KR20180102170A - 광응고에 의한 망막 혈관 질환의 치료 및 예방 - Google Patents
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Abstract
본 개시내용은 광응고에 의한 망막 혈관 질환의 치료 또는 예방 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 개시내용은 황반을 포함한 망막 조직에서 저산소증의 발생 및 허혈의 진행을 예방하기 위한, 망막 화상의 배치를 위한 개선된 기술에 관한 것이다. 방법은 또한 허혈성 망막 혈관 질환을 갖는 당뇨병, 당뇨병전기 또는 다른 환자, 또는 허혈성 망막 혈관 질환의 위험이 있는 환자에서의 잠재적 허혈성 조직 손상을 예방하는 데 사용될 수 있다.
[대표도]
도 4A
[대표도]
도 4A
Description
본 개시내용은 망막 혈관 질환 및/또는 황반 부종의 치료 또는 예방 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 개시내용은 망막 혈관의 폐쇄에 의한 황반에서의 저산소증의 발생 및 허혈의 전파를 예방하기 위한, 망막 주변부 및 황반 둘 다에서의 망막 화상의 배치를 위한 개선된 기술에 관한 것이다. 방법은 또한 허혈성 망막 혈관 질환을 갖는 당뇨병, 당뇨병전기 또는 다른 환자에서의 잠재적 허혈성 조직 손상을 예방하는 데 사용될 수 있다.
망막 혈관 질환
망막 혈관 질환은 중대하고 증가하는 세계적인 문제이다. 망막 혈관 질환의 가장 흔한 형태는 당뇨병에 의해 유발된다. 당뇨병의 발생률이 놀라운 속도로 증가하고 있음이 널리 알려져 있다. 당뇨병성 망막병증은 제I형 및 제II형 당뇨병에서 중대한 문제이다. 당뇨병에 의해 유발되는 고혈당증은 많은 합병증으로 이어지고, 당뇨병성 망막병증은 미국의 근로 연령의 사람들에서의 손상된 시력 또는 실명의 주요 원인이다.
당뇨병성 눈에서의 혈관, 특히 모세혈관은 폐쇄에 취약하여 망막 저산소증을 일으키고 다양한 인자 및 시토카인의 합성을 변경시킨다. 시토카인 및 다른 인자에서의 이러한 변화는 인접한 모세혈관의 폐쇄의 가능성을 증가시키는 유해 국부 피드백 사이클을 촉발할 수 있다.
이러한 질환을 위한 현행 치료는 주로 범-망막 광응고 (PRP)이다. 치료는 주요 산소 소비자인 망막 내의 광수용체를 파괴하기 위한 레이저에 의존한다. PRP에 의한 눈의 광수용체 중 일부의 파괴는 시토카인 예컨대 혈관 내피 성장 인자 (VEGF)의 수준을 낮추는 데 산소가 이용가능해지도록 한다. 이러한 낮춤은 신생혈관화의 퇴행을 유발하는 경향이 있고, 시각 상실의 위험을 낮춘다. 광수용체에 대한 국부 손상을 생성하는 다른 방법이 이용가능하고 알려져 있으나, 레이저 치료가 가장 흔한 접근법이다. 이 치료는 망막 신생혈관화의 합병증으로 인한 망막에 대한 추가 손상을 예방하는 데 다소 효과적이나, 또한 합병증 예컨대 주변 시각의 상실 및 증가된 황반 부종을 유발할 수 있다. 일반적으로, 이 치료는 주변 망막에서 큰 레이저 화상을 무작위로 산란시킴으로써, 또는 누출 혈관을 갖는 것으로 보이는 황반의 면적에 적용되는 레이저 화상의 그리드를 사용하여 수행된다.
눈에서의 당뇨병의 합병증은 주로 VEGF 및 다른 생물학적 인자의 상승된 생산을 유도하는 망막 허혈의 생성된 면적을 갖는 융합성 모세혈관 폐쇄 형태의 모세혈관의 생리학적 장애와 관련된다. 상승된 VEGF는 국부 모세혈관 부착 단백질을 상승시킴으로써 근처 모세혈관에서의 증가된 속도의 모세혈관 폐쇄로, 및 망막 부종을 일으키는 혈관 누출로, 및 망막의 충분한 면적이 수반되는 경우 신생혈관화로 이어진다.
개별 모세혈관 폐쇄를 일으키는 근본적인 병리학적 과정은 아마 손상 소진 내피 복제의 사이클 후에, 망막 모세혈관 내피 세포에 부착되고 이를 손상시켜 결국 단일 모세혈관의 폐쇄를 일으키는 활성화된 백혈구의 결과인 것으로 여겨진다. 그러나 임상적으로 관찰된 것은 무작위한 모세혈관 폐쇄보다는 망막 허혈의 큰 융합성 면적이다. 따라서, 개별 모세혈관의 폐쇄는 주위 모세혈관의 개존성 또는 폐쇄에 의존할 가능성이 있다. 즉, 폐쇄가 유해 피드백 사이클 형태의 추가 폐쇄를 야기하도록 하는 비-무작위 폐쇄가 존재한다. 모세혈관 폐쇄로, 국부 망막 조직은 허혈성/저산소성이 되고 그 조직은 근처 모세혈관 폐쇄의 가능성을 증가시키는 인자 또는 인자들을 방출한다.
황반 부종
황반 부종은 황반 내 유체의 축적이며, 종종 미국의 근로 연령 인구에서의 중등도 시각 상실의 주요 원인인 당뇨병성 망막병증과 함께 발생한다. 황반 부종은 누출 망막 혈관으로부터 황반 내 유체의 비정상적 누출 및 축적이 존재하는 경우에 발생하고, 종종 당뇨병성 망막병증과 관련하여 나타난다. 당뇨병의 발생률이 놀라운 속도로 증가하고 있음이 널리 알려져 있다. 당뇨병성 망막병증은 제I형 및 제II형 당뇨병에서 중대한 문제이다. 당뇨병에 의해 유발되는 고혈당증은 많은 합병증으로 이어진다.
