细胞粘附到视网膜内皮，从而防止视网膜毛细血管阻塞的发展和减轻糖尿病性视网膜病变的症状。因此，阻塞过程对糖尿病性视网膜病变是必要的，并且该模型将以相同的方式表现，因为毛细血管阻塞概率的升高对于缺血的发展和进展是必需的。使用条件性Mueller细胞VEGF敲除模型(CVKO)获得了许多有趣的结果。在STZ注射后2个月，通过IB分析细胞间粘附分子-1(ICAM1)和肿瘤坏死因子-α(TNFα)在CVKO小鼠中检查了促炎性标记物的水平。与对照相比，CVKO小鼠分别显示ICAM1和TNFα减少62.3％和52.9％，并且粘附白细胞(在DR中视网膜炎症的主要特征)减少了75.0％。

视网膜直接暴露于VEGF的水平与糖尿病性新生血管形成患者的水平相当，也支持了这一假设。在对猴子单眼注射VEGF后仅9天，由于通过EM和光学显微镜测量的毛细血管内皮细胞肥大，深部视网膜丛中的毛细血管腔内体积减少了5倍以上。这表明内核层的这些毛细血管被优先阻塞，这些毛细血管与Mueller细胞体相邻。急性暴露于VEGF导致内皮细胞肥大到足以阻止这些毛细血管中的流动，而这些毛细血管在5倍肿胀之前的腔直径仅约6微米。该研究未显示，但预测会出现毛细血管阻塞和视网膜缺血。一项经典研究在较长时间内检测了VEGF注射。在该研究中，动物接受了1至26次VEGF注射。即使是单次注射也会产生大的血管扩张、弯曲和血管渗漏，随着VEGF的升高观察到了所有的典型变化都。在一只动物中进行6次注射(每3天一次)后，可以看到静脉串珠(venous beading)，并且在视网膜赤道部中存在非灌注区域。在被4次注射后的另一只动物中，出现大面积的毛细血管闭合。新血管形成盘出现得晚得多(80天)，并且与“暂时无血管视网膜的广泛区域”有关。本发明人预期了在以下引用“这些数据表明仅有VEGF可以通过正常眼压的眼中的毛细血管闭合引发视网膜缺血。该活性可以启动正反馈回路，进一步增加VEGF水平”(Tolentino等人,Opthamology.1996；103(11):1820-8)中的该不良正反馈假设(没有任何地理依赖性或模型)。总之，分子VEGF是糖尿病性毛细血管阻塞过程进展的单分子模型的合理候选者，即使其作用通常是通过其他分子如ICAM或复杂的过程如白细胞停滞和毛细血管阻塞发生的。

模型考虑

为了捕获进行性毛细血管阻塞的事件，在CompuCelBD中实施了上述解剖学特征的定量模型。如图12中所示，从血管周围中心凹的AOSLO扫描开始，从小动脉到小静脉以及连接毛细血管的完整血管模型将氧平流、氧扩散和氧消耗包括在内。参考图12，右侧的AOSLO图像显示了与中心凹无血管区(FAZ)相邻的近中心凹毛细血管。这是没有糖尿病的患者的正常毛细血管图。在左侧，模型示意图显示了在AOSLO图像中构建的毛细血管网络的重建，其中细胞均匀地填充在血管之间的空隙中。毛细血管网络标记有小动脉(A)和小静脉(V)末端。为A和V末端分配边界血压。对于A末端和FAZ分配边界氧张力，而静脉氧张力取决于模型。红色、绿色、棕色的模型对象分别是毛细血管块(CAP)、Mueller细胞(MC)和其他视网膜细胞(OT)。围绕对象的黄色像素是对象边界，其在说明书的其他图中被减弱。请注意，此实例显示的是与病例1中显示的不同受试者的黄斑毛细血管网络。此ASOLO图像中FAZ的直径为大约500微米。比例尺为100微米。

本实施例开发了糖尿病视网膜的概念上简单的模型，其将Mueller细胞作为VEGF的唯一视网膜来源并且假设糖尿病视网膜中的Mueller细胞的VEGF产生略高于正常视网膜中的VEGF产生。在生理学上，VEGF是视网膜中必需的神经营养因子，并且通常以低水平存在。在本模型中，基于氧饱和度，Mueller细胞在局部以可变量产生VEGF。VEGF从Mueller细胞扩散并被包括内皮细胞在内的细胞消耗，但不会被平流带走。模型血管具有内皮细胞，其通过局部VEGF升高所导致的阻塞概率增加而响应于局部VEGF水平，并且如果局部VEGF超过阈值水平则通过渗漏响应局部VEGF水平。该模型循环多次，如果发生毛细血管阻塞，则重新计算所有流速、稳态氧张力和VEGF水平。

模型对阻塞的处理是毛细血管直径不可逆地减少到零。一个重要的假设是对视网膜的每个区域的血管供应是关键的，因为毛细血管的阻塞将导致生理依赖性的视网膜区域缺血，导致局部缺血性Mueller细胞的VEGF合成升高。目前尚不清楚这是否已得到证实，但进化对视觉装置施加的限制使这一假设合理。“视网膜毛细血管网络可能是形态学上适应的，从而可以实现细胞营养和光学清晰度之间的平衡”(Chan等人，InvestigativeOpthalmology&Visual Science.2012；53(9):5502-14)。然而，请注意，在解剖学上看到毛细血管间隔的变化的情况下，视网膜的所有面积都不会对供应的单个毛细血管具有相同的依赖性。在基于实际毛细血管解剖结构的网络中，由于局部毛细血管密度的变化，视网膜的不同区域或多或少都是关键的。因此，不利反馈机制将导致毛细血管闭合的或大或小的传播。也可以进行小的毛细血管直径调节，例如，每次毛细血管阻塞后，直径略有增加，同时流量增加。各种模型时间的图谱由毛细血管网络结构、流量、氧张力、VEGF和视网膜水肿组成。这些是输出测量以及系统的总结图，例如总流量和距离完整毛细血管的平均距离。

基于局部VEGF水平和毛细血管段的计算流量，模型毛细血管阻塞总是概率性的。使用了几种类型的毛细血管网络，包括具有引入的缺失的生理学上不可能的六边形毛细血管网络、生理学上现实的周边视网膜“梯形”毛细血管，以及从受试者的自适应光学扫描激光检眼镜(AOSLO)成像获得的实际的周围动静脉毛细血管区域图。六角形图用于通过改变六边形的尺度来探索毛细血管阻塞进展对依赖于毛细血管的组织量的依赖性。黄斑和周边视网膜都是临床上重要的，黄斑区域是缺血的位置以及影响视敏度的黄斑水肿，并且周边是缺血的主要来源并且导致VEGF产生，其导致视网膜新血管形成。

本实施例主要针对来自AOSLO成像(病例1)的周围毛细血管网络区域，并用具有解剖学上合理尺寸的细胞填充血管段之间的开放空间(表1-3)。基于AOSLO图像估计毛细血管直径。根据公布的结果估算模型输入，如终末静水压和小动脉血氧张力(表1-3)。计算血管流量、氧和VEGF通量，并在模型中测定所得的组织氧张力和VEGF水平。鉴于单个毛细血管阻塞模型的概率性质，对受试者的毛细血管网络进行大量(362)重复运行，以评估不同毛细血管的脆弱性。下面的模型部分的详细描述详述了本模型的数学描述、参数选择和影响以及边界和初始条件。

表1.模型参数–模块参数

*假设周边模拟的氧张力较低(40mmHg)。**假设周边模拟的动脉压较低(23mmHg)。***假设周边模拟的静脉压较高(22mmHg)。

1.Reglin等人,Am J Physiol Heart Circ Physiol.2009；297(6):H2206-19\

2.Lau&Linsenmeir,Experimental eye research.2012；102:50-8.

3.Aubert等人,Bull Math Biol.2011；73(10):2430-51.

4.Shirinifard等人,PLoS Comput Biol.2012；8(5):e1002440.

5.Landis&Pappenheimer,American Physiological Society；1963.p.961-1034.

6.Gooding等人,Diabetologia.2010；53(9):2029-35.

表2.模型参数–几何参数

7.Reichenbach&Bringmann,Mueller cells in the healthy and diseasedretina.New York:Springer 2010.415p.

8.Spitznas&Bornfeld,Albrecht Von Graefes Arch Klin ExpOphthalmol.1977；203(3-4):217-29.

表3.模型参数–时间参数

已经构建了许多模型来研究不同组织中的脉管系统界面处的问题：骨骼肌、脑、血管瘤和视网膜。Shirinifard等人(PLoS Comput.Biol.2012；8(5):e1002440)使用3D多细胞模型成功地概括了年龄相关性黄斑变性的三种进展模式，并且表明粘连缺陷是脉络膜新血管形成的起始和发展的主要因素。Cringle等人(Comp.Biochem.Physiol.AMol.Integr.Physiol.2002；132(1):61-6；和Investigative Ophthalmology&VisualScience.2002；43(6):1922-7.)将视网膜分成多层，并使用数学模型根据该层中的氧消耗速率和脉络膜毛细血管中的氧水平计算每层中的氧张力。McDougall等人(Bull MathBiol.2012；74(10):2272-314)使用混合离散-连续数学模型研究正常视网膜发育期间的血管生成，并计算模拟了视网膜血管丛的结构，其与在不同发育阶段的整个视网膜脉管系统一致。本模型处理不同的病理生理学问题：基于毛细血管阻塞的局部VEGF依赖性传播机制，糖尿病性视网膜病变中的缺血和水肿的进展。与本发明的研究不同，Gandica等人(PLoSOne.2014；9(11):e113165)开发了视网膜缺血的计算模型，研究了视网膜脉管系统局部阻塞的临界尺寸和密度对糖尿病性视网膜病变出现的影响。在Gandica等人的模型中，各种尺寸的局部血管阻塞(假定由不稳定蛋白质如血管生成素-2引起)随机分布在感兴趣的区域，检查得到的缺氧区域作为糖尿病性视网膜病变潜在表型的指标。他们研究中的一个重要结论是，如果局部阻塞的密度超过临界阈值，那么尺寸小于特征灌溉长度的局部阻塞由于协同作用会导致大的缺氧面积。正如作者还指出的那样，模型的局限性是对氧运输的简化考虑。

