DE102006030382A1

DE102006030382A1 - Verfahren und Vorrichtung zur optischen Detektion am Auge

Info

Publication number: DE102006030382A1
Application number: DE102006030382A
Authority: DE
Inventors: Christoph Dr. Russmann; Manfred Dr. Dick
Original assignee: Carl Zeiss Meditec AG
Current assignee: Carl Zeiss Meditec AG
Priority date: 2006-06-29
Filing date: 2006-06-29
Publication date: 2008-01-03
Also published as: WO2008000403A3; US20090304591A1; WO2008000403A2; EP2032017A2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Lösung zur optischen Detektion am Auge, bei der molekulere Marker zur kontrastreichen Diagnostik von Augenkrankheiten sowie anderen Krankheiten und sonstigen vitalen Parametern, die sich am Auge diagnostizieren lassen, verwendet werden. Bei der erfindungsgemäßen Lösung zur optischen Detektion am Auge wird ein molekularer Marker mit spektraler Charakteristik der Absorption und/oder Streuung im visuellen und infraroten Spektralbereich in das Auge eingebracht, der sich an ein spezifischen Target anlagert. Die Wechselwirkung dieser molekularen Marker mit Target wird entsprechend mit optischen Abbildungsverfahren, wie Fundusfotografie, konfokaler Lasermikroskopie, polarisationsoptischen Abbildungverfahren, holografischen Methoden oder insbesondere OCT-Verfahren detektiert. Die Anwendung optischer Methoden zur Diagnostik des Auges wird aufgrund der hohen Transparenz des optischen Systems des Auges im Vergleich zu anderen Körperteilen stark bevorzugt. Andererseits beeinflussen zusätzlich eingebrachte molekulare Marker, die den optischen Kontrast für die Diagnose selektiv verbessern, auch den normalen Sehvorgang des Patienten.

Description

Die Erfindung betrifft eine Lösung zur optischen Detektion am Auge, bei der molekulare Marker zur kontrastreichen Diagnostik von Augenkrankheiten sowie anderen Krankheiten und sonstigen vitalen Parametern, die sich am Auge diagnostizieren lassen, verwendet werden und im Besonderen zur selektiven Detektion spezieller molekularer Aggregate und zellulärer Strukturen.
In der Ophthalmologie ist bekannt, dass man mit den Methoden der Optischen Kohärenz Tomografie (OCT) sehr genau Weglängen im Auge vermessen kann. So können beispielsweise mit dem IOLMaster der Carl Zeiss Meditec AG (www.meditec.zeiss.com) Weglängen im Auge mit einer Auflösung von nur wenigen μm bestimmt werden. Mit Hilfe von Scannern, wie beispielsweise Stratus-OCT und Visante-OCT der Carl Zeiss Meditec AG, können nach dem gleichen Grundprinzip 2- oder 3-dimensionale Abbildungen der Retina oder der vorderen Augenkammer realisiert werden.
Die OCT-Techniken erlauben durch den Einsatz von infraroten Wellenlängen (Reduzierte Streuung von Licht bei längeren Wellenlängen) einen verhältnismäßig tiefen Einblick in lebendes Gewebe mit beträchtlicher Genauigkeit bis hin zu 1 μm Tiefenauflösung. Da der Bildkontrast im wesentlichen von der Streuung und Absorption des kurzkohärenten Lichtes vom Gewebe abhängt, haben die Empfindlichkeit und die Genauigkeit der Messungen eine große Abhängigkeit von diesen optischen Eigenschaften des biologischen Gewebes.
Von Changhuei Yang wurde in [1] ein Review publiziert, nach der die Empfindlichkeit und Genauigkeit von OCT Messungen an biologischem Gewebe gesteigert werden kann, indem man zusätzlich molekulare Kontrastmittel verwendet. Dabei gibt es prinzipiell 2 Arten eines Molekular-Kontrast-basierten OCT (auch kurz MCOCT). Der erste Weg ist die Verwendung von geeigneten, in vivo vorhandenen Kontrast-Wirkstoffen, wie beispielsweise Deox- und Oxyhämoglo bin sowie Melanin. Dieses Verfahren funktioniert nur bei einer sehr limitierten Anzahl von Molekülen. Der zweite Weg ist die Verwendung zusätzlicher Kontrast-Wirkstoffe, die so funktionalisiert werden, dass sie spezifisch an die interessierenden Zielmoleküle binden.
In der US 2005/0036150 A1 wird ein OCT-Verfahren beschrieben, bei dem sogenannte molekulare Kontrastmittel verwendet werden. Dabei werden unterschiedlich energetisch angeregte Moleküle genutzt um unterschiedliche OCT Bildkontraste zu erzielen. Allerdings müssen die Moleküle zeitlich gekoppelt zur OCT-Diagnose optisch angeregt werden, um die entsprechenden OCT-Kontraste zu erzeugen. Dazu sind insgesamt 4 einzelne Methoden beschrieben, um gegenüber einem natürlichen durch die Molekülauswahl gegebenen Kontrast eine optische, für die OCT-Auswertung erforderliche Kontraststeigerung zu erzielen.
Das OCT-Verfahren bietet heutzutage die Möglichkeit 2 und 3 dimensionale Bilder des Augenhintergrundes mit einer hohen Auflösung zu erzeugen und so Veränderungen der Retina zu befunden. Nachteilig wirkt sich dabei allerdings aus, dass krankheitsrelevante Veränderungen in einem OCT-Bild erst sichtbar sind, wenn die Krankheit bereits ausgebrochen ist. Außerdem haben die in einem OCT-Bild festgestellten Anomalien nicht notwendigerweise pathologische Ursachen („structure and function"-Problematik).
Neben der beschriebenen OCT-Technik werden in der Ophthalmologie aber auch Techniken verwendet, die auf Fluoreszenz bzw. Biolumineszenz basieren. Siehe hierzu Veröffentlichung [2].
Bei der Fundusfotografie werden Fluoreszenztechniken auf der Basis verschiedener applizierter Wirkstoffe, wie beispielsweise Fluorescein oder Indocyaningrün (ICG) eingesetzt. So können bei der Angiografie insbesondere die Blutgefäße sehr gut sichtbar gemacht werden. Auch natürliche Pigmente wie das Xanthophyll (Makulapigment) zeigen im grün/blauen Spektralbereich eine besondere Charakteristik, die man zur Detektion nutzt.
Neben dem seit den 60-er Jahren verwandten Fluorescein (FA) wird Indocyaningrün (ICG) zunehmend als Farbstoff bei der Fluoreszenz-angiographie am Augenhintergrund eingesetzt. Während das Fluorescein bei diabetischen Netzhautveränderungen, retinalen Gefäßverschlüssen oder bei Makulaödemen der Standardfarbstoff bleibt, wird bei der altersbedingten Makuladegeneration und anderen subretinalen Erkrankungen aufgrund der aus technischen Gründen eingeschränkten Aussagekraft der Fluoresceinangiographie zunehmend ICG verwendet.
Die gewonnenen zusätzlichen Informationen durch das ICG lassen sich aus den unterschiedlichen chemischen und physikalischen Eigenschaften ableiten. Während Fluorescein mit einem Laser der Wellenlänge 480 nm angeregt wird, verwendet man bei ICG einen Laser mit 800 nm Wellenlänge. Dieses längerwellige Licht durchdringt das retinale Pigmentepithel und auch leichtere intra- und subretinale Blutansammlungen. Im Gegensatz zu Fluorescein verlässt ICG die Choriokapillaris nicht, was in Kombination mit der besseren Durchdringung des retinalen Pigmentepithels eine Betrachtung der choroidalen Strukturen erlaubt. Da ICG schon nach 10 Kreislaufzeiten nur noch eine vernachlässigbare Blutkonzentration aufweist, kann man bereits nach 12 bis 18 Minuten Umkehreffekte auf den Bildern sehen.
Moderne Geräte, wie beispielsweise das Scanning Laser Ophthalmoskop HRA der Heidelberg Engineering GmbH, ermöglicht eine simultane Verwendung beider Farbstoffe ohne gefährdende Lichtbelastungen für den Patienten.
Eine kombinierte Fluorescein- und Indocyaningrün-Angiographie erfolgt vor allem bei folgenden Krankheitsbildern:

1. Altersabhängige Makuladegeneration: Zur Klassifikation (trocken/klassisch/okkult) sowie besseren Darstellung von okkulten Membranen und speisenden Gefäße (Feeder-vessel).
2. Chorioretinopathia centralis serosa: Zur Darstellung des Leckpunktes am choroidalen Gefäß, dem Nachweis früherer Leckpunkte und Narben sowie zum Membrannachweis und zur Aktivitätskontrolle.
3. Chorioretinitis/Pigmentepitheliitis: Hilfreich bei der Differenzierung der einzelnen Krankheiten durch unterschiedliche Darstellung in den frühen bzw. späten ICG-Bildern.
4. Makroaneurysma: Zur Bestimmung von Größe und Lage des Aneurysmas, sowie zur Kontrolle nach Koagulationen.

Trotz umfangreicher Untersuchungen sind viele Phänomene bei der ICG-Angiographie bisher nicht ganz verstanden. Deshalb gibt es für die Befundung einer ICG-Angiographie, anders als für die FA-Angiographie, noch keine einheitliche Terminologie. Momentan kann die ICG-Angiographie immer nur in Kombination mit einer FA-Angiographie beurteilt werden.
Bei vernünftiger Indikationsstellung kann ICG wertvolle Informationen zur Diagnose, Therapieentscheidung und zur Prognose bei den oben erwähnten Krankheitsbildern geben. Es ist allerdings zu beachten, dass ICG herstellungsbedingt Jod enthält, so dass es nicht bei Jodallergie oder bei manifester Hyperthyreose verwendet werden darf.
Die beschriebenen, bekannten Verfahren zur Kontrasterhöhung in der Ophthalmologie (ICG- oder Fluoreszenzangiographie) beschränken sich auf die Kontrastierung von Blutgefäßen durch Anlagerung von Fluoreszenzfarbstoffen an Blutbestandteile, wie Hämoglobin und Albumin. Damit sind zwar krankhafte Veränderungen der Blutgefäße, sofern sie schon in einem fortgeschritteneren Stadium sind, detektierbar, eine Detektion krankheitsrelevanter Moleküle und Zellen sowie morphologische Veränderungen in Geweben und Membranen, wie sie für eine Früherkennung erforderlich wäre, ist aber nicht möglich.
Literatur:

[1] Yang C., "Molecular Contrast Optical Coherence Tomography: A Review", Photochemistry and Photobiology, 2005, 81: 215-237
[2] Ntziachristos V, Ripoll J, Wang LV, Weissleder R., „Looking and listening to light: the evolution of whole-body photonic imaging", Nature Biotechnology, 2005 March, 23(3): 313-20
[3] Chef J. Saeki F., Wiley BJ.Cang H, et al., "Gold Nanocages: Bioconjugation and Their Potential Use as Optical Imaging Contrast Agen", NanoLetters 2005, Vol5, No.3, 473-477.
[4] Leal E. C., Santiago A. R., Ambrosio A. F., "Old and new drug targets in diabetic retinopathy: from biochemical changes to inflammation and neurodegeneration", Current Drug Targets – CNS & Neurological Disorders, 2005, 4(4), 421-34.
[5] Felinski E. A., Antonetti D. A., "Glucocorticoid regulation of endothelial cell tight junction gene expression: novel treatments for diabetic retinopathy", Current Eye Research, 2005, 30(11): 949-957.
[6] Klein M. L., Francis P. J., „Genetics of age-related macular degeneration", Ophthalmol Clin North Am., 2003, 16(4): 567-574.
[7] Anderson D. H., Mullins R. F., Hageman G. S., Johnson L. V., "A role for local inflammation in the formation of drusen in the aging eye", American Journal of Ophthalmology, 2002, 134(3): 411-431.
[8] Wegewitz U, Gohring I, Spranger J., „Novel approaches in the treatment of angiogenic eye disease", Current Pharmaceutical Design, 2005, 11(18): 2311-2330.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Lösung zur optischen Detektion von Veränderungen am Auge zur Verfügung zu stellen, mit der die Selektivität, Genauigkeit und der Kontrast optischer Mess- und Diagnosetechniken am Auge durch die Verwendung molekularer Marker erheblich gesteigert wird, um eine exaktere, krankheitsspezifische Diagnose bereits in Frühstadien der Erkrankungen vornehmen zu können.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Bei der erfindungsgemäßen Lösung zur optischen Detektion von Veränderungen am Auge wird ein molekularer Marker mit spektraler Charakteristik der Absorption und/oder Streuung im visuellen und infraroten Spektralbereich in das Auge eingebracht, der sich an ein spezifischen Zielbereich anlagert. Die Wechselwirkung dieser molekularen Markers mit dem Zielbereich wird entsprechend mit optischen Abbildungsverfahren, wie Fundusfotografie, konfokaler Lasermikroskopie, polarisationsoptischen Abbildungsverfahren, holografischen Methoden oder insbesondere OCT-Verfahren detektiert.
Die Erfindung bietet damit den Vorteil einer Verbesserung der diagnostischen Möglichkeiten, insbesondere

• eine bezüglich des Krankheitsverlaufes frühere Erkennung von Defekten.
• die Beobachtung des Erfolges von therapeutischen Maßnahmen
• die Verwendung des Verfahrens in der medizinischen Grundlagenforschung und der Pharmaforschung.