황반 부종은 또한 눈 수술 후에 연령-관련 황반 변성과 연관되어, 또는 눈에 영향을 미치는 염증성 질환의 결과로서 발생할 수 있다.
현재, 당뇨병성 황반 부종을 갖는 환자 중 약 40%가 안구내로 주입된 항-혈관 내피 성장 인자 (VEGF) 작용제를 사용한 치료에 대한 보조요법으로서 레이저 치료를 받는다. VEGF 수준을 낮추는 것은 혈관 누출을 감소시키는 경향이 있고 시각 상실의 위험을 낮춘다. 황반 부종을 위한 현행 레이저 치료는 종종 레이저 화상의 그리드 형태이고, 주로 임의의 유도 근거 없이 적용된다.
광응고에 의해 황반 부종을 포함한 망막 혈관 질환을 치료 또는 예방하는 방법이 본원에 기재된다. 방법은 또한 허혈성 망막 혈관 질환을 갖는 당뇨병, 당뇨병전기 또는 다른 환자에서의 잠재적 허혈성 조직 손상을 예방하는 데 사용될 수 있다. 본원에 기재된 특정 실시양태에서, 방법은 허혈성 망막 혈관 질환을 치료하는 데 사용될 수 있거나, 또는 대상체에서 망막 허혈의 발병 또는 진행을 예방 또는 최소화할 수 있다. 일부 실시양태에서, 방법은 광응고 화상 패턴의 경계 내에서 망막 조직의 산소화를 유지하기에 충분히 조밀한 간격을 갖는 작은 광응고 화상 패턴을 대상체의 망막 상에 생성시키는 것을 포함한다. 일부 실시양태에서, 광응고 화상의 간격은 (a) 광응고 화상 패턴의 한 쌍의 개별 광응고 화상; 및 (b) 광응고 화상 패턴의 개별 광응고 화상 및 세동맥 또는 세정맥 중 적어도 1개의 사이에 약 140 마이크로미터 이하의 갭을 생성한다. 다른 실시양태에서, 광응고 화상의 간격은 또 다른 광응고 화상, 세동맥 또는 세정맥으로부터 약 140 마이크로미터보다 더 멀리 있지 않는 광응고 화상 패턴의 개별 광응고 화상을 생성한다. 다른 실시양태에서, 황반 조직에서의 저산소증의 발생 및 허혈의 전파를 예방하기 위한, 망막 화상의 배치를 위한 개선된 기술이 본원에 기재된다.
특정 실시양태에서, 광응고 화상 패턴의 개별 광응고 화상은 약 50 마이크로미터 내지 약 300 마이크로미터의 길이 및 약 20 마이크로미터 내지 약 100 마이크로미터의 폭을 갖는 밴드 형상을 가지며, 여기서 밴드 형상의 길이는 폭보다 더 크다. 다른 실시양태에서, 광응고 화상 패턴의 개별 광응고 화상은 약 300 마이크로미터의 길이 및 약 100 마이크로미터의 폭, 또는 약 52 마이크로미터의 길이 및 약 20 마이크로미터의 폭의 치수를 갖는 밴드 형상을 갖는다. 일부 실시양태에서, 광응고 화상 패턴의 개별 광응고 화상은 망막의 세동맥과 세정맥 사이의 대략 중앙에 배치된다.
다른 실시양태에서, 광응고 화상 패턴의 개별 광응고 화상은 원형이고, 약 20 마이크로미터 내지 약 100 마이크로미터의 직경을 갖는다. 특정 실시양태에서, 광응고 화상 패턴의 개별 광응고 화상은 원형이고, 약 60 마이크로미터 또는 약 80 마이크로미터의 직경을 갖는다. 일부 실시양태에서, 광응고 화상 패턴의 개별 광응고 화상은 망막의 세동맥과 세정맥 사이의 대략 중앙에 배치되거나, 또는 세동맥 또는 세정맥에 대략 인접하여 배치된다.
일부 실시양태에서, 치료 또는 예방될 망막 혈관 질환은 당뇨병성 망막병증이다. 특정 실시양태에서, 당뇨병성 망막병증의 발생 위험이 있는 대상체는 본 개시내용에 의해 기재된 방법을 사용하여 치료받음으로써, 당뇨병성 망막병증의 발병을 예방할 수 있다.
특정 실시양태에서, 광응고 화상 패턴이 생성된 망막 조직은 허혈성 망막 조직이거나, 비-허혈성 망막 조직이거나, 또는 허혈성 및 비-허혈성 망막 조직의 조합이다. 다른 실시양태에서, 광응고 화상 패턴이 생성된 망막 조직은 비-허혈성 망막 조직이고, 대상체는 망막 혈관 질환의 발생 위험이 있다. 또 다른 실시양태에서, 방법은 망막 혈관 질환을 갖는 대상체에서 수행된다.
일부 실시양태에서, 광응고 화상 패턴은 레이저에 의해 생성된다. 특정 실시양태에서, 광응고 화상 패턴의 생성은 수동 제어 하에 있다. 다른 실시양태에서, 광응고 화상 패턴의 생성은 자동화되거나 또는 의료적 감독과 함께 컴퓨터 가이드된다.
다른 실시양태에서, 혈관조영상은 광응고 화상 패턴을 생성하기 전에 수행된다. 일부 실시양태에서, 혈관조영상은 망막 상에 광응고 화상 패턴을 배치하기 위한 참조로서 사용된다.
특정 실시양태에서, 대상체에서 황반 부종을 치료 또는 예방하거나, 또는 망막 허혈의 진행을 치료 또는 예방하는 방법은 허혈의 진행을 유발하는 것으로 예측되는 황반의 1개 이상의 면적에서의 또는 그 근처에서의 모세혈관 또는 모세혈관 분절의 폐쇄 후에 상기 1개 이상의 면적에 1개 이상의 광응고 화상을 적용하는 것을 포함한다.