为了确保视网膜毛细血管网络的特定几何形状得到顾及，使用来自实际受试者成像的血管网络或来自文献中的周边视网膜毛细血管网络，并且不是为了这些建模目的而创建的。此外，氧扩散系数取自文献。

模型描述

本研究使用计算模型探讨了局灶性毛细血管阻塞对降低视网膜细胞局部氧合作用、所产生的VEGF升高、和对毛细血管阻塞的传播和水肿形成的后果的影响。使用AOSLO从正常患者确定该毛细血管网络的解剖结构(图12)。该网络是具有连接小动脉和小静脉的毛细血管的动静脉区域，在一个边缘处是中心凹无血管区，在另一边界处是视网膜组织。对网络进行计算重建，并用边界血压和动脉和FAZ氧张力初始化模拟(图12)。主要入口动脉节点和出口静脉节点分别被赋予血压和。预测这些压力不会受糖尿病状态影响并保持不变。其他边界节点被赋予中间值的血压(参见下面的模型详细描述部分中描述的边界条件和初始模拟状态)。FAZ区域被视为氧源，由脉络膜毛细血管提供。入口动脉节点和FAZ区域被赋予氧张力和，而出口静脉氧张力取决于模型。具有进入的血流的其他边界节点被赋予较小值的氧张力。在Mueller细胞中缺氧诱导的VEGF分泌增加已知为是糖尿病性视网膜病变中的一种情况。FAZ区域被视为VEGF的低谷。在局灶性毛细血管阻塞后，在该视网膜区域内模拟氧合和局部VEGF水平。在模拟的毛细血管网的区域内，动脉侧接收富氧血液，而从静脉末端带走氧张力较低的血液。氧从毛细血管扩散到组织间隙，在那里它被视网膜细胞消耗和代谢。局部视网膜组织的缺氧由局部毛细血管段阻塞诱导，局部VEGF的产生依赖于在缺血性Mueller细胞中缺氧的上调水平。由Mueller细胞释放的VEGF扩散到其他附近的开放毛细血管段，其基于ICAM的潜在和不可见模型的上调以及白细胞停滞的可能性增加而概率性地导致更多的阻塞。氧和VEGF通量的示意图在图13中描绘。

参考图13，彩色块表示模型对象：毛细血管块(CAP为红色)，流体部分(FP为青色)，Mueller细胞(MC为绿色)和其他视网膜细胞(OT为棕色)。箭头、三角形和正方形形式的标记用于表示建模的通量。左边是氧通量，包括平流、扩散和代谢。为对象CB建模氧平流。对CAP、MC、OT和FP中的对象对建模氧扩散。氧代谢仅针对对象MC和OT建模。右边是VEGF通量，包括合成、扩散和衰变。VEGF合成再次针对对象MC进行建模以作为模型的唯一VEGF来源。VEGF扩散被建模用于CAP、MC、OT和FP中的对象对。VEGF衰变针对物体CAP、MC、OT和FP建模。模型对象的排列不一定反映在模拟中构造的详细配置。

模型对象和过程

所描述的计算模型由四种广义模型细胞类型组成：毛细血管块(CAP)、流体部分(FP)，Mueller细胞(MC)和其他视网膜细胞(OT)。与模型中的这四种广义细胞类型一起是另一个模型对象，称为传送带块，CB，其是与毛细血管块相关联的对象，并且被引入用于氧平流的建模。除了五个模型对象外，模型中还存在两个化学领域：氧和VEGF。模拟过程包括血液携带氧的平流、氧的扩散和代谢、以及VEGF的合成、扩散和衰变。如下面的模型部分的详细描述所述和表4中所总结的，模型对象具有以下属性并且代表各种视网膜细胞：

CAP是毛细血管段的结构元素。CAP在功能上代表毛细血管段，其毛细血管腔内具有内皮和血液。CAP涉及氧扩散和VEGF扩散和衰变的模块。CAP有三种状态：“正常”、“渗漏”和“阻塞”。如果局部VEGF水平大于阈值，则“正常”CAP可以转变为“渗漏”状态。如果满足“阻塞”条件(其概率由升高的VEGF水平升高并且由升高的血流速度降低)，则“正常”和“渗漏”的CAP都可以转变为“阻塞”状态(表5)。一旦一个CAP变为“被阻塞”，该毛细血管段从一个节点到另一个节点的流量被设置为零。此外，“阻塞”是CAP的永久或不可逆状态。(有关毛细血管阻塞的更多细节，请参阅下面的“模型详细说明”部分)；

FP是视网膜水肿(视网膜内流体囊性区域)的结构元素并表示其增量体积。FP表示在CAP处于渗漏状态时从CAP渗漏的流体。FP被建模为类似“细胞”的对象，被周围的对象很好地捕获。FP涉及氧扩散和VEGF扩散和衰变的模块。(关于水肿形成的更多细节参见下面“模型详细说明”部分)；

MC涉及氧扩散和代谢以及VEGF合成、扩散和衰变的模块。MC有两种状态：“正常”和“缺氧”。只有当细胞氧张力低于阈值时，“正常”MC才能可逆地转变为合成VEGF的“缺氧”状态。在该模型中，只有“缺氧”MC才具有合成VEGF的能力，尽管在糖尿病视网膜中许多其他细胞至少具有一些合成VEGF的能力；

OT广泛地包括除Mueller细胞之外的所有其他视网膜细胞，即包括星形胶质细胞和小胶质细胞的神经视网膜，但不包括从脉络膜毛细血管供应氧的光感受器。OT涉及氧扩散和代谢以及VEGF扩散和衰变的模块；和

CB是在模型中产生的功能元件，以沿着线性管道“传送”氧，因此CB或传送带不是对应于视网膜结构的解剖学元件，而是允许数学上方便地模拟氧平流的模型装置。CB参与氧平流模块。每个CB与“主体”CAP相关联，其通常包含多于一个CB。与每个毛细血管段上固定的预定义CAP大小相反，CB的大小与其主体毛细血管段上的血流速度成比例。

表4.模型对象的性质和行为

表5.模型对象的状态转换

为了模拟氧平流，将每个毛细血管段离散成一维尺寸相同的CB序列，并使用“输送”作用模拟氧平流，其将给定CB中的一定体积的氧移动到下一个下游连接的CB(图14)。参考图14，CAP在整个模拟中是固定的，因此每个毛细血管段具有固定数量的CAP。相比之下，CB的尺寸总是与毛细血管段上的流速成比例，因此流速以及因此开放毛细血管段上的CB的数量可以随着其他地方的阻塞而变化，因为网络中的流量被调整为改变的网络阻力结构。在平流的每个时间步骤期间，CB将其氧体积传递到下一个CB。重要的是，CB的尺寸等于主体毛细血管段的流速乘以平流的时间步长，这意味着氧从一个CB到下一个CB的“输送”速度恰好等于该毛细血管段中的流速。在合并连接处，上游毛细血管段在其最后的CB中添加氧体积并将总量传递到下游毛细血管段的第一CB。在分支连接处，母体毛细血管段根据血流量体积的守恒将其最后一个CB中的氧体积分配到子段的第一CB中。数学描述在模型的详细描述部分中详述为等式(9)-(11)。每个CB与主体CAP相关联或映射到主体CAP。平流(涉及CB)和扩散(涉及CAP)模块与在主体CAP及其相关CB之间转换氧体积的过程相关联。(参见图15)。

CB的尺寸与平流的流速和时间步长成比例。在接合处合并的情况下，先前毛细血管段的最后CB中的总氧体积被输送到后继毛细血管段的第一CB(图14)。在接合处分支的情况下，强制保持血流以将母体毛细血管段的最后CB中的氧体积适当地分配到子毛细血管段的第一CB(图14)。数学描述在下面的模型的详细描述部分中详细描述为等式(9)-(11)。氧平流传送带模型的好处是可以灵活地调整CAP中的CB数量而不会干扰氧扩散。当发生阻塞时，毛细血管网络上的流速会发生变化，因此CAP上CB的尺寸和数量也会发生变化。这改变了氧平流的离散化，但氧扩散模块不受影响。遵循一个简单的规则将CB与CAP相关联：如果CB的中心被CAP的体积所包围，则CB与CAP相关联。然后，使用以下顺序的过程来连接平流和扩散模块：(1)在时间步骤t₀在每个毛细血管段上在CB中的氧平流；(2)恰好在时间步骤t₀的扩散之前将氧气体积从CB水平转换为CAP水平；(3)在时间步骤t₀的涉及CAP及其周围对象的氧扩散；(4)恰好在时间步骤(t₀+Δt_f)的平流之前将氧气体积从CAP水平转换为CB水平(图15)。关于氧平流的CB模型的更多细节描述在下面的模型的详细描述部分中。

