EP2032017A2 - Verfahren und vorrichtung zur optischen detektion am auge - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur optischen detektion am auge

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Publication number
EP2032017A2
EP2032017A2 EP07726139A EP07726139A EP2032017A2 EP 2032017 A2 EP2032017 A2 EP 2032017A2 EP 07726139 A EP07726139 A EP 07726139A EP 07726139 A EP07726139 A EP 07726139A EP 2032017 A2 EP2032017 A2 EP 2032017A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
eye
molecular marker
molecular
optical
optical imaging
Prior art date
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Ceased
Application number
EP07726139A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Christoph Russmann
Manfred Dick
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Carl Zeiss Meditec AG
Original Assignee
Carl Zeiss Meditec AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Carl Zeiss Meditec AG filed Critical Carl Zeiss Meditec AG
Publication of EP2032017A2 publication Critical patent/EP2032017A2/de
Ceased legal-status Critical Current

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    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
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    • A61B5/0059—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons using light, e.g. diagnosis by transillumination, diascopy, fluorescence
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    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61K—PREPARATIONS FOR MEDICAL, DENTAL OR TOILETRY PURPOSES
    • A61K49/00—Preparations for testing in vivo
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    • A61K49/0058—Antibodies
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    • A61B5/40—Detecting, measuring or recording for evaluating the nervous system
    • A61B5/4076—Diagnosing or monitoring particular conditions of the nervous system
    • A61B5/4088—Diagnosing of monitoring cognitive diseases, e.g. Alzheimer, prion diseases or dementia

Definitions

  • the invention relates to a solution for optical detection on the eye, in which molecular markers for contrastive diagnosis of eye diseases and other diseases and other vital parameters that can be diagnosed on the eye are used, and in particular for the selective detection of specific molecular aggregates and cellular structures.
  • Antibody technologies and peptide-chemical methods that are coupled with an imaging process are used in particular for the detection of the cellular parameters relevant for the diagnosis. Basically, the following elements are required:
  • Detecting substance eg, antibody or peptide that binds highly specifically to the altered cell structures
  • Contrast substance which is coupled to the carrier molecule eg radio nucleotide or fluorescent dye.
  • Imaging optical imaging method for visual display Molecular imaging can be used to measure and characterize biological processes at the cellular and molecular level in the living organism (in vivo) [2]. In contrast to conventional diagnostic imaging methods, non-anatomical manifestations or effects of a particular disease are detected, but biological processes underlying the disease are detected at the cellular level. As a result, diseases can already be detected in the early stages and in the ideal case treat even before the appearance of the actual clinical picture.
  • OCT optical coherence tomography
  • OCT techniques allow relatively deep insight into living tissue with considerable accuracy through the use of infrared wavelengths (reduced scattering of light at longer wavelengths) to 1 ⁇ m depth resolution. Since the image contrast is essentially dependent on the scattering and absorption of the short coherent light from the tissue, the sensitivity and the accuracy of the measurements have a great dependence on these optical properties of the biological tissue.
  • US 2005/0036150 A1 describes an OCT method in which so-called molecular contrast agents are used. Different energetically excited molecules are used to achieve different OCT image contrasts. However, the molecules must be optically excited in time for OCT diagnosis to produce the corresponding OCT contrasts. For this purpose, a total of 4 individual methods are described in order to achieve a contrast enhancement, which is required for the OCT evaluation, in comparison with a natural contrast given by the molecule selection.
  • the OCT method offers the possibility to create 2 and 3 dimensional images of the fundus with a high resolution and thus to detect changes in the retina.
  • a disadvantage is that disease-relevant changes in an OCT image are only visible when the disease has already broken out.
  • they have abnormalities detected in OCT images are not necessarily pathological causes ("structure and function" problem).
  • FAM fluorescein
  • ICG indocyanine green
  • indocyanine green is increasingly being used as a dye in fluorescein angiography on the ocular fundus. While fluorescein remains the standard dye in diabetic retinal changes, retinal vascular occlusions, or macular edema, ICG is increasingly used in age-related macular degeneration and other subretinal diseases due to limited technical validity of fluorescein angiography.