일부 실시양태에서, 허혈의 진행을 유발하는 것으로 예측되는 황반의 1개 이상의 면적에서의 또는 그 근처에서의 모세혈관 또는 모세혈관 분절의 폐쇄 후에 상기 1개 이상의 면적은 대상체의 황반 모세혈관 해부학적 구조를 모델링하고, 각각의 모세혈관 또는 모세혈관 분절에 대한 위험 맵을 생성하고, 폐쇄되는 경우 허혈의 진행을 유발하는 것으로 위험 맵에 의해 예측되는 1개 이상의 모세혈관 또는 모세혈관 분절을 선택함으로써 확인된다. 1개 이상의 모세혈관 또는 모세혈관 분절은 모세혈관 또는 모세혈관 분절에 대한 위험 맵이 시뮬레이션 후에 약 0.2 이상의 주위 모세혈관의 폐쇄의 빈도를 나타내는 경우에 선택될 수 있다.
다른 실시양태에서, 방법은 허혈의 진행을 유발하는 것으로 예측되는 대상체의 황반의 1개 이상의 면적에서의 또는 그 근처에서의 모세혈관 또는 모세혈관 분절의 폐쇄 후에 상기 1개 이상의 면적을 확인하는 것을 포함한다. 방법은 대상체의 황반 모세혈관 해부학적 구조의 각각의 모세혈관 또는 모세혈관 분절에서 다음으로 가장 가까운 모세혈관 또는 모세혈관 분절까지의 거리를 결정하고, 모세혈관 폐쇄를 예측하는 추가의 모델링으로부터 이익을 얻을 수 있는 1개 이상의 황반 면적 또는 개별 모세혈관 또는 모세혈관 분절을 선택하는 것을 포함한다.
일부 실시양태에서, 방법은 대상체의 황반 모세혈관 해부학적 구조를 결정하는 것을 포함한다. 대상체의 황반 모세혈관 해부학적 구조는 예를 들어 혈관조영, 적응 광학 스캐닝 레이저 검안경검사, 또는 광 간섭 단층촬영-혈관조영 또는 다른 미래 영상화 기술에 의해 결정될 수 있다.
특정 실시양태에서, 1개 이상의 광응고 화상은 약 20 마이크로미터 내지 약 100 마이크로미터의 직경을 갖는다. 다른 실시양태에서, 1개 이상의 광응고 화상은 약 50의 직경을 갖는다. 광응고 화상은 수동적으로 적용되거나, 컴퓨터 가이드되거나, 또는 완전히 자동화될 수 있는 레이저에 의해 생성될 수 있다.
본 개시내용의 실시양태는 또한 본원에 기재된 방법을 수행하도록 구성된 시스템을 제공한다. 특정 실시양태에서, 시스템은 프로세서 및 메모리로 구현되는 컴퓨터-실행가능 명령어를 갖는 1개 이상의 컴퓨터-판독가능 매체를 포함하는 프로세서 및 메모리를 포함한다. 프로세서에 의해 실행되는 경우에, 컴퓨터 실행가능 명령어는 프로세서가 허혈의 진행을 유발하는 것으로 예측되는 황반의 1개 이상의 면적에서의 또는 그 근처에서의 모세혈관 또는 모세혈관 분절의 폐쇄 후에 상기 1개 이상의 면적을 확인하도록 할 수 있다. 프로세서는 대상체의 황반 모세혈관 해부학적 구조의 입력을 수신하도록 구성될 수 있다.
첨부 도면은 본 개시내용의 여러 예를 예시하기 위해 본 명세서에 통합되고 그 일부를 형성한다. 도면은 본 개시내용이 제조 및 사용될 수 있는 방법의 예를 단순하게 예시하며, 본 개시내용을 예시되고 기재된 예로 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 추가 특색 및 이점은 하기 참조된 도면에 의해 예시된 바와 같이, 본 개시내용의 다양한 측면, 실시양태 및 구성의 하기 보다 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.
도 1A는 인 실리코 주변 망막에서의 망막 모세혈관망, 뮐러(Mueller) 세포 및 다른 망막 세포의 구성의 2D 뷰를 도시한다. 중앙 패널은 모델 혈관망의 유속 맵을 도시한다. 우측 패널은 모델링된 섹션의 산소 분압 맵을 도시한다.
도 1B는 광응고의 부재 하의 초기 모세혈관 폐쇄 후 주어진 시점에서의 유속 맵을 도시한다.
도 1C는 광응고의 부재 하의 초기 모세혈관 폐쇄 후 주어진 시점에서의 산소 분압 맵을 도시한다.
도 2A는 N = 2의 모델링된 광응고 도트 패턴을 도시한다.
도 2B는 N = 4의 모델링된 광응고 도트 패턴을 도시한다.
도 2C는 밀도 N=2의 밴드 패턴을 사용한 모델링 시뮬레이션에서의 허혈 진행을 도시한다.
도 2D는 밀도 N=4의 밴드 패턴을 사용한 모델링 시뮬레이션에서의 허혈 진행을 도시한다.
도 3A는 광응고된 망막의 면적 (화상 면적)과 망막 허혈의 면적 사이의 관계를 나타내는 박스 및 휘스커 플롯이다. 허혈 진행의 면적은 도트 패턴 화상 면적에 고도로 의존하였다.
도 3B는 도트 패턴의 밀도와 총 손상된 망막의 척도로서의 망막의 레이저 치료된 및 최종 허혈 면적의 합계 사이의 관계를 나타내는 박스 및 휘스커 플롯이다.
도 3C는 광응고된 망막의 면적 (화상 면적)과 망막 허혈의 면적 사이의 관계를 나타내는 박스 및 휘스커 플롯이다. 허혈 진행의 면적은 밴드 패턴 화상 면적에 고도로 의존하였다.
도 3D는 밴드 패턴의 밀도와 총 손상된 망막의 척도로서의 망막의 레이저 치료된 및 최종 허혈 면적의 합계 사이의 관계를 나타내는 박스 및 휘스커 플롯이다.
도 4A는 80 마이크로미터의 도트를 갖는 모델링된 광응고 도트 패턴을 도시한다.
도 4B는 60 마이크로미터의 도트를 갖는 모델링된 광응고 도트 패턴을 도시한다.
도 4C는 300 마이크로미터 길이, 60 마이크로미터 폭의 밴드, 및 밀도 N=4를 갖는 밴드 패턴을 사용한 모델링 시뮬레이션에서의 허혈 진행을 도시한다.