参考图15，在每个时间步骤期间，平流的模拟先于包括扩散在内的其他过程的模拟。在平流之后(涉及传递含氧血液的CB)和扩散之前(涉及CAP)，CAP总是在其所有相关CB中总计氧体积并更新其扩散前氧体积。扩散的模拟更新CAP以具有其扩散后的氧体积。在扩散之后和在下一个时间步骤之前的平流之前，相关的CB必须具有与在扩散期间CAP增加或损失相同的氧体积的相对变化，即，从扩散前到扩散后的值的百分比变化。这在数学上承认了氧的守恒。实例中显示了三个连续的时间步骤。这个说明的一个简单假设是第一个CB总是从上游(未绘制)接收1个单位氧量。为此说明做出的另一个简化是仅考虑CAP(以红色显示)和附近OT(以浅棕色显示)之间的扩散。在实际模型中，也处理了OT到OT的扩散。请注意，在某个步骤中，粗体数字表示要更改或更新的值。在从t₀到t₀+Δt的第一个时间步骤期间，当第二个CAP及其相关的CB仍然具有零氧体积时，第一个CAP和相关的CB经历：(1)将1个单位氧体积传递到第一个CB的平流过程，同时没有涉及CAP；(2)通过加1(其第一个相关的CB)和0(其第二个相关的CB)来更新CAP的扩散前氧体积的中间步骤；(3)扩散过程在接触时递送0.2至OT(在该实施例中为了方便而假定的量，并且在该实施例中再次忽略OT-OT扩散)并且CAP的扩散后氧体积变为0.8，而不涉及CB；(4)通过减去0.2/1＝20％(扩散/扩散前)来更新CAP相关CB的氧体积的时间段的最后一步，第一CB现在因此具有0.8氧体积。在从t₀+Δt到t₀+2Δt的第二时间步骤期间，进行类似的口头“模拟”。(1)当另一1氧气体积传递到第一个CB时，平流过程进行，并且先前由第一个CB保持的0.8被传递到第二个CB；(2)中间步骤向第一个CAP增加1和0.8，仍然没有添加到第二个CAP；(3)扩散过程首先将第一个CAP的氧体积更新为1.44，扩散出0.36；(4)最后一步再次通过减去扩散分数0.36/1.8＝20％而更新两个主体CAP的两个CB中的氧体积。在从t₀+2Δt到t₀+3Δt的第三时间步骤期间，平流现在将先前由第二CB保持的氧体积0.64传递到与第二CAP相关联的第三CB。中间步骤通过总计其相关CB中的氧体积来更新两个CAP。扩散过程现在改变两种CAP的氧体积，第一次和第二次扩散分别为0.36/1.8＝20％和0.1/0.64＝15.625％。最后一步减去其与百分比变化相关联的CB的氧体积。

为了模拟化学场的扩散，假设每个广义细胞具有均匀的细胞内化学浓度，并且扩散发生在相邻细胞对之间的界面处。氧的代谢和VEGF的合成和衰变被建模为细胞内过程(图13)。至于扩散，广义细胞之间的氧或VEGF的交换速率与浓度的细胞间梯度和细胞间接触表面积成比例。氧的代谢服从Michaelis-Menton动力学，该动力学假定在不同的细胞内氧张力下氧消耗的变化。缺氧MC中VEGF的合成依赖于细胞内氧张力和VEGF水平。使用一级动力学模拟VEGF的衰变。FAZ区域被视为氧源和VEGF低谷。氧和VEGF通量的详细信息可在下面的“模型详细说明”部分中找到。

模型工作流程

本模拟涉及三个不同的时间间隔：氧和VEGF通量积分的时间步长Δt_f；检查水肿形成的时间间隔Δt_e；以及检查阻塞的时间间隔Δt_o。选择Δt_f以使得通量的微分式被适当地积分。相反，选择Δt_e和Δt_o使得与新衍生的阻塞后氧和VEGF稳态的快速建立(秒)相比，可能的水肿形成和毛细血管阻塞以显著更慢的速度(数月至数年)发生。在Δt_f＝0.002s,Δt_e＝7天,Δt_o＝28天的情况下，模型工作流程如图16所示。氧和VEGF稳态的时间基本上由物理学规定，而选择水肿和毛细血管阻塞的其他更长时间以允许模型根据临床疾病的进展粗略地进展。

参考图16，通过输入原始毛细血管网络拓扑和结构以及组分细胞来初始化模拟。接下来发生流速的计算以及氧和VEGF通量的模拟。每个模型周，模型解决毛细血管渗漏，并评估每个模型月毛细血管阻塞。(1)如果没有发生新的阻塞，模型只需重复检查水肿形成和毛细血管阻塞，直到发生阻塞或直到达到预先指定的模拟时间(我们的时间转换率为3年)。(2)一旦发生新的阻塞，就改变网络拓扑并调整其结构以消除不可逆阻塞毛细血管中的流动，然后是先前步骤的新迭代。如果不再存在有效的流动路径，使流速计算无效，或者达到预先指定的模拟时间，则该过程停止。

1.网络解剖学的输入。

模拟从输入毛细血管网络和细胞开始。毛细血管网络的结构和拓扑信息都是必需的。在本模型中，通过AOSLO成像获得的实验图像的数字化来确定初始结构和拓扑信息。基于AOSLO图像的测量，遵循高斯分布估计毛细血管的直径(d^cap)，平均值为5μm，标准偏差为0.5μm，并且测量的末端小静脉和小动脉具有高达10微米的较大直径。具有节点和边缘的拓扑信息的该结构信息被读入CompuCelBD以重建毛细血管网络。接下来，将Mueller细胞MC均匀地布置到毛细血管网络周围的开放空间中。这些是大致解剖学的尺寸。没有被MC占据的空间变成另一组织(OT)。更多详细信息请参见下面的“模型详细说明”的模拟的边界条件和初始状态部分。

2.流速的计算。

使用Poiseuille方程确定血流方向和速率，通过模拟给出并固定边界节点处的流体静压。边界节点指的是延伸到感兴趣面积外的毛细血管网络的所有那些，包括动脉入口和静脉出口。更多详细信息请参见下面的“模型详细说明”的“网络流量”部分。

3.氧通量的模拟。

氧平流、扩散和消耗的模拟分为三个独立的子模块，其共享相同的积分时间步长Δt_f。该模型的一个重要特征是在CB水平模拟平流，而分别在细胞间和细胞水平模拟扩散和消耗。因此，在实际模拟平流之前，需要一个过程来读取当前的CAP水平氧体积以更新CB水平氧体积。在通过CB模拟平流之后并且在模拟氧的扩散和消耗之前，需要一个过程来将CB水平的氧体积转换成CAP水平的氧体积。执行氧通量的模拟，直到所有模型对象达到稳定的氧张力状态。详细信息请参见下面的“模型详细说明”的“氧流量”部分。

4.VEGF通量的模拟。

VEGF合成、扩散和衰变的模拟被分成单个的子模块，其共享与氧通量相同的积分时间Δt_f。该模块在模拟氧通量后立即进行。执行VEGF通量的模拟，直到所有模型对象达到VEGF水平的稳态。详细信息请参见下面的“模型详细说明”的“VEGF通量”部分。

5.水肿的形成。

在Δt_o的每个周期，检查所有CAP对象的水肿形成条件。一旦在CAP处的局部VEGF水平超过预定阈值，则在CAP附近形成水肿。水肿被建模为伪细胞FP，其在每个Δt_o被生成，只要满足超阈值VEGF的要求，即Δt_o保持在“渗漏”状态。假细胞的流体部分在系统底部消失，这代表视网膜色素上皮细胞除去多余流体的功能。详细信息请参见下面的“模型详细说明”的“水肿形成”部分。

6.毛细血管阻塞的概率依赖性。

在Δt_e的每个周期，检查所有CAP对象的用于确定毛细血管阻塞的概率函数。如果满足要求(其取决于CAP的细胞内VEGF水平和毛细血管段的血流速度)，则CAP变为“阻塞”状态，并且属于相同毛细血管段的所有CAP也变为“阻塞”状态。因此，毛细血管段获得无限流动阻力(在该模型中，无穷小数现在被指定为该段的直径)并且被有效地阻塞。详细信息请参见下面的“模型详细说明”的“毛细血管阻塞”部分。这是该模型表示白细胞将毛细血管阻塞的过程。假设高流动使得白细胞的粘附不太可能，因为在物理上白细胞正在经受更大的压力将其沿着毛细血管推送。对VEGF水平的依赖性包括局部ICAM水平对局部VEGF的依赖性，其中较高的VEGF水平提供较高的ICAM水平和增加的白细胞粘附。

7.是否出现新的毛细血管阻塞。

如果发生阻塞，则网络拓扑变化并且毛细血管直径稍微适应于血液动力学和代谢刺激。重复步骤(2)-(6)直到模拟结束或直到所有开放毛细血管流动路径不再存在。如果没有发生阻塞，则重复步骤(5)-(6)直到发生新的阻塞或直到模拟结束。

模型输出

毛细血管阻塞

该模型从图17A中所示的细胞-血管配置开始。图17A描绘了涉及毛细血管网络的2D XY横截面，Mueller细胞(绿色)和其他视网膜细胞(棕色)在由毛细血管块(红色)组成的毛细血管段之间被均匀初始化。图17A的3D图像描绘了初始化期间的模拟部分(在3D完全初始化的配置中，毛细血管网络被MC和OT细胞覆盖并且在视觉上不可接近)。模拟的视网膜切片的尺寸为510μm×600μm×50μm。为了在视觉上跟踪毛细血管网络的阻塞，在每个时间点使用彩色图示出血流路径(图17B)。流速图包括主要小动脉入口(图17B中的右下方)、主要小静脉出口(右上方)、延伸到感兴趣区域外的侧向交通以及互连的通路。靠近FAZ的毛细血管(图中左侧)以相对较小的速度携带血流。速度的单位是μm/s。另外，该模型计算平均最小细胞-血管距离d^min，其测量从Mueller细胞到其最近的开放或非阻塞的毛细血管段的距离作为系统输出。

缺血

使用彩色图将视网膜的氧合可视化，其中呈现氧的空间分布并且缺血以蓝色突出显示(图17C)。毛细血管段和FAZ附近的氧张力最高。细胞离灌注毛细血管的距离越远，其氧水平就越低。氧张力的单位是mmHg。此外，该模型利用所有Mueller细胞的平均氧张力作为氧供应条件的全局度量。同时，细胞氧的分布表示不充分氧合的细胞部分，即缺血。缺血的后果是VEGF的局部产生并产生所得的平衡VEGF浓度图(图17D)。最初假设VEGF水平在整个区域中处于低但非零的基础浓度。VEGF水平具有任意单位。“FAZ指的是中心凹无血管区，”A“指小动脉，以及”V“指小静脉。