  • the additional information obtained by the ICG can be deduced from the different chemical and physical properties. While fluorescein is excited with a laser of wavelength 480 nm, ICG uses a laser with 800 nm wavelength. This longer wavelength light penetrates the retinal pigment epithelium and also lighter intra- and subretinal blood collections. In contrast to fluorescein, ICG does not leave the choriocapillaris, which, in combination with better penetration of the retinal pigment epithelium, allows viewing of the choroidal structures. Since ICG only after 10 cycle times only a negligible Blood concentration, you can already see after 12 to 18 minutes reversal effects in the pictures.
  • a combined fluorescein and indocyanine green angiography is mainly used in the following diseases:
  • ICG angiography can only be evaluated in combination with FA angiography.
  • known methods for increasing the contrast in ophthalmology are limited to the contrasting of blood vessels by the attachment of fluorescent dyes to blood components, such as hemoglobin and albumin.
  • the object of the present invention is to provide a solution for the optical detection of changes in the eye, with which the selectivity, specificity, accuracy and the contrast of optical measuring and diagnostic techniques on the eye is considerably increased by the use of molecular markers To be able to make a more exact, disease-specific diagnosis already in early stages of the illnesses as well as to observe the course of therapies.
  • a molecular marker with spectral characteristics of the absorption and / or scattering in the visual and infrared spectral range or the fluorescence or bioluminescence is introduced into the eye, which attaches to a specific target area.
  • optical imaging methods such as fundus photography, confocal laser microscopy, polarization optics see imaging methods, holographic methods or in particular OCT method detected.
  • the invention thus offers the advantage of improving the diagnostic possibilities, in particular
  • optical methods for the diagnosis of the eye is greatly favored in comparison to other parts of the body due to the high transparency of the optical system of the eye.
  • molecular markers which selectively enhance the optical contrast for diagnosis also affect the normal vision of the patient.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of the coupling of a molecular marker to a target area
  • FIG. 2 shows a possible OCT of a retina with molecular markers attached to target regions
  • FIG. 3 shows a tabular overview of the recognition and contrast substances that can be used depending on the optical imaging method used;
  • FIG. 4 shows a tabular overview of the preferred targets used for various diseases;
  • FIG. 5 shows an overview of currently preferred targets and the eye diseases detectable thereby
  • FIG. 6 a schematic representation of the effect of molecular markers in diabetic retinopathy
  • FIG. 7 molecular markers for various targets for the detection of diabetic retinopathy
  • FIG. 8 molecular markers for the detection of age-related macular degeneration
  • FIG. 9 molecular markers for the detection of stem cells
  • FIG. 10 shows molecular markers for the detection of Alzheimer's disease
  • FIG. 11 Molecular markers for the detection of glaucoma.
  • a molecular marker having a spectral characteristic of the absorption and / or scattering in the visual and infrared spectral range or the fluorescence or luminescence is introduced into the eye and is deposited on a specific target.
  • the interaction between the molecular marker and the target is detected by optical imaging techniques. Since the molecular, biocompatible marker has the characteristic of a time-limited selective attachment to the target in the eye, followed by internal degradation without significantly affecting the patient's vision, adequate for diagnostic purposes low burden on the patient and in particular the eye is achieved ,
  • the molecular marker functioning as a diagnostic reagent can be injected into the patient, administered orally or administered as an eye drop.
  • the detection is carried out with optical imaging method. Due to the altered optical properties, the molecular changes of interest in the image are "visible.”
  • the findings can be made by the physician, other specialist, or even by image recognition diagnostic software.
  • the molecular marker is degraded by the body after a corresponding "clearance" time Tc or eliminated.
  • the molecular marker consists of a recognition substance for highly specific binding to the targets and an optically detectable contrast substance coupled to the recognition substance, molecules or cells such as antibodies, peptides and DNA or RNA molecules being used as the recognition substance.
  • the recognition substances used can be present in their original form or in a biochemical, biotechnological or modified with other technologies form, especially in the case of antibodies, the use of functional antibody fragments is conceivable.
  • the recognition substances can specifically bind to the target molecules, inter alia via hydrogen bonds, electrostatic forces, van der Waals forces or hydrophobic interactions.
  • the contrast substance may either be directly linked to the recognition substance via a chemical compound or indirectly, e.g. B. be connected via a secondary antibody.
  • the binding of recognition substance and Konstrastsubstanz to nanoparticles, liposomes or other biological or chemical substances and the incorporation into such substances is possible.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of the coupling of a molecular marker to a target.