도 4D는 100 마이크로미터 길이, 100 마이크로미터 폭의 밴드, 및 밀도 N=4를 갖는 밴드 패턴을 사용한 모델링 시뮬레이션에서의 허혈 진행을 도시한다.
도 5A는 광응고된 망막의 면적 (화상 면적)과 허혈의 면적 사이의 관계를 나타내는 박스 및 휘스커 플롯이다. 허혈 진행의 면적은 도트의 크기에 의존하였다.
도 5B는 개별 도트 (밀도 N=4)의 크기와 망막의 치료된 및 최종 허혈 면적의 합계 사이의 관계를 나타내는 박스 및 휘스커 플롯이며, 이러한 밀도의 스팟의 경우 크기가 허혈 진행에 대해 거의 효과를 갖지 않음을 나타낸다.
도 5C는 광응고된 망막의 면적 (화상 면적)과 허혈의 면적 사이의 관계를 나타내는 박스 및 휘스커 플롯이다. 화상 면적은 밴드의 폭에 의존하였다 (길이는 일정하게 유지됨). 동맥과 정맥 사이의 중앙에 배치된 이들 화상의 경우, 폭에 상관없이 허혈 진행이 거의 존재하지 않았다.
도 5D는 개별 밴드 (밀도 N=4; 길이는 일정하게 유지됨)의 폭과 망막의 치료된 및 최종 허혈 면적의 합계 사이의 관계를 나타내는 박스 및 휘스커 플롯이며, 중앙에 배치된 경우 화상의 크기가 관련 없음을 나타낸다.
도 5E는 광응고된 망막의 면적 (일정한 폭의 증가된 길이로 증가하는 화상 면적)과 허혈의 면적 사이의 관계를 나타내는 박스 및 휘스커 플롯이다. 허혈 진행은 동맥과 정맥 사이의 중앙에 배치된 이들 화상에 대해 각각의 길이에서 거의 없다.
도 5F는 개별 밴드 (밀도 N=4; 폭은 일정하게 유지됨)의 길이와 망막의 치료된 및 최종 허혈 면적의 합계 사이의 관계를 나타내는 박스 및 휘스커 플롯이다. 각각의 화상 길이가 허혈 진행을 예방하므로, 전체 망막 손상은 각각의 더 긴 밴드 길이에서 증가된다.
도 6은 밴드 화상 패턴에 의해 생성되고 각각의 개별 화상을 산소 공급원으로서 취급하는 망막 산소 프로파일에서의 예측된 변경의 표현이다. 화상의 결과는 망막 허혈/저산소증을 제거하여 인자 예컨대 VEGF의 국부 증가를 제거하는 것이다.
도 7은 본원에 기재된 한 실시양태에 따른 망막 화상 패턴의 컴퓨터-렌더링된 표현이다.
도 8은 황반 모세혈관 폐쇄, 허혈 및 과량의 VEGF 발현의 예시적인 모델 시뮬레이션을 도시한다. 물질 및 방법에 기재된 모델은 모든 시뮬레이션에 대한 기초로서 사용되었다.
도 9는 컴퓨터 시뮬레이션에서 모세혈관 폐쇄의 진행의 존재를 나타내는 관류-산소화 상 다이어그램을 도시한다.
도 10A는 30회의 반복 컴퓨터 시뮬레이션에 걸쳐 주위 모세혈관 폐쇄의 빈도를 나타내는 모델링된 위험 맵을 도시하며, 여기서 파선에 의해 표시된 모세혈관 분절은 시간 0에서 폐쇄된다.
도 10B는 45회의 반복 컴퓨터 시뮬레이션에 걸쳐 주위 모세혈관 폐쇄의 빈도를 나타내는 모델링된 위험 맵을 도시하며, 여기서 파선에 의해 표시된 모세혈관 분절은 시간 0에서 폐쇄된다.
도 11A-11B는 광응고 화상의 위험 맵-가이드 (도 11A) 또는 균일한 그리드 패턴 (도 11B)을 사용한 모델 치료 결과를 도시한다. 화상 패턴 (상단 행), 산소 맵 (중간 행), 및 화상 치료 후의 반복 시뮬레이션으로부터의 위험 맵 (하단 행)이 도시된다.
도 12는 적응 광학 스캐닝 레이저 안과학 (AOSLO) 이미지로부터의 인간 중심와주위 모세혈관망의 예시적인 모델 추상 및 구축을 도시한다. 이 ASOLO 이미지에서 FAZ의 직경은 대략 500 마이크로미터이다. 축척 막대는 100 마이크로미터이다.
도 13은 산소 및 VEGF 플럭스의 개략도를 도시한다. 채색된 블록은 모델 대상을 나타낸다: 모세혈관 블록 (CAP, 적색), 유체 부분 (FP, 청색), 뮐러 세포 (MC, 녹색) 및 다른 망막 세포 (OT, 갈색). 화살표, 삼각형 및 정사각형 형태의 마커는 모델링된 플럭스를 나타내는 데 사용된다.
도 14는 산소 이류의 컨베이어-벨트 모델의 개략도를 도시한다. 개략도는 5개의 분절 및 2개의 접합부를 갖는 작은 모세혈관망을 보여준다. 빈 삼각형 헤드를 갖는 화살표로 표시된 혈류 방향을 따라, 제1 접합부는 합류하는 혈류를, 제2 접합부는 갈라지는 혈류를 갖는다. 적색의 블록은 모세혈관 분절의 CAP, 빌딩 블록 또는 구조적 요소 (모델 구성에서 시각적으로 존재함)이다. 황색의 블록은 CB이며, 이류를 위한 기능적 요소이다.
도 15는 이류 및 확산의 순차적 시뮬레이션의 절차의 예의 개략도를 도시한다.
도 16은 물질 및 방법 섹션에 기재된 모델의 작업흐름을 도시한다.
도 17A는 모델링된 사례 1에 대한 모세혈관망을 도시한다.
도 17B는 모델링된 사례 1에 대한 유속 맵을 도시한다.