流量

在模型中监测总流入速率作为系统输出，指示模型化组织部分接收氧合血液的程度。另外，嵌入毛细血管网络的矢量图显示了流速的空间分布，其以颜色编码。

视网膜厚度

随着阻塞过程的进展监测视网膜厚度的颜色编码轮廓，其充当视网膜水肿替代物。视网膜厚度简单地指模拟部分的Z轴的尺寸(图17A)。

模型的详细描述

网络流量

为了计算毛细血管段lm内的血流速度(段是指在两个分支接合l和m之间的毛细血管)，应用Poiseuille方程，其将流动阻力与毛细血管直径、长度和表观粘度相关联：

其中是从分支节点l到m的体积流速；P_l是接合l处的流体静压，P_m是m处的流体静压；D_lm是该段的管腔内直径；η_lm是该段内血液的有效粘度；L_lm是该段的长度。

Pries等人通过研究血液的体内流变学，总结了体内有效粘度与血管段直径和血细胞比容的关系(Pries等人Circ.Res.1990；67(4):826-34；Pries等人CircRes.1994；75(5):904-15；和Pries等人Am.J.Physiol.Heart.Circ.Physiol.2005；289(6):H2657-64)。所提出的关系与效应(其描述了随着直径减小至约10μm而降低的有效粘度)和反向效应(其描述了对于小于10μm的直径而言随着直径减小而增加的有效粘度)一致。体外表观粘度与段lm的管直径和血细胞比容的关系如下：

其中C和η_0.45分别计算为:

和

等式(2)将给出体外有效粘度。根据Pries等人的研究，体内流动阻力可以通过体外粘度和阻碍血液流动的内皮表面层的作用来解释(Pries等人,Am.J.Physiol.HeartCirc.Physiol.2005；289(6):H2657-64和Pries等人,Pflugers Arch.2000；440(5):653-66)。然后将体内粘度计算为其中是该段的有效直径，如从等式(8)-(11)计算的。假设在所有计算中每个毛细血管段的血细胞比容保持0.45的值，尽管血浆撇取(plasma skimming)是已知的现象，其将逐渐提高沿小动脉的血细胞比容。

本模型还包括结构适配模块，其在每次阻塞后稍微调节所有毛细血管的有效直径。Reglin等人(Am.J.Physiol.Heart Circ.Physiol.2009；297(6):H2206-19)提出了收敛目标方法，以响应血流动力学和代谢刺激来调整直径，其形式为ΔD＝Δt·S_tot·D，其中在模型中Δt＝0.5·Δt_f以及S_tot＝k_h(S_τ+k_pS_p)+k_m(S_m+k_cS_c)-k_s是四种刺激的组合：透壁压力剪切应力S_τ＝log(τ+0.103)、氧张力和传导信号S_c。k_h,k_p,k_m,k_c和k_s是五个系数，值分别为1、0.2、1、1.6和2。由透壁压力S_P引起的刺激(假设随着透壁压力的增加而以S形减小)会降低毛细血管的直径。由剪切应力S_τ引起的增加的刺激假定导致直径增加。每个毛细血管段中所有CAP对象的平均氧张力被认为是代谢信号，在本模型中且即氧张力越低，代谢刺激越大。由代谢信号S_m(本模型中毛细血管段中的平均氧张力)引起的增加的刺激被假定为增加直径。总刺激的第四个成分是代谢信息的传导信号S_c，该信号在影响上游段的段中产生(Reglin等人,Am.J.Physiol.Heart Circ.Physiol.2009；297(6):H2206-19)。该模块不是本模型的重点，并且该模块的包含用于在毛细血管阻塞后可存在的结构适应的定性描述。本模型包括有助于调整段直径的所有刺激成分，但通过设置相对较小的Δt来限制模型中的自适应效果。在每次阻塞之后，仅执行一个Δt周期的适配模块。如所观察到的，这种一步适应引起的最大直径变化约为2％。同样，该模块的目的是在流速和氧张力的更新分布之后，响应血液动力学和代谢刺激，对直径适应作出定性意义。这种适应对糖尿病毛细血管阻塞进展的影响程度在临床上尚不清楚，但鉴于在缺血区域周围发现IRMA，可能至少有一些作用。

氧通量

在血液中，氧存在于三个隔室中：结合在红细胞(RBC)中的血红蛋白、未结合在RBC中的血红蛋白和未结合在血浆中的血红蛋白。血液中的氧张力与氧浓度有以下关系：

其中求和中的每个项对应于三个隔室中的一个。在第一项中，c_Hb是RBC内血红蛋白的浓度，是与血红蛋白结合的氧的饱和度，其获得Hill函数的形式(其中n＝3)，以及在半最大血红蛋白饱和度的氧张力为在第二项中，α_RBC是未结合的氧在RBC中的溶解度。在第三项中，α是血浆中游离的氧的溶解度。

在组织中，假设氧溶解度等于α。然后氧张力和氧浓度之间的关系遵循亨利定律使用粗粒细胞间转移，将氧的扩散在所有四种细胞类型(CAP、FP、MC、OT)之间建模，假设在每个细胞内氧张力是均匀的。在短时间Δt_f内，由于细胞间转移导致的细胞(i)内的氧体积变化计算如下：

其中是细胞(i)中氧体积的变化。在上标和下标中使用的括号(i)表示细胞id，区别于表示毛细血管网络的节点ID的未括号的i，其适用于所有以下等式。在等式的右边，Δt_f是模拟氧和VEGF通量的积分的时间步骤；A_(i)(j)是一对细胞邻居(i)和(j)之间的接触表面积；d_(i)(j)是细胞(i)和细胞(j)的质心之间的距离；并且求和遍历所有细胞(i)的接触的邻居。只有当(i)是CAP时等于否则等于

对于中心凹无血管区附近的细胞，存在来自FAZ的额外氧通量，假设由脉络膜毛细血管供应。在该模型中，FAZ被视为三维系统的整个侧面。如果细胞接触到这一侧，它会从FAZ接收氧。假设FAZ具有恒定的氧张力以及由于FAZ到细胞的转移而在细胞(i)内的氧体积的额外变化计算为：

其中是细胞(i)中由于其与FAZ接触而引起的氧体积的额外变化，并且给出这些细胞的氧体积的总变化；是FAZ和细胞(i)之间的接触表面积，为简单起见，其近似为细胞(i)的细胞表面积的六分之一；是从细胞(i)的中心到FAZ的距离。

氧的消耗是针对两种细胞类型(MC，OT)建模的。为了捕获细胞的能够根据可用的氧供应来调整其对氧的需求的能力，将Michaelis-Menten型动力学应用于模拟氧消耗。在短时间Δt_f内，由消耗导致的细胞(i)内的氧体积变化计算如下：

其中M₀是细胞的最大耗氧率；是细胞获得半最大耗氧率的氧张力。

提出了类似传送带的方法来模拟氧平流(图14-15)。一个优点是每个毛细血管段可以灵活地重新离散，而不会干扰扩散模块。当毛细血管阻塞发生并且其他开放毛细血管段上的流速发生变化时，这很有用。

氧平流模块针对对象CB建模，并且在通量模拟的每次迭代期间在CB和CAP之间转换氧体积。虽然CAP是毛细血管段的结构元素(在模型配置中可见)，但是CB是氧平流的功能元素(视觉上隐藏)。在某个毛细血管段jk上，模型将该段离散成一系列CB，每个CB的尺寸为a_jk＝u_jk·Δt_f，其中是段上的流速。因此，一旦CB中的氧转移到最近的下游CB，氧就以该毛细血管段中的血流速度移动。毛细血管段上的流速越慢，每个CB越小并且氧的平流越慢。同一毛细血管段上的所有CB具有相同的尺寸，毛细血管段上的CB数量仅仅是毛细血管段的长度除以单个CB的尺寸。CB到CAP的映射由离散化后CB的中心位置决定。只要CB的中心在CAP的范围内，该CB就属于该CAP。作为实例，第一CAP包含段jk上的第一和第二CB，第二CAP包含第三和第四CB，以及最后一个CAP包含第(n-1)和第nCB(图14)。在涉及平流和扩散的一小段时间Δt_f期间，需要两个中间步骤在CAP与其相关CB之间转换氧体积(图15)：(1)模拟在时间步骤t₀时每个毛细血管段上的CB中的氧体积的平流；(2)在时间步骤t₀的平流后立即求和CB水平的氧体积以更新CAP水平；(3)如上所述建模对象之间的扩散；(4)在时间步骤t₀的扩散后立即从相关的CB减去CAP水平扩散的氧体积。

在具有n_jk CB,CB{0，1，2，...，n_jk-1}的某个毛细血管段jk上携带氧体积其中上标[i]指的是该段上CB的排名。以下三个方程用于平流的模拟(图14)：

等式(9)描述了使用jk作为实例的毛细血管段上的平流。等式(10)描述了使用接合k作为实例的将母毛细血管段分成两个子毛细血管段的接合处的氧体积分布。等式(11)描述了将两个前任毛细血管段合并成一个后继段的接合处的氧体积的总和(图14)。在等式(9)中，n_jk-1是段jk上的最后CB的等级。该等式(9)描述了将氧体积从CB传递到最近的下游相邻CB所需的过程。在等式(10)中，是在母毛细血管段jk上的最后CB中的氧体积，并且在这种情况下是在一个子毛细血管段ks上的第一CB中的氧体积。S_jk·u_jk和S_ks·u_ks分别是每单位时间离开段jk和进入段ks的血流体积。基于在接合k处的血流体积的守恒并且假设在血流离开母段并进入两个子段的情况下氧张力保持恒定，段ks上的第一CB接收来自段jk上的最后CB的氧体积的一部分，其分数等于(S_ks·u_ks)/(S_jk·u_jk)。应用氧体积分配到段jk中的相同规则。在等式(11)中，是后继毛细血管段jk上的第一CB中的氧体积，并且在这种情况下是在一个先前毛细血管段xj上的最后CB中的氧体积。根据合并流动瞬间血流体积的守恒，等于和的总量。使用分支和合并情况的组合规则，可以对具有N个子段和M个父段(N和M大于1)的接合进行一般扩展。