  • the molecular marker 1 consists of a Identification substance 2 and a contrast substance 3 coupled to the recognition substance 2.
  • the molecular marker 1 is introduced into the eye and is deposited on the target 4.
  • the target 4 in this case is an altered molecule present in a membrane 5. There is no attachment to the unchanged molecules 6 present in the membrane.
  • FIG. 2 shows a possible OCT image of a retina with molecular markers attached to target regions, wherein clear changes in the OCT image can be seen at the sites where the molecular marker has attached itself.
  • FIG. 3 shows an exemplary tabular overview of the recognition and contrast substances that can be used depending on the optical imaging method used.
  • FIG. 4 shows targets which are preferably used for various diseases, wherein the listed targets can be detected with all the optical imaging methods and contrast substances mentioned in FIG.
  • a recognition substance monoclonal or polyclonal antibodies are used here.
  • An application of peptides or DNA or RNA molecules as a recognition substance is also conceivable. Since new "targets" and molecular causes for hereditary diseases are always found within the framework of medical-molecular-biological basic research, the tabular overview shown in FIG. 4 represents only the currently preferred targets. A claim to completeness does not exist.
  • FIG. 5 shows an overview of currently preferred targets and the diseases which can be detected on the eye.
  • BRB blood-retinal barrier
  • the BRB is made up of retinal endothelial cells or epithelial cells, which are connected by so-called “tight junctions.” These "tight junctions”, which are visible under the electron microscopy, fuse the plasma membranes of two neighboring cells and strongly connect them. The “tight junctions” form a selective barrier to solutes and allow the organism to control the transport of nutrients and degradation products.
  • the "tight junctions” consist of various transmembrane proteins, such as the occludins, the junctional adhesion protein (JAM) or the zonula occludens (ZO-1, ZO2-, ZO-3).
  • a characteristic of diabetic retinopathy is the loss of integrity and vascular permeability of the blood-retinal barrier (BRB). Even at very early stages, there are changes in BRB, which can lead to the formation of macular edema and thus loss of vision.
  • BRB blood-retinal barrier
  • VEGF Vascular Endothelial Growth Factor
  • angiogenesis is described as the growth of small blood vessels (capillaries)
  • cytokine levels include IL-1 ⁇ , IL-6 and IL-8, in particular of proliferative diabetic retinopathy greatly increased.
  • FIG. 6 shows a schematic representation of the effect of molecular markers in diabetic retinopathy. While the antibody used by molecular marker 1 penetrates BRB 9 through defective tight junctions 8 and recognizes disease-specific changes in the tight junctions, molecular markers 1 are stopped at the intact tight junctions 10. Basically, it should be remembered that the intact BRB does not pass antibodies, however, if there is damage to the BRB, the antibodies may penetrate more intensely and be used to increase the contrast as shown in Figure 6. This effect is an example of the excellent sensitivity and specificity of the solution of the invention and fluorescein angiography, in the method described herein, there is a specific accumulation of the molecular markers at the site of the lesion.
  • vascular endothelial growth factor can be detected directly in the blood and especially in the newly formed, diseased, small blood vessels (neovascularization) without the BRB must be passed.
  • VEGF is also detectable in tissue.
  • targets such as the cytokines or VEGF
  • new "targets" and molecular causes of hereditary diseases are always found within the framework of medical molecular biological basic research, but at the present time VEGF, occludin and the status of occludin phosphorylation and cytokines are particularly suitable as target to molecular markers for different targets for the detection of diabetic retinopathy.
  • age-related macular degeneration AMD
  • AMD is one of the leading causes of blindness in the Western world.
  • the pathogenesis of AMD is not yet known.
  • Common hypotheses suggest that in addition to insufficient choroidal blood flow in the macula, metabolic dysfunction of the retinal pigment epithelium or abnormalities of the rupture membrane (membrane complex between the retinal pigment epithelium and the choroid) are causes of AMD.
  • FIG. 8 shows a molecular marker for the detection of age-related macular degeneration.
  • a stem cell therapy can be used to cure degenerative diseases of the retina or the optic nerve.
  • Stem cells are body Lines that are not differentiated yet. That is, they are not yet in a form that specializes in their use in the organism (for example, as a skin cell or liver cell), but their later use is still open. It is for the observation of the therapy of great benefit to observe the stem cells using a detection system. This is conceivable by labeling the stem cells with specific antibodies.