도 17C는 모델링된 사례 1에 대한 산소 분압 맵을 도시한다.
도 17D는 모델링된 사례 1에 대한 VEGF 농도 맵을 도시한다.
도 18A-18D는 제0주 (도 18A), 제72주 (도 18B), 제124주 (도 18C), 및 제152주 (도 18D)에, 모델링된 사례 1에 대한 초기 모세혈관 폐쇄 후의 유속 패턴을 도시한다.
도 19A-19D는 제0주 (도 19A), 제72주 (도 19B), 제124주 (도 19C), 및 제152주 (도 19D)에, 모델링된 사례 1에 대한 초기 모세혈관 폐쇄 후의 산소 분압 패턴을 도시한다.
도 20A-20D는 제0주 (도 20A), 제72주 (도 20B), 제124주 (도 20C), 및 제152주 (도 20D)에, 모델링된 사례 1에 대한 초기 모세혈관 폐쇄 후의 VEGF 수준 패턴을 도시한다.
도 21A-21D는 제0.5년 (도 21A), 제1년 (도 21B), 제2년 (도 21C), 및 제3년 (도 21D)의 종료 시에, 모델링된 사례 1에 대한 시간 경과에 따른 망막 두께를 도시한다.
도 22A는 모델링된 사례 1에 대한 시간 경과에 따른 평균 산소 분압을 도시한다.
도 22B는 모델링된 사례 1에 대한 시간 경과에 따른 저산소성 뮐러 세포 분획의 성장을 도시한다.
도 22C는 모델링된 사례 1에 대한 시간 경과에 따른 총 부피 유입량을 도시한다.
도 22D는 모델링된 사례 1에 대한 시간 경과에 따른 평균 최소 세포-혈관 거리를 도시한다.
도 23은 모델링된 사례 1에 대한 시간 경과에 따른 세포 산소 분포를 도시한다.
도 24A-24B는 모델링된 사례 1에 대한 362회 시뮬레이션의 유동-산소 상 다이어그램을 도시한다.
도 25A는 모델링된 사례 1 초기 폐쇄 부위에 대한 황반 모세혈관망의 개존성 맵을 도시한다. 색상은 초기 폐쇄로부터 3년의 시뮬레이션 시간 후에 개존되는 모세혈관 분절의 빈도를 나타낸다. 보다 따뜻한 색상은 폐쇄에 대한 더 낮은 취약성, 또는 더 높은 모세혈관 개존성에 상응한다.
도 25B는 모델링된 사례 2 초기 폐쇄 부위에 대한 황반 모세혈관망의 개존성 맵을 도시한다. 색상은 초기 폐쇄로부터 3년의 시뮬레이션 시간 후에 개존되는 모세혈관 분절의 빈도를 나타낸다. 보다 따뜻한 색상은 폐쇄에 대한 더 낮은 취약성, 또는 더 높은 모세혈관 개존성에 상응한다.
도 26은 사례 1 및 사례 2 시뮬레이션에 대한 경계 조건을 도시한다. 이미지는 모든 경계 결절에서의 혈압 및 산소 분압의 값을 나타낸다.
도 27은 사례 1 시뮬레이션에서의 모세혈관망 개존성 지수 및 망막 두께 변화에 대한 파라미터 영향을 도시한다. 4개의 광범위하게 변화하는 값 (도면 아래에 수평으로 열거됨)에서 한 번에 하나씩 6개의 파라미터 (도면 측면에 수직으로 열거됨)의 변형이 반복 시뮬레이션 상에서 실행된다. 각각의 채색된 블록은 사례 1에서와 같은 참조 파라미터 세트로부터의 특정 파라미터의 특정-값 변동을 갖는 28회의 시뮬레이션의 평균 결과를 나타낸다. 본 문서에서의 모델링에 사용되는 사례 1 파라미터 세트는 도면에서 "x 1"로 표시된다.
도 1A는 인 실리코 주변 망막에서의 망막 모세혈관망, 뮐러(Mueller) 세포 및 다른 망막 세포의 구성의 2D 뷰를 도시한다. 중앙 패널은 모델 혈관망의 유속 맵을 도시한다. 우측 패널은 모델링된 섹션의 산소 분압 맵을 도시한다.
도 1B는 광응고의 부재 하의 초기 모세혈관 폐쇄 후 주어진 시점에서의 유속 맵을 도시한다.
도 1C는 광응고의 부재 하의 초기 모세혈관 폐쇄 후 주어진 시점에서의 산소 분압 맵을 도시한다.
도 2A는 N = 2의 모델링된 광응고 도트 패턴을 도시한다.
도 2B는 N = 4의 모델링된 광응고 도트 패턴을 도시한다.
도 2C는 밀도 N=2의 밴드 패턴을 사용한 모델링 시뮬레이션에서의 허혈 진행을 도시한다.
도 2D는 밀도 N=4의 밴드 패턴을 사용한 모델링 시뮬레이션에서의 허혈 진행을 도시한다.
도 3A는 광응고된 망막의 면적 (화상 면적)과 망막 허혈의 면적 사이의 관계를 나타내는 박스 및 휘스커 플롯이다. 허혈 진행의 면적은 도트 패턴 화상 면적에 고도로 의존하였다.
도 3B는 도트 패턴의 밀도와 총 손상된 망막의 척도로서의 망막의 레이저 치료된 및 최종 허혈 면적의 합계 사이의 관계를 나타내는 박스 및 휘스커 플롯이다.
도 3C는 광응고된 망막의 면적 (화상 면적)과 망막 허혈의 면적 사이의 관계를 나타내는 박스 및 휘스커 플롯이다. 허혈 진행의 면적은 밴드 패턴 화상 면적에 고도로 의존하였다.
도 3D는 밴드 패턴의 밀도와 총 손상된 망막의 척도로서의 망막의 레이저 치료된 및 최종 허혈 면적의 합계 사이의 관계를 나타내는 박스 및 휘스커 플롯이다.
도 4A는 80 마이크로미터의 도트를 갖는 모델링된 광응고 도트 패턴을 도시한다.