氧平流的传送带模型的一个实例如图15所示。查看了三个连续的时间步骤。为了清楚起见，在每个时间步骤中，在实例中仅包括氧平流和扩散的模块，以及假设通量(以黑色箭头示出)从CAP(以浅红色显示)扩散到OT(以浅棕色显示)的简单路径。此外，为了强调给定步骤中氧体积的变化，数字以粗体突出显示。在从t₀至t₀+Δt的第一个时间步骤期间，当第二个CAP及其相关的CB仍然具有零氧体积时，第一个CAP和相关的CB经历(1)平流过程，其将1个单位氧气体积(从未示出的上游CB传送的量的实例)传递给第一个CB，而CAP不参与平流；(2)通过添加1(其第一个相关的CB)和0(其第二个相关的CB)来更新CAP的预扩散氧体积的中间步骤，(3)在接触时递送0.2到OT的扩散过程(在这个实例中为方便而假设的量，并且在这个实例中再次仅考虑简单的CAP→OT扩散)并且CAP的扩散后氧体积变为0.8，而CB不参与扩散；(4)通过减去扩散量0.2/1＝20％(扩散/预扩散)来更新CAP的相关的CB的氧体积的最终步骤，由此第一CB现在具有0.8氧体积。在从t₀+Δt至t₀+2Δt的第二时间步骤期间，进行类似的口头“模拟”。(1)当另一个氧体积传递给第一个CB，并且先前由第一个CB保持的0.8传递给第二个CB时，平流过程发生；(2)中间步骤为第一个CAP增加1和0.8，但第二个CAP仍然没有；(3)扩散过程将第一个CAP的氧体积更新为1.44，其中0.36(在该实例中为方便而选择)扩散出来；(4)最终步骤再次通过减去扩散分数0.36/1.8＝20％而更新CAP的两个CB中的氧体积。在从t₀+2Δt至t₀+3Δt的第三时间步骤期间，平流现在将先前由第二CB保持的氧体积0.64传递到与第二CAP相关联的第三CB。中间步骤通过总计其相关CB中的氧体积来更新两个CAP。扩散过程现在改变两个CAP的氧体积，第一和第二扩散分别为0.36/1.8＝20％和0.1/0.64＝15.625％。最终的一步从与百分比变化相关的CB中减去氧体积。

VEGF通量

在本模型中，VEGF在导致毛细血管网络阻塞中起重要作用。具体而言，假设由Mueller细胞在低氧条件下合成和释放的VEGF在该模型中对毛细血管阻塞和渗漏都有贡献。在生理学上，VEGF通过在内皮细胞上诱导ICAM表达而导致白细胞停滞和毛细血管阻塞增加，从而间接引起毛细血管阻塞，而在模型中，这些中间步骤未被处理。模型中的水肿被认为是VEGF升高的直接作用。在目前的模型中，忽略了除MC之外的模型细胞类型的VEGF的合成。而且，没有处理通过血流的VEGF平流。

VEGF的产生针对一种细胞类型(MC)建模，其合成速率取决于当前细胞VEGF水平和氧张力。随着产生的VEGF量在Mueller细胞内增加，生产率应答于细胞的有限生产能力而下降，部分原因是反馈信号传导。此外，生产率也直接取决于由细胞氧张力阈值确定的因子。当细胞氧张力低于给定的缺氧阈值时，该因子迅速接近1。在时间段Δt_f期间，细胞(i)中VEGF浓度的变化由下式给出：

其中是VEGF的生产率常数；是VEGF产生能力；是分离常氧和缺氧的氧张力阈值；vol⁽ⁱ⁾是细胞(i)的体积；是细胞VEGF浓度以及是细胞氧张力。

VEGF的衰变针对四种细胞类型(CAP，FP，MC和OT)建模。在短时间Δt_f内，由衰变引起的细胞VEGF浓度的变化由下式描述：

其中是VEGF的衰变速率常数。

VEGF的扩散在四种细胞类型(CAP、FP、MC和OT)的一些对之间模拟，其包括以下通量：MC→OT、OT→OT、FP→FP、OT←→FP、FP→CAP和OT→CAP。所述模型假设，VEGF不被MC吸收，并且不通过平流离开CAP。从细胞(i)转移VEGF的控制方程类似于描述氧扩散的方程：

其中是组织空间内VEGF的近似扩散速率系数。并且(i)→(j)的可能方向遵守上述转移通量的规定。

与氧扩散的情况类似，对于与FAZ接触的细胞存在额外的通量，其中FAZ充当VEGF的汇并且其快速去除VEGF。当接触FAZ时，细胞(i)内VEGF浓度的额外变化计算如下：

其中和遵循与氧扩散相同的近似规则。

毛细血管阻塞

概率函数用于确定毛细血管阻塞的发生。阻塞是模型中不可逆的过程，因为阻塞的毛细血管最终会变成无细胞，可能是由与阻塞白细胞的生化相互作用引起的。在生理学上，由于白细胞停滞导致复发性暂时性阻塞，最终，通过内皮细胞的丧失和对其再生的限制，导致不可逆的毛细血管阻塞。该模型仅解决了这个最终的毛细血管阻塞事件。计算毛细血管阻塞概率的两个事件之间的时间间隔远远大于描述氧和VEGF通量的ODE的积分的时间步长。在本模型中，毛细血管阻塞的判断是在CAP水平上进行的。在每个时间段Δt_o，将计算出的每个CAP细胞(i)的阻塞概率与0和1之间的随机数进行比较。如果前者大于后者，则发生阻塞(表5)。如果做出阻塞判定，则CAP细胞(i)所属的整个毛细血管段k1的直径将被设置为无穷小数(由于除以零组织而不为零)。在数学上，这对血流具有巨大的抵抗力，相当于血管阻塞。该概率函数与局部VEGF水平和血流速度相关，并且具有以下形式：

其中u^thr是临界血流速度，是临界VEGF水平，以及vol⁽ⁱ⁾是CAP(i)的体积。

选择阻塞概率函数的形式，使得其响应于每个VEGF水平和流速具有S形形状。较高的VEGF水平和较低的流速提供更大的阻塞概率。概率函数中的指数控制S形曲线的陡度，而等于的VEGF水平和等于u^thr的流速对应于S形曲线的最陡部分。如下面的参数影响部分的参数选择和分析中所述，针对和u^thr测试了各种各样的值。每个参数的变化极大地影响毛细血管网络开放度和视网膜厚度。

水肿形成

通过VEGF升高超过阈值来触发水肿形成。在本模型中，假细胞型流体部分(FP)用作水肿成分。假设FP是一个几乎不会扩散并被周围对象困住的对象。还假设如果其任何成员CAP的局部VEGF水平大于阈值，即，则开放(未被阻塞的)毛细血管段变得渗漏(表5)。水肿仅在渗漏部位(i)附近形成。在每个Δt_e在渗漏CAP附近创建FP作为渗漏流体的视觉表现，并且是视网膜增厚的原因。此外，添加代表视网膜色素上皮细胞功能的泵送机制，以仅在FP足够大以在Z＝0处物理接触底部边界表面时才消除FP。这反映了视网膜色素上皮泵去除多余积聚的流体的作用。

FP的创建类似于在模拟开始时的细胞初始化。选择与渗漏CAP的随机选择的表面体素接触的体素作为FP的种子。然后实施Cellular Potts模型以将一体素种子扩展到预定义尺寸vol^FP。在扩展期间，FP置换周围细胞以导致视网膜组织变厚。根据Cellular Potts模型(参见Graner和Glazier,Phys.Rev.Lett.19992；69(13):2013-6，以及Glazier和Graner,Phys Rev E Stat Phys Plasmas Fluids Relat Interdiscip Topics.1993；47(3):2128-54)，FP种子的生长和推动效应通过以下Hamiltonian的最小化来有效地控制：

其中第一个求和描述了细胞之间的粘附能量，以及第二个求和描述了细胞的体积约束。τ(σ(i))代表细胞σ(i)的细胞类型。J(τ(σ(i))，τ(σ(j)))是在晶格位点i，j之间两种细胞类型的粘附能量。术语(1-δ(σ(i)，σ(j)))将粘附能量的计算限制为仅在代表不同细胞的晶格位点之间。λ_vol指定体积约束的强度。vol(σ(i))和vol^tgt(σ(i))分别是当前细胞体积和靶细胞体积。

就水肿形成而言，λ_vol需要大的值并且vol^tgt等于vol^FP，使得与目标体积的轻微偏差显著增加H，并因此伪细胞快速增长至目标尺寸。就底部的流体消除而言，vol^tgt被设置为0，这使FP收缩。应该注意的是，Cellular Potts模型对于将FP种子扩展到预定义尺寸的建模不是必需的。然而，一旦形成FP，Cellular Potts模型为周围细胞重排的过程带来了便利。