  • FIG. 9 shows a molecular marker for the detection of stem cells.
  • the proposed technical solution for optical detection on the eye can be used to detect Alzheimer's disease (Alzheimer's disease) in the early stage.
  • Alzheimer's disease is a progressive dementia disorder of the brain that is associated with a progressive decrease in brain function. The disease begins with little, apparently accidental forgetfulness and ends in loss of the mind.
  • FIG. 10 shows molecular markers for Alzheimer's disease, as well as possible sites of detection.
  • the proposed technical solution can also be used to detect a glaucoma disease.
  • Glaucoma also known as the green star, is one of the most common diseases of the optic nerve, as a result of which characteristic visual field defects (scotomas) develop, which in extreme cases lead to blindness of the eye.
  • Glaucoma is one of the most common causes of blindness, both in industrialized and developing countries.
  • Figure 11 shows molecular markers for glaucoma detection.
  • the device according to the invention for optically detecting changes in the eye consists of an optical imaging unit for detecting the interaction of a molecular marker introduced into the eye and attached to a specific target and an evaluation unit, the molecular marker having a spectral characteristic of absorption and / or scattering in the visual and infrared spectral range or the fluorescence or bioluminescence has neszenz.
  • the molecular biocompatible marker since the molecular biocompatible marker has the characteristic of temporary selective attachment to the targets in the eye, followed by in-body degradation without appreciably affecting the patient's vision, a low stress on the patient, and especially the eye, will be adequate for diagnostic purposes reached.
  • the molecular marker functioning as a diagnostic reagent can be injected into the patient, administered orally or administered as an eye drop.
  • time T 0 when the molecular marker has been absorbed by the body and specifically targeted to certain targets at the target site, e.g. As the retina, the detection is carried out with an optical imaging unit. Due to the altered optical properties, the molecular changes of interest in the image are "visible.”
  • the findings can be made by the physician or even by imaging software with image recognition.
  • the molecular marker is degraded or excreted by the body after a corresponding "clearance" time Tc ,
  • the molecular marker consists of a recognition substance for highly specific binding to the targets and an optically detectable contrast substance coupled to the recognition substance, molecules or cells such as antibodies, peptides and DNA or RNA molecules being used as the recognition substance.
  • the recognition substances used may be in their original form or in a biochemical, biotechnological or other technologies modified form, especially in the case of antibodies, the use of functional antibody fragments is conceivable.
  • the recognition substances can specifically bind to the target molecules, inter alia via hydrogen bonds, electrostatic forces, van der Waals forces or hydrophobic interactions.
  • the contrast substance may either be directly linked to the recognition substance via a chemical compound or indirectly, e.g. B. connected via a secondary antibody.
  • the binding of recognition subunits punch and Konstrastsubstanz to nanoparticles, liposomes or other biological or chemical substances and the incorporation into such substances possible.
  • the interaction between molecular marker and target is detected with fundus cameras, confocal laser microscopes, OCT devices, and other polarization- or holography-based optical imaging devices.
  • fundus cameras confocal laser microscopes
  • OCT devices polarization- or holography-based optical imaging devices.
  • contrast agents based on fluorescence or autofluorescence are used for optical imaging by means of fundus cameras or confocal laser microscopes
  • OCT devices are based on light scattering or absorption-based contrast substances.
  • the optical imaging unit is an optical coherence tomography (OCT) -based device.
  • OCT optical coherence tomography
  • the molecular marker has an increased absorption and / or scattering in the infrared spectral range and the lowest possible absorption and / or scattering in the visual spectral range.
  • the molecular marker of the operating wavelength of the OCT device should have an increased absorption and / or scattering. Due to the low absorption and / or scattering in the visual spectral range, the least possible impairment of the patient's vision can be ensured.
  • the optical imaging unit is a confocal laser microscope or confocal laser scanner. This rush "or infrared spectral range an increased absorption and / or scattering or fluorescence or bioluminescence on the molecular Mar- ker has, in particular at the laser wavelength used in Visu.
  • a confocal scanner for the spatially resolved detection of the molecular markers can according to the invention have an additional time-resolved detection in an extended version.
  • spatially and temporally resolved for example, the fluorescence decay time of the Kermolekül attached dye molecule are evaluated.