Die Anwendung optischer Methoden zur Diagnostik des Auges wird aufgrund der hohen Transparenz des optischen Systems des Auges im Vergleich zu anderen Körperteilen stark bevorzugt. Andererseits beeinflussen zusätzlich eingebrachte molekulare Marker, die den optischen Kontrast für die Diagnose selektiv verbessern auch den normalen Sehvorgang des Patienten.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Dazu zeigen:
1 eine schematische Darstellung zur Ankopplung eines molekularen Markers an einen Zielbereich,
2 ein mögliches OCT-Bild einer Retina mit an Zielbereichen angelagertem molekularen Marker,
3 eine tabellarische Übersicht der in Abhängigkeit des eingesetzten optischen Abbildungsverfahrens verwendbaren Erkennungs- und Kontrastsubstanzen,
4 eine tabellarische Übersicht der für verschiede Erkrankungen bevorzugt verwendeten Targets,
5 eine Übersicht derzeit bevorzugt verwendeter Targets und die damit detektierbaren Krankheiten am Auge,
6 eine schematische Darstellung zur Wirkung molekularer Marker bei diabetischer Retinopathie,
7 molekulare Marker für verschiedene Targets zur Detektion von diabetischer Retinopathie,
8 einen molekularen Marker zur Detektion altersbedingter Makuladegeneration und
9 einen molekularen Marker zur Detektion von Stammzellen.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur optischen Detektion von Veränderungen am Auge wird ein molekularer Marker mit spektraler Charakteristik der Absorption und/oder Streuung im visuellen und infraroten Spektralbereich bzw. der Fluoreszenz oder Lumineszenz in das Auge eingebracht und lagert sich an ein spezifisches Target an. Die Wechselwirkung zwischen dem molekularen Marker und dem Target wird mit optischen Abbildungsverfahren detektiert. Da der molekulare, körperverträgliche Marker die Charakteristik einer zeitlich begrenzten selektiven Anlagerung an die Targets im Auge, mit anschließendem körperinternen Abbau aufweist, ohne dabei das Sehvermögen des Patienten merklich zu beeinträchtigen, wird eine für diagnostische Zwecke adäquate geringe Belastung des Patienten und insbesondere des Auges erreicht.
Der als diagnostische Reagenz fungierende molekulare Marker kann dem Patienten injiziert oder als Augentropfen verabreicht werden. Nach der Zeit T₀, wenn der molekulare Marker vom Körper resorbiert wurde und sich spezifisch an bestimmten Targets am Zielort, z. B. der Retina, angelagert hat, erfolgt die Detektion mit optischen Abbildungsverfahren. Aufgrund der veränderten optischen Eigenschaften sind die interessierenden molekularen Änderungen im Bild „sichtbar". Der Befund kann durch den Arzt oder auch durch eine Befundungssoftware mit Bilderkennung erfolgen. Der molekulare Marker wird nach einer entsprechenden „Clearance"-Zeit T_C vom Körper abgebaut bzw. ausgeschieden.
Der molekulare Marker besteht erfindungsgemäß aus einer Erkennungssubstanz, zur hochspezifischen Anbindung an die Targets und einer an die Erkennungssubstanz angekoppelte, optisch detektierbaren Kontrastsubstanz, wobei als Erkennungssubstanz Moleküle oder Zellen, wie beispielsweise Antikörper, Peptide sowie DNA- oder RNA-Moleküle, verwendet werden. Hierbei ist die Kontrastsubstanz entweder direkt mit der Erkennungssubstanz über eine chemische Verbindung oder indirekt, z. B. über einen sekundären Antikörper verbunden.
1 zeigt eine schematische Darstellung zur Ankopplung eines molekularen Markers an ein Target. Hierbei besteht der molekulare Marker 1 aus einer Erkennungssubstanz 2 und einer an die Erkennungssubstanz 2 angekoppelte Kontrastsubstanz 3. Der molekulare Marker 1 wird in das Auge eingebracht und lagert sich an das Target 4. Das Target 4 ist hierbei ein in einer Membran 5 vorhandenes verändertes Molekül. An die in der Membran vorhandenen unveränderten Moleküle 6 erfolgt keine Anlagerung.
Die Wechselwirkung zwischen molekularem Marker und Target wird mit der Fundusfotografie, konfokaler Lasermikroskopie, OCT-Technik sowie anderen polarisations- oder holografiebasierten, optischen Abbildungsverfahren detektiert. Hierzu zeigt 2 ein mögliches OCT-Bild einer Retina mit an Zielbereichen angelagertem molekularen Marker, wobei an die Stellen, an denen sich der molekulare Marker angelagert hat deutliche Veränderungen 7 in der OCT-Abbildung zu sehen sind.
Während für die Fundusfotografie oder konfokale Lasermikroskopie als optisches Abbildungsverfahren Kontrastsubstanzen verwendet werden, die auf Fluoreszenz oder Eigenfluoreszenz basieren, werden für die OCT-Technik auf Lichtstreuung basiere Kontrastsubstanzen verwendet. Hierzu zeigt 3 eine tabellarische Übersicht der in Abhängigkeit des eingesetzten optischen Abbildungsverfahren verwendbaren Erkennungs- und Kontrastsubstanzen.
Die in 4 dargestellte tabellarische Übersicht zeigt für verschiede Erkrankungen bevorzugt verwendete Targets, wobei die aufgeführten Targets mit allen in 3 genannten optischen Abbildungsverfahren und Kontrastsubstanzen nachgewiesen werden können. Als Erkennungssubstanz dienen hier mono- oder polyklonale Antikörper. Eine Anwendung von Peptiden oder DNA- oder RNA-Molekülen als Erkennungssubstanz ist ebenfalls denkbar. Da im Rahmen der medizinisch-molekularbiologischen Grundlagenforschung immer neue „Targets" und molekulare Ursachen für Erbkrankheiten gefunden werden, stellt die in 4 dargestellte tabellarische Übersicht nur die derzeit bevorzugt verwendete Targets dar. Ein Anspruch auf Vollständigkeit besteht nicht.
Zusätzlich zeigt 5 eine Übersicht derzeit bevorzugt verwendeter Targets und die damit detektierbaren Krankheiten am Auge.
Im Folgenden wird beispielhaft auf das erfindungsgemäße Verfahren bei der Detektion von Diabetische Retinopathie näher eingegangen. Gemäß einem Artikel von Leal E. C. und anderen [4] ist Homeostasis unabdingbar für die normale Funktion der Retina. Diese wird durch die Blut-Retina-Barriere (BRB), welche den Fluss von Wasser und gelösten Substanzen zum retinalen Parenchym kontrolliert und die Retina vor Zellen und Antikörpern aus dem Blut schützt, aufrechterhalten.
Das BRB ist unter anderem aus retinalen Endothel- bzw. Eptihelzellen aufgebaut, welche durch so genannte „tight junctions" verbunden sind. Diese, elektronenmikroskopisch sichtbaren „tight junctions" bewirken das Verschmelzen der Blätter der Plasmamembranen von 2 benachbarten Zellen und verbinden diese kräftig. Die „tight junctions" bilden eine selektive Barriere für gelöste Stoffe und erlauben dem Organismus die Kontrolle des Transportes von Nährstoffen und Abbauprodukten.
Die „tight junctions" bestehen aus verschiedenen Transmembran-Proteinen, wie beispielsweise den Occludinen, dem Junctional Adhesion Protein (JAM) oder den Zonula Occludens (ZO-1, ZO2-, ZO-3).
Ein Charakteristikum der diabetische Retinopathie ist der Verlust der Integrität und vaskularen Permeabilität der Blut-Retina-Barriere (BRB). Schon in sehr frühen Phasen kommt es zu Veränderungen der BRB, welche zur Ausbildung von Makulaödemen³ und damit zum Sehverlust führen kann.
Nach Felinski E. A. und Antonetti D. A. in [5] induziert Diabetes dabei hauptsächlich folgende Veränderungen:

• Änderung der Phosphorylierung der „tight junctions"-Proteine
• Räumliche Veränderung der Organisation der „tight junctions"-Proteine
• Verringerung der Konzentration an Occludinen.

Außerdem ist schon in frühen Phasen der diabetischen Retinopathie die Konzentration des „Vascular Endothelial Growth Factor" (VGEF) stark erhöht. VGEF gehört zu einer Familie von angiogenischen Wachstumsfaktoren, wobei als Angiogenese das Wachstum von kleinen Blutgefäßen (Kapillaren) beschrieben wird. Eine erhöhte VGEF-Konzentration ist nachweislich mit einer erhöhten, vaskularen Permeabilität verbunden. Zudem sind bei der diabetische Retinopathie, welche seit kurzem auch als chronische entzündliche Krankheit angesehen wird.
Hierzu zeigt 6 eine schematische Darstellung zur Wirkung molekularer Marker bei der diabetischer Retinopathie. Während der molekulare Marker 1 verwendeten Antikörper durch defekte „tight junctions" 8 an der BRB 9 eindringt und krankheitsspezifische Änderungen der „tight junctions" erkennt, werden die molekulare Marker 1 an den intakten „tight junctions" 10 gestoppt. Grundsätzlich ist zu bedenken, dass die intakte BRB keine Antikörper durchlassen. Liegt jedoch ein Schaden der BRB vor, können die Antikörper wie in 6 darge stellt verstärkt eindringen und zur Kontrasterhöhung eingesetzt werden. Dieser Effekt ist ein Beispiel für die ausgezeichnete Sensitivität und Spezifität der erfindungsgemäßen Lösung. Im Gegensatz zur ICG- und Fluorescein-Angiographie kommt es bei dem hier beschriebenen Verfahren zu einer spezifischen Anreicherung der molekularen Marker an der Stelle der krankhaften Veränderung.
Andere molekularen Targets, wie die Zytokine oder auch VGEF, kann man direkt im Blut und insbesondere in den neugebildeten, Krankhaften kleinen Blutgefäßen (Neovaskularisation) nachweisen ohne das dazu die BRB passiert werden muss.
Im folgenden wird darauf eingegangen, welche Substanzen als Targets besonders geeignet sind. Wie bereits erwähnt werden im Rahmen medizinischmolekularbiologischer Grundlagenforschung immer neue „Targets" und molekulare Ursachen für Erbkrankheiten gefunden. Jedoch sind zum gegenwärtigen Zeitpunkt VGEF, Occludin und der Status der Occludin-Phosphorylierung sowie Zytokine als Target besonders geeignet. Dazu zeigt 7 tabellarische Übersichten zu molekularen Markern für verschiedene Targets zur Detektion von diabetischer Retinopathie.
Im Folgenden wird beispielhaft auf das erfindungsgemäße Verfahren bei der Detektion altersbedingter Makuladegeneration (AMD) eingegangen.
Gemäß dem Artikel von Klein M. L. und Francis P. J. [6] ist AMD eine der Hauptursachen für Erblindung in der westlichen Welt. Die Pathogenese der AMD ist noch nicht genau bekannt. Gängige Hypothesen gehen davon aus, dass neben einem unzureichenden choroidalen Blutflusses in der Makula, einer metabolischen Dysfunktion des retinalen Pigmentepithel oder eine Abnormitäten der Bruchs Membran (Membrankomplex zwischen dem retinalen Pigmentepithel und dem Choroid) Ursachen für eine AMD sind.
Nach D. H. Anderson und anderen sind die bekannteste morphologische Änderung Stoffwechselablagerung, sogenannte Drusen. Es gibt einige Evidenzen, dass bei der Drusen-Biogenesis entzündliche Reaktionen eine Rolle, ähnlich wie bei Alzheimer und Atherosklerose, spielen. Es gibt einige Drusenassozierte Proteine, welche als molekularen Marker für AMD dienen können. 8 zeigt einen molekularen Marker zur Detektion altersbedingter Makuladegeneration.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung wird darauf eingegangen in wieweit eine Stammzellentherapie zur Heilung degenerative Erkrankungen der Retina oder des Sehnervs genutzt werden können. Stammzellen sind Körperzellen, die noch nicht ausdifferenziert sind. Das heißt, sie liegen noch nicht in einer Form vor, die sie für ihre Verwendung im Organismus spezialisiert (zum Beispiel als Hautzelle oder Leberzelle), vielmehr ist ihre spätere Verwendung noch offen. Dabei ist es für die Beobachtung der Therapie von großem Nutzen die Stammzellen mit Hilfe eines Detektionssystem zu beobachten. Dies ist durch ein Markieren der Stammzellen mit spezifischen Antikörpern denkbar. Dazu zeigt 9 einen mulekularen Marker zur Detektion von Stammzellen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur optischen Detektion von Veränderungen am Auge besteht aus einer optischen Abbildungseinheit, zur Detektion der Wechselwirkung eines in das Auge eingebrachten und an ein spezifisches Target anlagerten molekularen Markers und einer Auswerteeinheit, wobei der molekulare Marker eine spektrale Charakteristik der Absorption und/oder Streuung im visuellen und infraroten Spektralbereich bzw. der Fluoreszenz oder Biolumineszenz aufweist. Da der molekulare, körperverträgliche Marker außerdem die Charakteristik einer zeitlich begrenzten selektiven Anlagerung an die Targets im Auge, mit anschließendem körperinternen Abbau aufweist, ohne dabei das Sehvermögen des Patienten merklich zu beeinträchtigen, wird eine für diagnostische Zwecke adäquate geringe Belastung des Patienten und insbesondere des Auges erreicht.