边界条件和刺激的初始状态

模型中强加了一些边界条件。第一边界条件指定网络流量模块使用的边界节点的流体静压和进入的氧张力值。就静水压而言，小动脉节点(A)具有压力静脉节点(V)具有压力并且所有其他具有中间压力值当选择既不是A也不是V的边界节点的压力值时，考虑三个标准(i)、(ii)、(iii)。(i)边界节点的压力值的估计取决于它们与A和与V的拓扑距离的比率：β。拓扑距离定义为两个节点之间的最短路径长度。压力值基于拓扑距离计算，β越小，分配的节点压力越高，即使用的α越大。(ii)假设涉及边界节点的毛细血管段始终是相关连接点的“子”边缘。对于网络中的每个连接点，可能存在具有“父”边缘的“子”边缘(在一些地方，如果它是合并连接点而不是分支连接点，则可选择使用“前任”-“后继”关系)，(iii)假设如果β很小，则与边界节点连接的节点可能是分支连接点，其中流速矢量指向表示流出的边界节点。相反，对于在拓扑上更接近静脉出口节点的节点，它可能是合并连接点，其中流速矢量从表示流入的边界节点指向。在毛细血管阻塞的进展期间，所有这些压力值都是固定的。参见图26，其示出了在正常情况下的流速图，其中对于病例1中的所有边界节点具有显著的压力值。类似的规则用于血液中进入氧张力的边界值。未分配输出氧张力，但是从稳态模拟计算。小动脉节点(A)具有压力并且所有其他入口边界节点具有中间压力值假设细胞不会移动到六个边界表面中的任何一个之外。因此，第二边界条件是没有周期性边界条件。假设FAZ是完美稳定的氧源和VEGF汇。因此，第三边界条件指定的固定氧张力，并且还向FAZ区域分配零VEGF水平。

模型配置的初始状态被重建为具有均匀接种的细胞中心的血管网络，每个细胞中心占据一个体素。实施Cellular Potts模型以按与水肿形成部分中讨论的类似方式将一个体素细胞生长至适当尺寸，即a^MC或a^OT。此外，最初假设所有细胞类型中VEGF的低基线水平(的1％)仅仅用于表示初始糖尿病生理条件并且产生非常小但非零的毛细血管阻塞概率。注意，在任何永久性毛细血管阻塞之前，根据动物模型，即使在糖尿病状态的最初几周，糖尿病患者的白细胞粘附概率也可能显著升高。然而，这些白细胞粘附事件不会导致永久性阻塞，因为内皮细胞群尚未被这些复发事件耗尽。该模型仅处理永久性阻塞事件。在该模型中，初始氧张力(这里的“初始”意味着在构建细胞和血管之后，但在任何通量模拟之前)到处都是零，这将在正常条件下模拟氧的平流/扩散/代谢后更新。

参数影响的参数选择和分析

模型中的参数分为三大类：几何参数、时间参数和模块参数。

基于成像图像(例如，病例1)或公布的结构图(周边网络；Spitznas和Bornfeld,Albrecht Von Graefes Arch Klin Exp Ophthalmol.1977；203(3-4):217-29)选择几何参数。选择建模的细胞尺寸以在解剖学上是合理的(表2)，特别是对于MC和CAP。从像素到微米的转换率是每像素2微米，考虑到计算成本和可视化分辨率而选择。

根据模拟要求选择时间参数。参数Δt_f是用于模拟氧和VEGF通量的积分的时间步长。标准是它应该足够小以确保微分方程的适当和稳定的积分，并且足够大以允许实际计算。选择所有其他时间参数，使得模型产生与临床观察相当的时间尺度。只要1MCS的等效时间远大于Δt_f，则MCS至秒的转换率为每MCS 86,400秒。假设导致新的可能的毛细血管阻塞需要比模拟通量的稳态需要更长的时间。前者来自临床经验和动物实验，范围从几天到几周到几年，而后者则在几秒钟内发生。

一些模块参数在已发表的研究中得到了很好的研究，例如与氧和VEGF相关的研究。除此之外，还引入了一些其他地方没有描述的模型特异性参数，例如参与VEGF合成的参与计算阻塞概率的和u^thr，以及参与水肿形成的为方便起见，主要选择这些参数以产生定性可比的模型输出。因此，为了更好地理解几个重要参数对模型输出的影响，围绕参考值一次一个地改变许多参数，并研究在模拟结束时两个模型输出、毛细血管开放指数和平均视网膜厚度变化如何被影响(图27)。请注意，平均视网膜厚度变化参数图的横坐标最大仅为5％。这可能看起来很小，但这是在整个区域平均的视网膜厚度，并且视网膜水肿通常是局部的。选择的参数是：VEGF的扩散系数临界血流速度u^thr、临界VEGF水平VEGF的最大合成率触发水肿的VEGF水平的阈值最大氧代谢率M_O。所有参数变化模拟使用病例1参数作为表示为“1x”的参考点。毛细血管开放指数以模拟结束时的开放度(即未被阻塞的)毛细血管的分数计算，其幅度范围为0％至100％，测量模拟中毛细血管阻塞的进展程度。更高的值、更高的值、更高的u^thr值、更高的M_O值和更低的值以略微不同的方式导致相对较小的毛细血管开放指数(图27)。的增加增强VEGF的扩散长度，而另一方面，的增加增加了Mueller细胞的VEGF合成速率。相反，在给定一定的血流速度或VEGF水平的情况下，增加u^thr或减少提高阻塞概率。然而，对开放指数几乎没有影响，因为它对毛细血管阻塞的概率判断没有任何作用。

相对厚度变化在字面上计算为在模拟结束时沿视网膜组织的Z方向的平均幅度变化的百分比。更高的值、更高的值和更低的值均导致更少的视网膜增厚(图27)。显然，通过直接确定如何形成持续的水肿，显著影响视网膜厚度的变化。相反，和控制VEGF可用性、VEGF扩散的速度和产生的速度。从u^thr、和M_O的变化也观察到轻微的影响，其在水肿形成中起间接作用。因为封闭的毛细血管虽然可能已经渗漏并且过去导致FP，但是它们没有主动渗漏，毛细血管阻塞的快速进展似乎减少了水肿形成的量。

这些参数变化模拟通过显示细胞水平的某个参数如何影响组织水平的模型结果，为一些参数选择提供了更多的洞察力。这种模拟支持模型仍然可以产生具有相当大的参数值变化的合理结果。这支持了模型基本结构(一种控制视网膜毛细血管阻塞的不良反馈机制)的有效性，也意味着随着这些参数的未来实验数据变得可用，模型可以被改进以提高形态学准确性并为临床应用提供更大的定量预测值。

模拟的实施。

所有模拟都是使用开源软件CompuCell3D执行的

结果

疾病进展的空间图案

保持对模型的观点非常重要。虽然这里最初呈现了模型的示例运行的结果，但是如下所述，病例1模型被运行多次以探索所实施的随机事件的影响。

已经针对FAZ附近的区域初始化了细胞和血管的配置，其尺寸为510μm×600μm×50μm，如从患者ASOLO图像确定的。初始化期间的区域在3D中被观看，其中CAP和MC可视化(图17A)。完全初始化的配置显示MC和OT在2D视图的血管之间均匀地图案化(图17A)。在正常条件下，血流来自小动脉入口，流过毛细血管网并通过小静脉离开。因为该模型集中在小的小动脉-小静脉区域，所以侧流反映连接相邻的中心凹周网络的毛细血管(图17B)。FAZ附近的毛细血管携带相对较小的血流，因此基于假定的阻塞机制具有较高的阻塞概率。毛细血管附近的细胞具有丰富的氧供应，而位置较远的细胞接受较少但仍足够的氧以支持正常活动而没有缺血(图17C)。在初始状态下，当视网膜组织充分氧合时，假定VEGF产生处于基础糖尿病生理范围内(图17D)。这相当于VEGF基础非糖尿病状态的轻微升高；足以引起低水平ICAM存在的升高，从而允许糖尿病诱导的白细胞停滞。

一旦第一次阻塞开始，则网络拓扑发生变化，反映出毛细血管的损失，并相应地重新建立氧张力和VEGF水平的稳态(图18-20)。参考图18A，流动速度图捕获由于第0周的毛细血管阻塞引起的流动路径的损失。如图18B所示，在第72周，在空间上接近初始阻塞部位的第二毛细血管阻塞。如图18C中所示，在第124周，FAZ和小静脉附近的几个毛细血管阻塞。如图18D中所示，超过四分之一的毛细血管网络在第152周被阻塞。箭头的颜色和方向分别反映了速度的尺寸和方向。颜色越红，流速越大。速度单位是μm/s。图中的“FAZ”指的是中心凹无血管区，红色的“A”指小动脉，以及“V”指的是小静脉。

现在参考图19A-19D，图19A描绘了氧张力图，其显示了在第0周时在阻塞的毛细血管附近的局部缺氧区域。图19B描绘了在第72周扩增以包围第二阻塞部位的细胞的缺氧区域，但是它仍然在空间上受约束并且限制于小动脉-小管区域。图19C描绘了缺氧所导致的局部损伤，所述缺氧传播以破坏小静脉附近的末端毛细血管并在第124周延伸至相邻的AV区域。图19D描绘了在第152周观察到的大面积缺氧。颜色反映氧张力的尺寸。颜色越红，氧张力越高。氧张力的单位是mmHg。图中的“FAZ”指的是中心凹无血管区，红色的“A”指小动脉，“V”指的是小静脉。

现在参考图20A-20D，图20描绘了VEGF水平图，其显示了Mueller细胞在第0周响应缺氧而局部合成VEGF。图20B-20D描绘了在第72、124和152周越来越多的Mueller细胞活跃产生VEGF，其中具有高VEGF的区域的图案再现了具有低氧张力的区域的图案。颜色反映了VEGF水平的尺寸。颜色越红，VEGF水平越高。VEGF水平具有任意单位(A.U.)。图中的“FAZ”指的是中心凹无血管区，红色的“A”指小动脉，“V”指的是小静脉。