  • a fluorescence lifetime can be spatially resolved assigned to individual detection sites and thus also work by imaging. Since these decay times depend on the binding state, it can be seen to what extent binding states or specific deposits have taken place in the investigated spatial areas or not.
  • Methods of Confocal Microscopy and Optical Coherence Tomography can also be used not only as 2-dimensional and 3-dimensional imaging methods.
  • a linear scan eg A-scan
  • the target area with the introduced molecular marker can also provide a specific signal that characterizes the binding state and thus enables a diagnosis.
  • this simplified diagnosis e.g. in the lens not only the anatomical interfaces of the lens are visible as a peak in the scan, but also the marker-specific peaks, which characterize the specific attachment and presence.
  • the optical imaging unit is a fundus camera and the molecular marker has either an increased fluorescence and / or bioluminescence in the used excitation wavelength range in the visual or infrared spectral range.
  • the detection of the interaction of the introduced into the eye and attached to a specific target molecular marker takes place in a correspondingly longer wavelength spectral range.
  • the molecular marker has an increased absorption and / or scattering in the used excitation wavelength range in the visual or infrared spectral range. The detection of this interaction then takes place in the visual or infrared spectral range.
  • the natural contrast of, for example, retinal recordings with a fundus camera is at a given intensity threshold of the camera system, including the camera. rachip with a threshold factor "IS" and the known reflectivity of the retina of about 10 "4 given that the illumination intensity> 10 " is 4 x IS.
  • the marker-specific fluorescence signals with a corresponding fluorescence recording must stand out in particular from the autofluorescence signal at the respective excitation wavelength / detection wavelength combination. Since the fluorescent dyes used in the marker are matched to the particular excitation and detection wavelengths of the optical diagnostic system used, a useful signal which is clearly indicative of the autofluorescence background is expected.
  • the present inventive solution utilizes absorbance, scattering or fluorescence selectable by the contrast agents attached to the molecular markers as optical contrasting.

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Abstract

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. 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 dem Target wird entsprechend mit optischen Abbildungsverfahren, wie Fundusfotografie, konfokaler Lasermikroskopie, polarisationsoptischen Abbildungsverfahren, 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

Verfahren und Vorrichtung zur optischen Detektion am Auge
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.
Krankhaft veränderte Zellen haben veränderte Stoffwechsel und Genaktivitäten, die sich beispielsweise in einer Veränderung der Oberflächenstruktur der Zellen manifestieren (sog. krankheitskorrelierte molekulare Marker). Entsprechende 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 Umgebungen 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. Radio- nukleotid oder Fluoreszenzfarbstoff).
3. bildgebendes, optischen Abbildungsverfahren zur visuellen Darstellung Mit Hilfe der molekularen Bildgebung (molecular imaging) können biologische Prozesse auf zellulärer und molekularer Ebene im lebenden Organismus (in vivo) gemessen und charakterisiert werden [2]. 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 Ursachen 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.
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 lOLMaster 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 sich 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-BiId erst sichtbar sind, wenn die Krankheit bereits ausgebrochen ist. Außerdem haben die in ei- nem OCT-BiId 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.
Bei der Fundusfotografie werden Fluoreszenztechniken auf der Basis verschiedener applizierter Wirkstoffe, wie beispielsweise Fluorescein (FA) oder Indocy- aningrün (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 wird Indocyaningrün zunehmend als Farbstoff bei der Fluoreszenzangiographie 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. Altersabhänaiae 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/Piαmentepitheliitis:
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. 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 Veränderungen der Blutgefäße, z.B. NeoVaskularisationen, 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.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Lösung zur optischen Detektion von Veränderungen am Auge zur Verfügung zu stellen, mit der die Selektivität, Spezifität, 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 sowie den Verlauf von Therapien zu beobachten.
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 bzw. der Fluoreszenz oder Biolumineszenz in das Auge eingebracht, der sich an ein spezifischen Zielbereich anlagert. Die Wechselwirkung dieses molekularen Markers mit dem Zielbereich wird entsprechend mit optischen Abbildungsverfahren, wie Fundusfotografie, konfokaler Lasermikroskopie, polarisationsopti- sehen 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 und pathologischen Veränderungen.