도 4B는 60 마이크로미터의 도트를 갖는 모델링된 광응고 도트 패턴을 도시한다.
도 4C는 300 마이크로미터 길이, 60 마이크로미터 폭의 밴드, 및 밀도 N=4를 갖는 밴드 패턴을 사용한 모델링 시뮬레이션에서의 허혈 진행을 도시한다.
도 4D는 100 마이크로미터 길이, 100 마이크로미터 폭의 밴드, 및 밀도 N=4를 갖는 밴드 패턴을 사용한 모델링 시뮬레이션에서의 허혈 진행을 도시한다.
도 5A는 광응고된 망막의 면적 (화상 면적)과 허혈의 면적 사이의 관계를 나타내는 박스 및 휘스커 플롯이다. 허혈 진행의 면적은 도트의 크기에 의존하였다.
도 5B는 개별 도트 (밀도 N=4)의 크기와 망막의 치료된 및 최종 허혈 면적의 합계 사이의 관계를 나타내는 박스 및 휘스커 플롯이며, 이러한 밀도의 스팟의 경우 크기가 허혈 진행에 대해 거의 효과를 갖지 않음을 나타낸다.
도 5C는 광응고된 망막의 면적 (화상 면적)과 허혈의 면적 사이의 관계를 나타내는 박스 및 휘스커 플롯이다. 화상 면적은 밴드의 폭에 의존하였다 (길이는 일정하게 유지됨). 동맥과 정맥 사이의 중앙에 배치된 이들 화상의 경우, 폭에 상관없이 허혈 진행이 거의 존재하지 않았다.
도 5D는 개별 밴드 (밀도 N=4; 길이는 일정하게 유지됨)의 폭과 망막의 치료된 및 최종 허혈 면적의 합계 사이의 관계를 나타내는 박스 및 휘스커 플롯이며, 중앙에 배치된 경우 화상의 크기가 관련 없음을 나타낸다.
도 5E는 광응고된 망막의 면적 (일정한 폭의 증가된 길이로 증가하는 화상 면적)과 허혈의 면적 사이의 관계를 나타내는 박스 및 휘스커 플롯이다. 허혈 진행은 동맥과 정맥 사이의 중앙에 배치된 이들 화상에 대해 각각의 길이에서 거의 없다.
도 5F는 개별 밴드 (밀도 N=4; 폭은 일정하게 유지됨)의 길이와 망막의 치료된 및 최종 허혈 면적의 합계 사이의 관계를 나타내는 박스 및 휘스커 플롯이다. 각각의 화상 길이가 허혈 진행을 예방하므로, 전체 망막 손상은 각각의 더 긴 밴드 길이에서 증가된다.
도 6은 밴드 화상 패턴에 의해 생성되고 각각의 개별 화상을 산소 공급원으로서 취급하는 망막 산소 프로파일에서의 예측된 변경의 표현이다. 화상의 결과는 망막 허혈/저산소증을 제거하여 인자 예컨대 VEGF의 국부 증가를 제거하는 것이다.
도 7은 본원에 기재된 한 실시양태에 따른 망막 화상 패턴의 컴퓨터-렌더링된 표현이다.
도 8은 황반 모세혈관 폐쇄, 허혈 및 과량의 VEGF 발현의 예시적인 모델 시뮬레이션을 도시한다. 물질 및 방법에 기재된 모델은 모든 시뮬레이션에 대한 기초로서 사용되었다.
도 9는 컴퓨터 시뮬레이션에서 모세혈관 폐쇄의 진행의 존재를 나타내는 관류-산소화 상 다이어그램을 도시한다.
도 10A는 30회의 반복 컴퓨터 시뮬레이션에 걸쳐 주위 모세혈관 폐쇄의 빈도를 나타내는 모델링된 위험 맵을 도시하며, 여기서 파선에 의해 표시된 모세혈관 분절은 시간 0에서 폐쇄된다.
도 10B는 45회의 반복 컴퓨터 시뮬레이션에 걸쳐 주위 모세혈관 폐쇄의 빈도를 나타내는 모델링된 위험 맵을 도시하며, 여기서 파선에 의해 표시된 모세혈관 분절은 시간 0에서 폐쇄된다.
도 11A-11B는 광응고 화상의 위험 맵-가이드 (도 11A) 또는 균일한 그리드 패턴 (도 11B)을 사용한 모델 치료 결과를 도시한다. 화상 패턴 (상단 행), 산소 맵 (중간 행), 및 화상 치료 후의 반복 시뮬레이션으로부터의 위험 맵 (하단 행)이 도시된다.
도 12는 적응 광학 스캐닝 레이저 안과학 (AOSLO) 이미지로부터의 인간 중심와주위 모세혈관망의 예시적인 모델 추상 및 구축을 도시한다. 이 ASOLO 이미지에서 FAZ의 직경은 대략 500 마이크로미터이다. 축척 막대는 100 마이크로미터이다.
도 13은 산소 및 VEGF 플럭스의 개략도를 도시한다. 채색된 블록은 모델 대상을 나타낸다: 모세혈관 블록 (CAP, 적색), 유체 부분 (FP, 청색), 뮐러 세포 (MC, 녹색) 및 다른 망막 세포 (OT, 갈색). 화살표, 삼각형 및 정사각형 형태의 마커는 모델링된 플럭스를 나타내는 데 사용된다.
도 14는 산소 이류의 컨베이어-벨트 모델의 개략도를 도시한다. 개략도는 5개의 분절 및 2개의 접합부를 갖는 작은 모세혈관망을 보여준다. 빈 삼각형 헤드를 갖는 화살표로 표시된 혈류 방향을 따라, 제1 접합부는 합류하는 혈류를, 제2 접합부는 갈라지는 혈류를 갖는다. 적색의 블록은 모세혈관 분절의 CAP, 빌딩 블록 또는 구조적 요소 (모델 구성에서 시각적으로 존재함)이다. 황색의 블록은 CB이며, 이류를 위한 기능적 요소이다.
도 15는 이류 및 확산의 순차적 시뮬레이션의 절차의 예의 개략도를 도시한다.
도 16은 물질 및 방법 섹션에 기재된 모델의 작업흐름을 도시한다.