在第0周，毛细血管被堵塞(图18A)，因此围绕毛细血管的组织变得氧合不良(图19A)。在模型中，第一次毛细血管阻塞的日期始终是第0周。这不是糖尿病开始的日期。一些Mueller细胞从该毛细血管阻塞中变得缺血，并且这些缺氧Mueller细胞产生并释放VEGF，然后VEGF产生局部浓度峰值(图20A)。相邻的毛细血管对VEGF的浓度升高有反应，这通过ICAM介导的白细胞停滞机制增加了它们的阻塞风险，该机制未在模型中单独解决。由于VEGF的扩散长度有限，远处的毛细血管对这种局部变化不敏感。在第72周，发生继发性阻塞并且流动网络变得越来越受损(图18B)。因此，更多的Mueller细胞具有不足的氧供应并且产生增加的VEGF水平(图19B和20B)。此时，出现的毛细血管损伤良好地约束和局限在一个小动脉-小静脉区域中。值得注意的是，相邻区域的几个细胞变得缺氧并且产生VEGF升高，可能是因为它们最近的血管失去了重要的上游分支，其在关闭之前携带了显著的氧供应。然而，相邻区域之间仍存在由健康细胞和毛细血管组成的障碍。然后进行了一系列毛细血管阻塞，总体积流入率略有增强，直至第124周的损伤导致自初始损伤发作以来的第一次流入率下降。

伴随总流量的下降，两个区域之间的末端小静脉受到损害(图18C，图像顶部)，并且较大部分的组织现在缺氧(图19C)。在第152周，FAZ附近的毛细血管和末端小静脉不再开放(图18D)，FAZ显著增大，并且大约三分之一的组织缺氧并且具有升高的VEGF环境(图19D和20D)。值得注意的是，通过使用荧光血管造影技术测量中心凹周毛细血管血流速度，Sakata等人(Ophthalmology.2006；113(8):1385–91)能够显示在没有水肿的糖尿病中毛细血管血流速度与中心凹无血管区尺寸之间的显著负相关。在本模型中，与无血管区接壤的毛细血管显示出缓慢的流动，与Sakata等人一致。

水肿形成

基于对水肿形成机制的简单假设(在模型的详细描述部分中的水肿形成部分中详述)，当前模型显示局部视网膜增厚(图21A-21D)。参见图21A-21D，视网膜层的厚度由第0.5年(图21A)，第1年(图21AB)，第2年(图21AC)和第3年(图21AD)结束时的颜色图表示。颜色表示Z轴的尺寸。颜色越蓝，局部视网膜区域越厚。流体出现在第1年和第2年之间，位于阻塞区域的静脉边缘。流动网络覆盖在颜色图上以在观察的时间点呈现开放流动路径。彩条仅代表组织的厚度，而不代表流速。图中的“FAZ”指的是中心凹无血管区，红色的“A”指小动脉，以及“V”指的是小静脉。

在初始毛细血管阻塞发作3年后观察到显著体积的液体(图21D)。血管外液体导致视网膜厚度增加。此外，存在流体的斑点与缺血区域的边界相关。目前的研究仅限于定性说明如何通过Mueller细胞异常的VEGF合成引起视网膜增厚。这是VEGF产生毛细血管渗漏的典型功能。在该模型中，水肿仅是阈值VEGF水平的函数，而不是局部Starling型关系的量度。它在完整的非阻塞毛细血管部位的活性渗漏位点模型中是反射的，其也具有高于特定阈值的升高的VEGF。模型内的水肿是视网膜增厚或视网膜囊性结构的预期位置的预测，如临床上在眼睛相干断层扫描中所见。该模型没有解决囊肿的实际范围，因为通过荧光血管造影这些经常可以存在于缺乏活性渗漏的视网膜缺血区域中，因此可以代表除活性渗漏之外的过程，例如细胞坏死或视网膜色素上皮泵血受损。该模型确实使囊肿存在于毛细血管已经渗漏的区域，但随后变得阻塞，类似于临床上发生的情况。

疾病进展的定量整体测量

在毛细血管闭合开始后，几乎每次额外的阻塞导致细胞内的平均氧张力下降(图22A)。缺氧Mueller细胞的比例从第72周到第152周几乎线性上升(图22B)。与平均氧张力和缺氧分数的单调变化不同，总体积流入速率是非单调的，在第124周急剧减少之前连续增加，在第152周再次增加(图22C)。流入速率增加的早期阶段可能归因于对选定血流路径组的丧失的生理反应。因为假设氧张力在入口毛细血管块内是恒定的，如生理学上预期的那样，较高的体积流入速率使得在给定的时间段内携带更多的氧进入系统。这可能表明，在疾病的早期阶段，毛细血管闭合很少，系统会通过增加血流量来补偿氧不足。相反，在疾病的后期，当连接小动脉和小静脉的许多毛细血管阻塞时，总流量下降并且堵塞似乎更频繁地发生。为了更好地将模型映射到临床观察到的症状，本模型使用缩放的最小细胞-血管距离d^min/a^MC作为量化疾病在空间上进展的度量，其中a^MC是Mueller细胞的典型尺寸(图22D)。这基本上是开放或未被封闭的血管的Mueller细胞直径的数目。d^min/a^MC随着每个额外的毛细血管闭合单调增加。有趣的是，引起第124周总体积流入快速下降的毛细血管阻塞对d^min/a^MC有轻微影响。这意味着毛细血管段的拓扑位置对系统血流供应有影响，这可能在基于空间的度量中被忽略。

在大多数细胞具有10至25mmHg的氧张力的正常条件下，所有细胞内的氧张力分布呈现基本上单峰形状，位于血管附近的一小部分细胞具有35至40mmHg的较高水平(图23)，并且没有细胞的氧张力小于4mmHg O₂，即没有细胞缺血。VEGF升高诱导的毛细血管阻塞逐渐改变了分布。越来越多的细胞变得缺氧。中等氧浓度的细胞的宽峰随着更多细胞在更低的氧水平下和更多的细胞从约25至30mmHg而减少并且变宽。这表明，虽然该组织切片中缺氧区域的尺寸越来越大，但更多的细胞暴露于高氧合作用，产生双峰氧合分布。

该模型的结果在所产生的图像方面都是重要的，其与临床上看到的图像具有惊人的相似性，并且还总结在图表中，其示出了在特定初始毛细血管闭合的模型的单次运行中随时间发生的变化(图18-23)。随着时间的推移，FAZ附近的毛细血管损失图案与糖尿病患者的情况非常相似。在中心凹周区域中混合缺血和水肿的图案也是临床上常见的。图22C中的曲线是最有趣的，因为流量在一段时间内从基线水平上升多达13％然后下降。显然，在终末期糖尿病性视网膜病变中，随着整个毛细血管网络阻塞，流量将下降。不太清楚的是，毛细血管网络损失的早期阶段将导致总流量增加。发生这种情况是因为该模型由于适应模块而具有一些毛细血管扩张，这将增加流量并且还部分地由于网络结构的变化。由于在疾病的不同阶段并且在不同位置用许多不同的成像流动技术对糖尿病患者进行测量，因此关于糖尿病中血流的文献是不一致的(参见Burgansky-Eliash et al.,Retina.2012；32(1):112–9)。来自视网膜功能成像仪(RFI)的数据测量小的中心凹周血管中的流速，并且似乎与模型中的血管尺寸最相似。该数据与模型一致，因为它显示糖尿病患者的视网膜血流速度增加，而没有在临床上看到形态学变化(Burgansky-Eliash等，2012)。这与模拟的第一年或第二年(约100周)的患者相似。在(Burgansky-Eliash等人，2012)中，相对于对照的血流量增加百分比约为15％，与模型的结果在数量上类似。在生理上，这可能是继发于由于组织缺氧引起的血管扩张机制增加(Gardiner等，Microcirculation.2007；14(1):25–38)和一氧化氮合酶增加(Carmo等，Gen Pharmacol.1998；30(3):319–24)并且可能发生网络变化(其可能已经发生，即使患者没有临床可见的变化)。该模型复制了这种效果，尽管它没有明确地利用任何类似的机制。这种伴有水肿的黄斑血流量增加的图案(图21)与强调的糖尿病病变的区域分布一致(Skov et al.,Graefes Arch Clin Exp Ophthalmol.2011；249(3):407–12)。Burgansky-Eliash 2010(Retina.2010；30(5):765–73)具有非增殖性糖尿病性视网膜病变患者的RFI数据，其显示在该临床视网膜病变阶段的血流量减少，与在该模拟的后几周中观察到的血流减少相当。还有关于糖尿病患者静脉血氧饱和度的临床数据显示，糖尿病患者的静脉血氧饱和度高于正常情况(Hammer等人，Graefes Arch Clin ExpOphthalmol.2009；247(8):1025–30)。该模型没有特别处理静脉氧水平，但随着血液流量的增加，输入氧饱和度不断增加，同时缺氧视网膜细胞增加，视网膜氧提取必须降低，导致静脉血氧饱和度升高。氧图定性地显示为在小静脉周围氧饱和度升高的扩大的红色组织区域(右上角在“V”附近，图9C对9A)。Hammer等人将静脉氧水平的这种升高解释为由于动静脉通过时间缩短导致氧提取减少。