• 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:
Figur 1 : eine schematische Darstellung zur Ankopplung eines molekularen Markers an einen Zielbereich,
Figur 2: ein mögliches OCT^BiId einer Retina mit an Zielbereichen angelagertem molekularen Marker,
Figur 3: eine tabellarische Übersicht der in Abhängigkeit des eingesetzten optischen Abbildungsverfahrens verwendbaren Erkennungs- und Kontrastsubstanzen, Figur 4: eine tabellarische Übersicht der für verschiede Erkrankungen bevorzugt verwendeten Targets,
Figur 5: eine Übersicht derzeit bevorzugt verwendeter Targets und die damit detektierbaren Krankheiten am Auge,
Figur 6: eine schematische Darstellung zur Wirkung molekularer Marker bei diabetischer Retinopathie,
Figur 7: molekulare Marker für verschiedene Targets zur Detektion von diabetischer Retinopathie,
Figur 8: molekulare Marker zur Detektion altersbedingter Makuladegeneration,
Figur 9: molekulare Marker zur Detektion von Stammzellen,
Figur 10: molekulare Marker zur Detektion von Morbus Alzheimer und
Figur 11 : molekulare Marker zur Detektion von Glaukom.
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 diagnostisches Reagenz fungierende molekulare Marker kann dem Patienten injiziert, oral appliziert 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, sonstige Fachkraft oder auch durch eine Befundungssoftware mit Bilderkennung erfolgen. Der molekulare Marker wird nach einer entsprechenden „Clearance"-Zeit Tc 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. Die verwendeten Erkennungssubstanzen können in ihrer ursprünglichen Form oder in einer biochemischen, biotechnologischen oder mit anderen Technologien veränderten Form vorliegen, insbesondere bei Antikörpern ist die Verwendung von funktionalen Antikörperfragmenten denkbar. Die Erkennungssubstanzen können unter anderem über Wasserstoffbrückenbindungen, elektrostatische Kräfte, Van der Waals-Kräfte oder hydrophobe Wechselwirkungen spezifisch an die Targetmoleküle binden. Die Kontrastsubstanz kann entweder direkt mit der Erkennungssubstanz über eine chemische Verbindung oder indirekt, z. B. über einen sekundären Antikörper verbunden sein. Zudem ist die Bindung von Erkennungssubstanz und Konstrastsubstanz an Nanopartikel, Liposomen oder sonstige biologische oder chemische Substanzen sowie die Einlagerung in solche Substanzen möglich.
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung zur Ankopplung eines molekularen Markers an ein Target. Hierbei besteht der molekulare Marker 1 aus einer Er- kennungssubstanz 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 detek- tiert. Hierzu zeigt Figur 2 ein mögliches OCT-BiId 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 basierende Kontrastsubstanzen verwendet. Hierzu zeigt Figur 3 eine beispielhafte tabellarische Übersicht der in Abhängigkeit des eingesetzten optischen Abbildungsverfahrens verwendbaren Erkennungs- und Kontrastsubstanzen.
Die in Figur 4 dargestellte tabellarische Übersicht zeigt für verschiede Erkrankungen bevorzugt verwendete Targets, wobei die aufgeführten Targets mit allen in Figur 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 Figur 4 dargestellte tabellarische Übersicht nur die derzeit, bevorzugt verwendete Targets dar. Ein Anspruch auf Vollständigkeit besteht nicht. Zusätzlich zeigt Figur 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 Paren- chym 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 vaskulären Permeabilität der Blut-Retina-Barriere (BRB). Schon in sehr frühen Phasen kommt es zu Veränderungen der BRB, welche zur Ausbildung von Makulaödeme 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" (VEGF) stark erhöht. VEGF gehört zu einer Familie von angiogenischen Wachstumsfaktoren, wobei als Angiogenese das Wachstum von kleinen Blutgefäßen (Kapillaren) beschrieben wird. Eine erhöhte VEGF-Konzentration ist nachweislich mit einer erhöhten, vaskulären Permeabilität verbunden. Zudem sind bei der diabetische Retinopathie, welche seit kurzem auch als chronische entzündliche Krankheit angesehen wird, beispielsweise die Zytokine-Niveaus IL-1 ß, IL-6 und IL-8, insbesondere bei der proliferativen diabetischen Retinopathie stark erhöht.