도 17A는 모델링된 사례 1에 대한 모세혈관망을 도시한다.
도 17B는 모델링된 사례 1에 대한 유속 맵을 도시한다.
도 17C는 모델링된 사례 1에 대한 산소 분압 맵을 도시한다.
도 17D는 모델링된 사례 1에 대한 VEGF 농도 맵을 도시한다.
도 18A-18D는 제0주 (도 18A), 제72주 (도 18B), 제124주 (도 18C), 및 제152주 (도 18D)에, 모델링된 사례 1에 대한 초기 모세혈관 폐쇄 후의 유속 패턴을 도시한다.
도 19A-19D는 제0주 (도 19A), 제72주 (도 19B), 제124주 (도 19C), 및 제152주 (도 19D)에, 모델링된 사례 1에 대한 초기 모세혈관 폐쇄 후의 산소 분압 패턴을 도시한다.
도 20A-20D는 제0주 (도 20A), 제72주 (도 20B), 제124주 (도 20C), 및 제152주 (도 20D)에, 모델링된 사례 1에 대한 초기 모세혈관 폐쇄 후의 VEGF 수준 패턴을 도시한다.
도 21A-21D는 제0.5년 (도 21A), 제1년 (도 21B), 제2년 (도 21C), 및 제3년 (도 21D)의 종료 시에, 모델링된 사례 1에 대한 시간 경과에 따른 망막 두께를 도시한다.
도 22A는 모델링된 사례 1에 대한 시간 경과에 따른 평균 산소 분압을 도시한다.
도 22B는 모델링된 사례 1에 대한 시간 경과에 따른 저산소성 뮐러 세포 분획의 성장을 도시한다.
도 22C는 모델링된 사례 1에 대한 시간 경과에 따른 총 부피 유입량을 도시한다.
도 22D는 모델링된 사례 1에 대한 시간 경과에 따른 평균 최소 세포-혈관 거리를 도시한다.
도 23은 모델링된 사례 1에 대한 시간 경과에 따른 세포 산소 분포를 도시한다.
도 24A-24B는 모델링된 사례 1에 대한 362회 시뮬레이션의 유동-산소 상 다이어그램을 도시한다.
도 25A는 모델링된 사례 1 초기 폐쇄 부위에 대한 황반 모세혈관망의 개존성 맵을 도시한다. 색상은 초기 폐쇄로부터 3년의 시뮬레이션 시간 후에 개존되는 모세혈관 분절의 빈도를 나타낸다. 보다 따뜻한 색상은 폐쇄에 대한 더 낮은 취약성, 또는 더 높은 모세혈관 개존성에 상응한다.
도 25B는 모델링된 사례 2 초기 폐쇄 부위에 대한 황반 모세혈관망의 개존성 맵을 도시한다. 색상은 초기 폐쇄로부터 3년의 시뮬레이션 시간 후에 개존되는 모세혈관 분절의 빈도를 나타낸다. 보다 따뜻한 색상은 폐쇄에 대한 더 낮은 취약성, 또는 더 높은 모세혈관 개존성에 상응한다.
도 26은 사례 1 및 사례 2 시뮬레이션에 대한 경계 조건을 도시한다. 이미지는 모든 경계 결절에서의 혈압 및 산소 분압의 값을 나타낸다.
도 27은 사례 1 시뮬레이션에서의 모세혈관망 개존성 지수 및 망막 두께 변화에 대한 파라미터 영향을 도시한다. 4개의 광범위하게 변화하는 값 (도면 아래에 수평으로 열거됨)에서 한 번에 하나씩 6개의 파라미터 (도면 측면에 수직으로 열거됨)의 변형이 반복 시뮬레이션 상에서 실행된다. 각각의 채색된 블록은 사례 1에서와 같은 참조 파라미터 세트로부터의 특정 파라미터의 특정-값 변동을 갖는 28회의 시뮬레이션의 평균 결과를 나타낸다. 본 문서에서의 모델링에 사용되는 사례 1 파라미터 세트는 도면에서 "x 1"로 표시된다.
망막 혈관 질환의 치료 및 예방을 위한 패턴화된 광응고
특정 측면은 당뇨병성 망막병증 또는 다른 망막 혈관 질환에서의 망막 허혈의 기존 또는 잠재적 면적의 확산을 예방할 수 있는 충분히 근접한 간격으로 배치된 망막 광응고 화상의 생성을 수반한다. 특정 실시양태에서, 허혈성 또는 비-허혈성 망막에 대한 매우 작은 화상의 그리드는 레이저에 의해 생성될 수 있다. 작은 화상의 그리드는 기존 망막 허혈을 치료하고/거나 모세혈관 폐쇄의 전파를 예방하는 데 사용될 수 있다. 어떠한 특정한 이론에 의해 제한되는 것을 원하지는 않지만, 기존 망막 허혈의 치료 또는 모세혈관 폐쇄의 전파의 예방은 화상생성된 망막의 개선된 산소화의 결과이며, 그에 의해 그 자체로 모세혈관 폐쇄의 전파를 유도하도록 작용할 수 있는 VEGF의 허혈-유도된 상승을 예방할 수 있다.
용어 "광응고", "광응고 화상" 및 "화상"은 일부 형태의 광수용체 망막 층의 파괴를 지칭한다. 광응고는 다양한 레이저를 사용하여 달성될 수 있고, 상층 망막 조직 또는 심층 맥락막 혈관 조직의 최소 파괴를 동반한 망막 광수용체의 파괴가 산소 소비자로서의 이들을 제거하도록 할 수 있다. 이어서, 이러한 동일한 면적은 기저 맥락막으로부터의 산소의 확산을 가능하게 하며, 이는 이어서 망막에 대해 산소 공급원으로서 작용한다.