重复模拟

在超级计算机上进行黄斑毛细血管区域模拟的362个重复以追求不同初始阻塞位点的后果，并在流-氧相图中探索进展状态的演变(图24A-24B)。毛细血管阻塞的概率方面意味着模型的重复运行不会产生相同的毛细血管损失图案，但复制的相似性将受到网络结构的强烈影响。在流-氧相图中，正常条件(深蓝色圆圈)聚集在受限范围内，这表明所有模拟最初具有与预期相似的平衡氧张力和总流入速率(图24A)。圆圈逐渐变得分散，因为不同的模拟随机选择不同的阻塞部位，导致不同的疾病进展轨迹。在156周时，大多数模拟落在离初始氧流状态不远的地方，这与没有导出阻塞的情况相对应。相反，一些模拟显示远端终点状态主要位于低氧区域，这代表加剧进行性毛细血管阻塞。在所有这些模拟中，如果模拟在第三年显示小于75％的总流入速率或氧张力，则可视化时间轨迹(图24B)。大多数此类模拟遵循顺时针方向的轨迹，从平衡状态开始，通过低氧和高流量区域转变，并在相图的低氧和低流量区域结束，这表明毛细血管网络的严重损坏的终点。其余的似乎进行着时间的进化模式，但仍然处于过渡阶段。这些图表显示了模型的典型运行结果。这可能说明了视网膜病变在系统氧合和总血液供应方面的进展情况。值得注意的是，临床上，许多糖尿病患者并未发生临床上显著的视网膜病变，而少数患者具有显著的毛细血管闭合传播。该模型表明，除了糖尿病控制和遗传/表观遗传因子的其他方面之外，关于哪个毛细血管最初被封闭，这种进展的可变性可能具有显著的概率因素，即“运气不好”。

进一步总结了给定某个初始阻塞部位的毛细血管网络的脆弱性(图25A-25B)。在所有携带相对缓慢的血流的毛细血管段中，FAZ附近的两个毛细血管的初始阻塞似乎在触发衍生的阻塞中最有影响，而其他毛细血管的阻塞具有不太显著的影响。两个病例均显示出空间相关的开放性分布，更接近初始阻塞部位的毛细血管具有更高的阻塞频率。并非罕见的是，终端FAZ小静脉和小动脉附近的毛细血管也是阻塞的候选者。关闭这些毛细血管可能会将伤害传播至相邻的中心凹小动脉-扇形区域。这些运行显示了类似的结果，并表明该受试者的毛细血管网络的一些部分易受阻塞，而其他部分似乎更具弹性。那些更有弹性的区域往往具有更密集的毛细血管，因此毛细血管阻塞产生的缺血面积很小，因此导致局部VEGF产生的增加很小并且进展的概率也很小。毛细血管的阻塞或存活受局部毛细血管网络结构的影响很大。在这些结果中看到的这种现象可能是由于更远离中心凹的更致密的毛细血管网络的结果，其中由于血管不透明性导致的视觉障碍不太明显，可能允许更紧密间隔的毛细血管。这种失去中心凹周毛细血管的模式，临床上称为FAZ的扩大，是黄斑缺血发展的常见临床模式。

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根据本发明内容，可以在没有过度实验的情况下执行本发明公开和要求保护的所有方法。虽然已经根据实施方案描述了这些方法，但是对于本领域技术人员显而易见的是，在不脱离本发明构思、精神和范围的情况下，可以对本发明所述的方法和步骤或方法步骤顺序进行变化。对于本领域技术人员显而易见的所有修改都被认为是在由所附权利要求限定的精神、范围和概念内。

Claims (35)

1.一种在受试者中治疗缺血性视网膜血管疾病、或预防或最小化视网膜缺血的发作或进展的方法，该方法包括在所述受试者的视网膜上产生光凝固灼伤图案，所述图案具有足以维持光凝固灼伤图案边界内的视网膜组织氧合的间隔。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述光凝固灼伤的间隔在以下至少一个之间产生约140微米或更小的间隙：(a)光凝固灼伤图案的一对彼此独立的光凝固灼伤；(b)光凝固灼伤图案的单个光凝固灼伤和小动脉或小静脉。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述光凝固灼伤的间隔产生光凝固灼伤图案的彼此独立的光凝固灼伤，其与另一光凝固灼伤、小动脉或小静脉的距离不超过约140微米。

4.根据权利要求1所述的方法，其中所述光凝固灼伤图案的单个光凝固灼伤具有长度为约50微米至约300微米且宽度为约20微米至约100微米的带状，其中所述带状的长度大于宽度。

5.根据权利要求1所述的方法，其中所述光凝固灼伤图案的单个光凝固灼伤具有带状，所述带状具有以下尺寸：约300微米的长度和约100微米的宽度，或约52微米的长度和约20微米的宽度。

6.根据权利要求4或5所述的方法，其中所述光凝固灼伤图案的带状单个光凝固灼伤大致位于所述视网膜的小动脉和小静脉之间的中央。

7.根据权利要求1所述的方法，其中所述光凝固灼伤图案的单个光凝固灼伤是近似圆形的并且具有约20微米至约100微米的直径。

8.根据权利要求1所述的方法，其中所述光凝固灼伤图案的单个光凝固灼伤是近似圆形的并且具有约60微米或约80微米的直径。

9.根据权利要求7或8所述的方法，其中所述光凝固灼伤图案的近似圆形的单个光凝固灼伤大致位于视网膜的小动脉和小静脉之间的中央，或者大致相邻于小动脉或小静脉定位。

10.根据权利要求1-5、7或8中任一项的方法，其中所述视网膜血管疾病是糖尿病性视网膜病变。

11.根据权利要求1-5、7或8中任一项的方法，其中所述视网膜包括缺血性视网膜组织、非缺血性视网膜组织、或缺血性和非缺血性视网膜组织的组合。

12.根据权利要求1-5、7或8中任一项的方法，其中所述视网膜包含非缺血性视网膜组织，并且受试者有发展出视网膜血管疾病的风险。

13.根据权利要求11所述的方法，其中所述受试者患有视网膜血管疾病。

14.根据权利要求1-5、7或8中任一项的方法，其中光凝固灼伤图案由激光产生。

15.根据权利要求14所述的方法，其中所述光凝固灼伤图案的产生是自动化的。

16.根据权利要求1-5、7或8中任一项所述的方法，其中所述方法还包括在产生光凝固灼伤图案之前进行血管造影。

17.根据权利要求6所述的方法，其中所述方法还包括在产生光凝固灼伤图案之前进行血管造影，并且根据所述血管造影定位光凝固灼伤图案。

18.根据权利要求9所述的方法，其中所述方法还包括在产生光凝固灼伤图案之前进行血管造影，并且根据所述血管造影定位光凝固灼伤图案。

19.一种在受试者中治疗或预防黄斑水肿、或治疗或预防视网膜缺血进展的方法，该方法包括将一个或多个光凝固灼伤应用于黄斑的一个或多个区域，所述黄斑的一个或多个区域被预测在所述一个或多个区域处或附近的毛细血管或毛细血管段阻塞后会引起缺血的进展。

20.根据权利要求19所述的方法，其中被预测在所述一个或多个区域处或附近的毛细血管或毛细血管段阻塞后引起缺血的进展的所述黄斑的一个或多个区域通过以下方法识别：对所述受试者的黄斑毛细血管解剖结构进行建模，生成每个毛细血管或毛细血管段的风险图，并选择一个或多个毛细血管或毛细血管段，所述一个或多个毛细血管或毛细血管段由每个毛细血管或毛细血管段如果阻塞是否引起缺血进展的风险图预测。

21.根据权利要求20所述的方法，其中当毛细血管或毛细血管段的风险图在模拟后指示约0.2或更大的周围毛细血管的阻塞频率时，则选择该一个或多个毛细血管或毛细血管段。

22.根据权利要求21所述的方法，还包括选择一个或多个毛细血管或毛细血管段以通过权利要求20或21所述的方法建模，其中所述一个或多个毛细血管或毛细血管段通过以下方法进行选择：测定从受试者的黄斑毛细血管解剖结构的每个毛细血管或毛细血管段到下一个最近的毛细血管或毛细血管段的距离，并选择与下一个最近的毛细血管或毛细血管段的距离大于约140微米的一个或多个毛细血管或毛细血管段以用于建模。

23.根据权利要求19-21中任一项所述的方法，还包括确定所述受试者的黄斑毛细血管解剖结构。

24.根据权利要求23所述的方法，其中所述受试者的黄斑毛细血管解剖结构通过血管造影术、自适应光学扫描激光检眼镜检查或光学相干断层摄影术-血管造影术来确定。

25.根据权利要求19-21中任一项所述的方法，其中通过计算机系统识别黄斑区域，所述黄斑区域被预测在一个或多个所述区域处或附近的毛细血管或毛细血管段阻塞后会引起缺血进展。

26.根据权利要求19-21中任一项的方法，其中所述一个或多个光凝固灼伤具有约20微米至约100微米的直径。

27.根据权利要求19-21中任一项的方法，其中所述一个或多个光凝固灼伤具有约50微米的直径。

28.根据权利要求19-21中任一项的方法，其中通过激光产生所述一个或多个光凝固灼伤。

29.根据权利要求28所述的方法，其中所述一个或多个光凝固灼伤的产生是计算机引导的。

30.根据权利要求28所述的方法，其中所述一个或多个光凝固灼伤的产生是自动化的。

31.一种系统，其被配置为执行根据权利要求19-21中任一项所述的方法。

32.根据权利要求31所述的系统，其包括处理器和存储器，所述存储器包括具有包含在其中的计算机可执行指令的一个或多个计算机可读介质，其中，当由所述处理器执行时，所述计算机可执行指令使所述处理器识别所述黄斑的一个或多个区域，该区域被预测在所述一个或多个区域处或附近的毛细血管或毛细血管段阻塞后会引起缺血的进展。

33.根据权利要求31所述的系统，其中所述处理器被配置为接收所述受试者的黄斑毛细血管解剖结构的输入。

34.根据权利要求31所述的系统，其中对于被预测在所述一个或多个区域处或附近的毛细血管或毛细血管段的阻塞之后会引起缺血进展的黄斑的所述一个或多个区域的识别包括：对所述受试者的黄斑毛细血管解剖结构进行建模；生成每个毛细血管或毛细血管段的风险图；并选择由每个毛细血管或毛细血管段的风险图预测的如果阻塞则会引起缺血进展的一个或多个毛细血管或毛细血管段。

35.如权利要求34所述的系统，其中当毛细血管或毛细血管段的风险图在模拟后指示约0.2或更大的周围毛细血管的阻塞频率时，选择该一个或多个毛细血管或毛细血管段。