Hierzu zeigt Figur 6 eine schematische Darstellung zur Wirkung molekularer Marker bei der diabetischen 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 Figur 6 dargestellt 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- Angiögraphie 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 VEGF, kann man direkt im Blut und insbesondere in den neugebildeten, krankhaften, kleinen Blutgefäßen (Neovaskularisation) nachweisen ohne das dazu die BRB passiert werden muss. VEGF ist aber auch im Gewebe nachweisbar. Im Folgenden wird darauf eingegangen, welche Substanzen als Targets besonders geeignet sind. Wie bereits erwähnt werden im Rahmen medizinisch- molekularbiologischer Grundlagenforschung immer neue „Targets" und molekulare Ursachen für Erbkrankheiten gefunden. Jedoch sind zum gegenwärtigen Zeitpunkt VEGF, Occludin und der Status der Occludin-Phosphorylierung sowie Zytokine als Target besonders geeignet. Dazu zeigt Figur 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 [7] sind die bekannteste morphologische Änderung Stoffwechselablagerung, sogenannte Drusen. Es gibt einige Evidenzen, dass bei der Drusen-Biogenesis entzündliche Reaktionen eine Rolle, ähn- lich wie bei Alzheimer und-Atherosklerose, spielen. Es gibt einige Drusen- assozierte Proteine, welche als molekularen Marker für AMD dienen können. Figur 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 Körper- Zeilen, 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 Figur 9 einen molekularen Marker zur Detektion von Stammzellen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die vorgeschlagene technische Lösung zur optischen Detektion am Auge dazu verwendet werden, eine Alzheimer-Erkrankung (Morbus Alzheimer) im frühen Stadium zu erkennen. Die vorwiegend im Alter auftretende Alzheimer-Krankheit ist eine fortschreitende Demenz-Erkrankung des Gehirns, die mit einer fortschreitenden Abnahme von Hirnfunktionen einhergeht. Die Krankheit beginnt mit geringer, anscheinend zufälliger Vergesslichkeit und endet im Verlust des Verstandes. Figur 10 zeigt molekulare Marker für Morbus Alzheimer, sowie mögliche Nachweisorte.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die vorgeschlagene technische Lösung auch zum Nachweis einer Glaukom-Erkrankung eingesetzt werden. Das Glaukom, auch Grüner Star genannt, ist eine der häufigsten Erkrankungen des Sehnervs, in dessen Folge charakteristische Gesichtsfeldausfälle (Skotome) entstehen, die im Extremfall zur Erblindung des Auges führen. Das Glaukom ist eine der häufigsten Erblindungsursachen, sowohl in Industriestaaten als auch in Entwicklungsländern. Ausgehend von den Nachweisorten zeigt Figur 11 molekulare Marker für die Glaukom-Erkennung.
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 Biolumi- neszenz 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, oral appliziert 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 Tc 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. Die verwendeten Erkennungssubstanzen können in ihrer ursprünglichen Form oder in einer bio- _ chemischen, biotechnologischen oder mit-anderen Technologien veränderten Form vorliegen, insbesondere bei Antikörpern ist die Verwendung von funktionalen Antikörperfragmenten denkbar. Die Erkennungssubstanzen können unter anderem über Wasserstoffbrückenbindungen, elektrostatische Kräfte, Van der Waals-Kräfte oder hydrophobe Wechselwirkungen spezifisch an die Targetmoleküle binden. Die Kontrastsubstanz kann entweder direkt mit der Erkennungssubstanz über eine chemische Verbindung oder indirekt, z. B. über einen sekundären Antikörper verbunden. Zudem ist die Bindung von Erkennungssub- stanz und Konstrastsubstanz an Nanopartikel, Liposomen oder sonstige biologische oder chemische Substanzen sowie die Einlagerung in solche Substanzen möglich.
Die Wechselwirkung zwischen molekularem Marker und Target wird mit Funduskameras, konfokalen Lasermikroskopen, OCT-Geräten sowie anderen pola- risations- 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-Geräte auf Lichtstreuung o- der Absorption 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 Absorption 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 oder konfokaler Laserscanner. Der molekulare Mar- ker weist hierbei insbesondere bei der verwendeten Laserwellenlänge im visu- " eilen oder infraroten Spektralbereich eine erhöhte Absorption und/oder Streuung oder Fluoreszenz bzw. Biolumineszenz auf.