Wie bereits erwähnt kann der als diagnostisches Reagenz fungierende molekulare Marker dem Patienten injiziert oder als Augentropfen verabreicht werden. Nach der Zeit T₀, wenn der molekulare Marker vom Körper resorbiert wurde und sich spezifisch an bestimmten Targets am Zielort, z. B. der Retina, angelagert hat, erfolgt die Detektion mit einer optischen Abbildungseinheit. Aufgrund der veränderten optischen Eigenschaften sind die interessierenden molekularen Änderungen im Bild „sichtbar". Der Befund kann durch den Arzt oder auch durch eine Befundungssoftware mit Bilderkennung erfolgen. Der molekulare Marker wird nach einer entsprechenden „Clearance"-Zeit T_C vom Körper abgebaut bzw. ausgeschieden.
Der molekulare Marker besteht erfindungsgemäß aus einer Erkennungssubstanz, zur hochspezifischen Anbindung an die Targets und einer an die Erkennungssubstanz angekoppelte, optisch detektierbaren Kontrastsubstanz, wobei als Erkennungssubstanz Moleküle oder Zellen, wie beispielsweise Antikörper, Peptide sowie DNA- oder RNA-Moleküle, verwendet werden. Hierbei ist die Kontrastsubstanz entweder direkt mit der Erkennungssubstanz über eine chemische Verbindung oder indirekt, z. B. über einen sekundären Antikörper verbunden.
Die Wechselwirkung zwischen molekularem Marker und Target wird mit Funduskameras, konfokalen Lasermikroskopen, OCT-Geräten sowie anderen polarisations- oder holografiebasierten, optischen Abbildungsgeräten detektiert. Während für die optische Abbildung mittels Funduskameras oder konfokalen Lasermikroskopen Kontrastsubstanzen verwendet werden, die auf Fluoreszenz oder Eigenfluoreszenz basieren, werden für OCT-Gerate auf Lichtstreuung basiere Kontrastsubstanzen verwendet.
In einer ersten Ausgestaltungsvariante ist die optische Abbildungseinheit ein auf der optischen Kohärenztomografie (OCT) basierendes Gerät. Hierbei weist der molekulare Marker im infraroten Spektralbereich eine erhöhte Absorption und/oder Streuung und im visuellen Spektralbereich eine möglichst geringe Ab sorption und/oder Streuung auf. insbesondere soll hierbei der molekulare Marker der Arbeitswellenlänge des OCT Gerätes eine erhöhte Absorption und/oder Streuung aufweisen. Durch die geringe Absorption und/oder Streuung im visuellen Spektralbereich kann eine möglichst geringe Beeinträchtigung des Sehvermögens des Patienten gewährleistet werden.
In einer zweiten Ausgestaltungsvariante ist die optische Abbildungseinheit ein konfokales Lasermikroskop. Der molekulare Marker weist hierbei insbesondere bei der verwendeten Laserwellenlänge im visuellen oder infraroten Spektralbereich eine erhöhte Absorption und/oder Streuung oder Fluoreszenz bzw. Biolumineszenz auf.
In einer dritten Ausgestaltungsvariante ist die optische Abbildungseinheit eine Funduskamera und der molekulare Marker weist bei dem verwendeten Anregungswellenlängenbereich im visuellen oder infraroten Spektralbereich entweder eine erhöhte Fluoreszenz und/oder Biolumineszenz auf. Die Detektion der Wechselwirkung des in das Auge eingebrachten und an ein spezifisches Target angelagerten molekularen Markers erfolgt in einem entsprechend längerwelligen Spektralbereich. Es ist aber auch möglich, dass der molekulare Marker bei dem verwendeten Anregungswellenlängenbereich im visuellen oder infraroten Spektralbereich eine erhöhte Absorption und/oder Streuung aufweist. Die Detektion dieser Wechselwirkung erfolgt dann im visuellen oder infraroten Spektralbereich.
Die vorliegende erfindungsgemäße Lösung nutzt alternativ die durch die an die molekularen Marker angehängten Kontrastmittel auswahlbare Absorption, Streuung oder Fluoreszenz als optische Kontrastgebung.
Krankhaft veränderte Zellen haben veränderte Stoffwechsel und Genaktivitäten, die sich beispielsweise in einer Veränderung der Oberflächenstruktur der Zellen manifestieren (sog. krankheitskorrelierte molekulare Marker). Entspre chende Erkenntnisse aus der molekularbiologischen Grundlagenforschung haben bereits seit längerem Einzug in die in-vitro Diagnostik gehalten.
Bei der Integration der in-vitro verwendeten Techniken und Methoden in die in-vivo Umgebung müssen allerdings eine ganze Reihe von Problemen überwunden werden (z. B. Toxizität, zielgerichteter Transport zur Zielzelle, anatomische Transportbarrieren).
Zum Nachweis der für die Diagnostik relevanten zellulären Parameter kommen vor allem Antikörper-Technologien und peptidchemische Verfahren zum Einsatz, die mit einem bildgebenden Verfahren gekoppelt werden.
Grundsätzlich werden folgende Elemente benötigt:

1. Erkennungssubstanz (z. B. Antikörper oder Peptid), das hochspezifisch an die veränderten Zellstrukturen bindet
2. Kontrastsubstanz, das an das Trägermolekül gekoppelt ist (z. B. Radionukleotid oder Fluoreszenzfarbstoff).
3. bildgebendes, optischen Abbildungsverfahren zur visuellen Darstellung

Für die bildliche Darstellung molekularer Vorgänge im Tiermodell und im Patienten werden vor allem die Positronen-Emissions-Tomographie (PET) und die Magnet-Resonanz-Tomographie (MRT) verwendet.
Zur Tumordiagnostik werden als Trägermoleküle z. B. Antikörper oder Peptide verwendet, die selektiv an die Zelloberfläche maligner Zellen anbinden. Diese sind meist an eine Radionukleotid gekoppelt, das sie über das Blutgefäßsystem zu den krankhaft veränderten Zellen transportieren. Unter Verwendung von schwachen Nukleotiden mit großer Reichweite (Gammastrahler) ist so eine frühzeitige Identifizierung und Lokalisierung „entarteter" Zellen mit Hilfe bildgebender Verfahren möglich. Über die reine Diagnostik hinaus ist mit dieser Me thode auch eine gezielte Krebstherapie möglich. Koppelt man das Trägermolekül mit einem Radionukleotid, das eine intensive Strahlung mit geringer Reichweite aussendet, lässt sich Tumorgewebe effektiv zerstören bei weitmöglichster Schonung der umgebenden gesunden Zellen. Hier zeigt sich die enge Verzahnung zwischen Diagnostik und Therapie. In Zukunft soll es möglich sein, mit Hilfe von Trägermolekülen Gene gezielt in bestimmte Zielzellen einzuschleusen und dadurch die Expression bestimmter Enzyme zu induzieren.
Mit Hilfe des sogenannten „Molecular Imaging" soll ein erster Schritt in ein neues Gesundheitssystem gemacht werden, bei dem nicht die Behandlung von Krankheiten sondern die Gesunderhaltung im Mittelpunkt stehen soll. Über eine umfassende Diagnostik sollen Veränderungen des Gesundheitszustandes bereits in einem präsymptomatischen Stadium erfasst werden und mittels entsprechender Gegenmaßnahmen Krankheiten verhindert werden. Wann und ob diese Utopie Wirklichkeit werden wird, bleibt abzuwarten.
Das Marker-OCT-Verfahren erlaubt in Kombination mit dem herkömmlichen OCT eine wesentlich frühzeitigere und krankheitsspezifische Diagnose. Auch hier erhöht das Marker-OCT die Empfindlichkeit und Spezifität der Diagnostik und erlaubt eine Frühdiagnostik.
Mit Hilfe der molekularen Bildgebung (molecular imaging) können biologische Prozesse auf zellulärer und molekularer Ebene im lebenden Organismus (in vivo) gemessen und charakterisiert werden. Im Gegensatz zu herkömmlichen diagnostischen Bildgebungsverfahren werden nicht anatomische Ausprägungen oder Effekte einer bestimmten Krankheit detektiert, sondern biologische Prozesse, die der Krankheit zugrunde liegen, auf zellulärer Ebene nachgewiesen. Dadurch lassen sich Krankheiten bereits im Frühstadium erkennen und im Idealfall noch vor Erscheinen des eigentlichen Krankheitsbildes therapieren.
Der Einsatz von „Molecular Imaging"-Verfahren ist in der Ophthalmologie noch weitgehend unbekannt. Das liegt zum einen daran, dass die molekularen Ursa chen für Krankheiten des Auges und somit auch die potentiellen Targetmoleküle für die Marker erst seit wenigen Jahren bekannt sind, zum anderen bisher noch keine Lösung angeben wurde, wie man einen molekularen Marker in das Auge einbringen kann, der einerseits die Streuung oder Absorption diverser Schichten oder Strukturen für die Diagnose erhöht, aber andererseits nicht die Funktionalität des Auges verschlechtert.