Der beschriebene übliche Einsatz eines konfokalen Scanners zur räumlich aufgelösten Detektion der molekularen Marker kann erfindungsgemäß in einer erweiterten Version eine zusätzliche zeitaufgelöste Detektion besitzen. So kann räumlich und zeitlich aufgelöst z.B. die Fluoreszenzabklingzeit des an das Mar- kermolekül angehängten Farbstoffmoleküls ausgewertet werden. Eine Fluoreszenz-Lifetime kann räumlich aufgelöst einzelnen Detektionsorten zugeordnet werden und somit auch bildgebend arbeiten. Da diese Abklingzeiten vom Bindungszustand abhängen, ist ersichtlich inwieweit Bindungszustände bzw. spezifische Anlagerungen in den untersuchten räumlichen Arealen stattgefunden haben oder nicht.
Methoden der konfokalen Mikroskopie und Optischen Kohärenz Tomografie sind dabei auch nicht nur als 2 und 3-dimensionale bildgebende Verfahren einsetzbar. Bei beiden Methoden kann auch ein linearer Scan (z. B. A-Scan) im Zielareal mit dem eingebrachten molekularen Marker ein spezifisches Signal liefern welches den Bindungszustand charakterisiert und damit eine Diagnose ermöglicht. Bei dieser vereinfachten Diagnostik z.B. in der Linse sind dann nicht nur die anatomischen Grenzflächen der Linse als Peak im Scan ersichtlich, sondern auch die markerspezifischen Peaks, welche die spezifische Anlagerung und Anwesenheit charakterisieren.
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.
Der natürliche Kontrast von z.B. Retinaaufnahmen mit einer Funduskamera ist bei einer gegebenen Intensitätsschwelle des Kamerasystems inklusive Kame- rachip mit einem Schwellfaktor "IS" und der bekannten Reflektivität der Retina von ca. 10"4 dadurch gegeben, dass die Beleuchtungsintensität > 10"4 x IS ist. Die markerspezifischen Fluoreszenzsignale bei einer entsprechenden Fluoreszenzaufnahme müssen sich insbesondere vom Autofluoreszenzsignal bei der jeweiligen Anregungswellenlänge/ Detektionswellenlängen- Kombination abheben. Da die im Marker benutzten Fluoreszenzfarbstoffe auf die jeweils verwendeten Anregungs- und Detektionswellenlängen des optischen Diagnosesystems abgestimmt sind, wird ein zum Autofluoreszenz Hintergrund deutliches Nutzsignal erwartet. So erzielt man mit der erfindungsgemäßen markergebundenen molekularen Diagnostik bei vergleichsweise geringer Strahlungsbelastung ein sehr viel höheres Nutzsignal als bei einer molekularen Bildgebung die z. B. auf einen Autofluoreszenz-, Fluoreszenzlifetime- oder Raman- basierten molekularen Diagnoseverfahren ohne zusätzlichem Marker beruht. Diese Eigenschaft ist trotz des Nachteils, dass ein Marker in das Auge eingebracht werden muss, von besonderer Bedeutung für das Auge, da hier zum Schutz der Retina Strahlungsgrenzwerte streng einzuhalten sind.
Die vorliegende erfindungsgemäße Lösung nutzt alternativ die durch die an die molekularen Marker angehängten Kontrastmittel auswählbare Absorption, Streuung oder Fluoreszenz als optische Kontrastgebung.

Claims

Patentansprüche
1. 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.
2. 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.
3. 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.
4. 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.
5. 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.
6. 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.
7. 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.
8. Verfahren nach mindestens einem der vorgenannten Ansprüche, bei dem für die OCT-Technik als optisches Abbildungsverfahren Kontrastsubstanzen verwendet werden, die auf Lichtstreuung basieren.
9. 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.
10. 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 VEGF detektieren.
11. Verfahren nach mindestens einem der vorgenannten Ansprüche, bei dem zur Detektion altersbedingter Makuladegeneration Antikörper als molekufa- re Marker eingesetzt werden, die die als Target dienenden Drusen- assozierten Proteine, wie C-reactive Protein, Immunoglobulin, Vitronectin, Clusterin oder auch Apolipoprotein E detektieren.
12. Verfahren nach mindestens einem der vorgenannten Ansprüche, bei dem zur Detektion von Morbus Alzheimer Antikörper, Antikörperfragmente oder Peptide als molekulare Marker eingesetzt werden, die die als Target apop- totische Proteine oder ß-Amyloid detektieren.
13. 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.
14. 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.
15. 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.
16. 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.
17. 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.
8. 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.
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