Claims

Verfahren zur optischen Detektion am Auge, bei dem ein molekularer Marker mit spektraler Charakteristik der Absorption und/oder Streuung im visuellen und infraroten Spektralbereich bzw. der Fluoreszenz oder Biolumineszenz in das Auge eingebracht wird, der sich an ein spezifisches Target anlagert und dessen Wechselwirkung mit diesem Target mit optischen Abbildungsverfahren detektiert werden.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der molekulare, körperverträgliche Marker die Charakteristik einer zeitlich begrenzten selektiven Anlagerung an die Targets im Auge mit anschließendem körperinternen Abbau aufweist und dabei das Sehvermögen des Patienten nicht merklich beeinträchtigt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, bei dem der molekulare Marker aus einer Erkennungssubstanz, zur hochspezifischen Anbindung an die Targets und einem an die Erkennungssubstanz angekoppelte, optisch detektierbare Kontrastsubstanz besteht.
Verfahren nach mindestens einem der vorgenannten Ansprüche, bei dem als Erkennungssubstanz des molekularen Markers Moleküle oder Zellen, wie beispielsweise Antikörper, Peptide sowie DNA- oder RNA-Moleküle, verwendet werden.
Verfahren nach mindestens einem der vorgenannten Ansprüche, bei dem die Wechselwirkung zwischen molekularem Marker und Target mit der Fundusfotografie, konfokale Lasermikroskopie, OCT-Technik sowie anderen polarisations- oder holografiebasierten, optischen Abbildungsverfahren detektiert werden.
Verfahren nach mindestens einem der vorgenannten Ansprüche, bei dem zusätzlich Wellenfrontdaten des optischen Systems des individuellen Auges dynamisch ermittelt werden, um durch Kompensation der Aberrationen des Auges eine höchstaufgelöste Detektion zu gewährleisten.
Verfahren nach mindestens einem der vorgenannten Ansprüche, bei dem für die Fundusfotografie oder konfokale Lasermikroskopie als optisches Abbildungsverfahren Kontrastsubstanzen verwendet werden, die auf Fluoreszenz oder Eigenfluoreszenz basieren.
Verfahren nach mindestens einem der vorgenannten Ansprüche, bei dem für die OCT-Technik als optisches Abbildungsverfahren Kontrastsubstanzen verwendet werden, die auf Lichtstreuung basieren.
Verfahren nach mindestens einem der vorgenannten Ansprüche, bei dem als Target Moleküle oder Zellen fungieren, die sich durch krankhafte Veränderung von gesunden Molekülen oder Zellen unterscheiden.
Verfahren nach mindestens einem der vorgenannten Ansprüche, bei dem zur Detektion von diabetischer Retinopathie Antikörper als molekulare Marker eingesetzt werden, die die als Target dienenden Zytokine, Occludin oder auch VGEF detektieren.
Verfahren nach mindestens einem der vorgenannten Ansprüche, bei dem zur Detektion altersbedingter Makuladegeneration Antikörper als molekulare Marker eingesetzt werden, die die als Target dienenden Drusenassozierten Proteine, wie C-reactive Protein, Immunoglobulin, Vitronectin, Clusterin oder auch Apolipoprotein E detektieren.
Vorrichtung zur optischen Detektion am Auge, bestehend aus einer optischen Abbildungseinheit, zur Detektion der Wechselwirkung eines in das Auge eingebrachten und an ein spezifisches Target anlagerten molekularen Markers und einer Auswerteeinheit, wobei der molekulare Marker eine spektrale Charakteristik der Absorption und/oder Streuung im visuellen und infraroten Spektralbereich bzw. der Fluoreszenz oder Biolumineszenz aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 11, bei der die optische Abbildungseinheit ein auf der optischen Kohärenztomografie (OCT) basierendes Gerät ist und der molekulare Marker im infraroten Spektralbereich eine erhöhte Absorption und/oder Streuung und im visuellen Spektralbereich eine möglichst geringe Absorption und/oder Streuung aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 11, bei der die optische Abbildungseinheit ein konfokales Lasermikroskop ist und der molekulare Marker inbesondere bei der verwendeten Laserwellenlänge im visuellen oder infraroten Spektralbereich eine erhöhte Absorption und/oder Streuung oder Fluoreszenz bzw. Biolumineszenz aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 11, bei der die optische Abbildungseinheit eine Funduskamera ist und der molekulare Marker bei dem verwendeten Anregungswellenlängenbereich im visuellen oder infraroten Spektralbereich eine erhöhte Fluoreszenz und/oder Biolumineszenz aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 11, bei der die optische Abbildungseinheit eine Funduskamera ist, der molekulare Marker bei dem verwendeten Anregungswellenlängenbereich im visuellen oder infraroten Spektralbereich eine erhöhte Absorption und/oder Streuung aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 11, bei der die optische Abbildungseinheit über einer adaptive Optik oder ein Phasenplattensystem verfügt, mit welchem auf Basis vorzugsweise online, dynamisch ermittelter Wellenfrontdaten des optischen Systems des individuellen Auges die Aberrationen des Auges kompensiert wird, um eine höchstaufgelöste Detektion zu ermöglichen.