광응고를 달성하기 위해, 단기간 내의 저전력 레이저 전달이 광수용체 층 및/또는 망막 색소 상피를 포함하는 심층 망막 층에서 흡수되는 에너지의 보다 표재성의 상층 망막 조직으로의 확산을 최소화하도록 수행될 수 있다. 상층 망막 조직은 중간 망막 뉴런, 망막 신경절 세포, 신경교, 신경 섬유 층 및 망막 혈관계를 함유한다. 시야 결손은 상층 망막 조직에 대한 손상을 보존하거나 또는 적어도 최소화함으로써 회피 또는 최소화될 수 있다. 고도의 산소 소비성 광수용체 층의 파괴는 맥락막 혈관계로부터의 산소의 확산을 통해 상층 망막 층 및 인접한 망막 조직의 산소화를 개선시킨다. 이러한 개선된 산소화는 상층 망막 조직에서의 저산소증의 발생을 예방하거나 또는 기존 망막 저산소증을 역전시킬 수 있다. 허혈성 망막 조직은 여러 메카니즘에 의해 안구 조직의 기능에 대한 유해 결과를 가질 수 있는, VEGF를 포함한 다양한 인자를 생산할 수 있다. 국부적으로 상승된 VEGF는 모세혈관 닫힘뿐만 아니라 망막 부종을 일으키는 혈관 누출을 촉발할 수 있다. 상승된 VEGF 수준은 또한 가장 심각한 안구 당뇨병성 합병증인 망막 및 홍채 신생혈관화의 발생에 필수적이다.
개별 광응고 화상은 산소화의 영역을 생성한다. 광응고 화상은 가벼운, 최소한으로 파괴적인, 또는 역치 아래의 화상을 생성하기 위해 레이저에 의해 생성될 수 있다. 화상의 폭은 광응고된 면적의 폭에 의해 결정될 수 있다. 레이저 화상은 원형일 수 있거나 ("도트"), 또는 선형 또는 대략 선형일 수 있고, 일부 실시양태에서, 복수의 중첩 원형 화상을 통해 연속 화상으로서 형성될 수 있다. 선형 또는 대략 선형 화상은 확장된 화상이거나 ("라인"), 또는 비교적 짧을 수 있다 ("밴드"). 복수의 중첩 원형 화상이 연속 선형 또는 대략 선형 화상 (예를 들어, 밴드)을 형성하는 경우에, 생성된 선형 또는 대략 선형 화상은 "개별" 화상으로 지칭된다. 즉, "개별"은 복수의 중첩 원형 화상의 원형 화상 각각을 지칭하는 것이 아니라, 생성된 밴드를 지칭하는 것이다. 밀접하게 이격된, 그러나 반드시 연속적은 아닌 중첩 개별 광응고 화상이 2개의 개별 화상 사이에 개재 망막이 산소화되기에 충분히 작은 갭을 가질 수 있다는 점에 유의한다. 용어 '그리드'는 개재 망막이 망막 저산소증에 의해 생산되는 VEGF 및 다른 인자의 상승된 합성의 유도를 예방하고, 허혈의 진행을 예방하는 수준으로 산소화되기에 충분히 작은 거리의 화상 사이의 거리를 갖는, 2 차원에서 상당히 규칙적으로 이격된 개별 광응고 화상을 지칭한다.
특정 경우에, 광응고 화상은 허혈성 망막에서 국부 VEGF 또는 다른 허혈유발 인자 생산에 의해 유발되는 진행성 모세혈관 닫힘의 확산을 차단하는 산소화된 망막의 장벽으로서 작용하도록 생성된다. 일부 실시양태에서, 광응고 화상은 허혈성 망막의 기존 패치의 경계에서 생성되거나, 또는 비-허혈성 망막의 면적을 더 작은 면적으로 분할하는 작용을 한다. 다른 실시양태에서, 광응고 화상의 그리드는 무손상 모세혈관을 갖는 망막 면적 상에서 생성될 수 있으며, 여기서 그리드는 모세혈관 닫힘의 전파를 예방할 수 있다. 특정 실시양태에서, 광응고 화상은 주변 망막에서 생성될 수 있다. 주변 사용에서, 화상은 주변 망막 기능을 보존하고, 주변 허혈의 발생을 경감시킴으로써 안구 유리체 VEGF 수준을 낮추고, 일부 경우에 황반 부종을 감소시키거나 예방할 수 있다. 이는 비-국부 모세혈관 폐쇄의 진행을 감소시킬 수 있다. 다른 실시양태에서, 광응고 화상은 눈의 후극에서 생성되어, 진행성 모세혈관 닫힘을 예방할 수 있다.
일부 실시양태에서, 그리드를 포함한 광응고 화상을 생성하는 절차는 자동화될 수 있다. 수동 그리드 패턴을 포함한 충분히 밀접하게 이격된 화상을 갖는 광응고 화상 패턴을 생성하는 것이 가능할 것이지만, 이는 시간 집약적일 것이다. 절차는 컴퓨터 영상화/레이저 전달 시스템을 통해 자동화될 수 있다. 특정 실시양태에서, 컴퓨터 영상화/레이저 전달 시스템은 안저 이미지에 등록된 다음 컴퓨터 보조되나 의사-가이드된 방식으로 적용될 수 있다. 현재, 범망막 광응고는 시신경 원판의 신생혈관화 또는 다른 곳의 신생혈관화가 발견되는 경우에 수행된다. 화상은 비-허혈성 망막의 최소 파괴를 보장하기 위해 허혈성 및 비-허혈성 망막의 모든 면적을 확인하는 광시야 혈관조영상의 도움을 받아 배치되기 보다는, 망막의 주어진 영역이 허혈성인지 아닌지에 따라 일반적으로 플루오레세인 혈관조영 영상화 안내 없이 큰 망막 혈관들 사이의 망막 내에 배치된다. 본 개시내용의 실시양태는 망막 상에 장벽 또는 그리드 방식으로 가볍거나, 최소한으로 파괴적이거나, 또는 역치 아래의 화상을 배치한다. 일부 실시양태에서, 화상은 개존성 모세혈관을 갖는 망막에서만 생성될 수 있다. 그러나, 특정 실시양태에서, 본 개시내용의 화상이 허혈성 망막에 대해 치료적일 것이고 장벽 및/또는 그리드의 생성이 혈관조영상과 상관없이 수행되었을지라도 여전히 혈관화된 망막에서의 허혈/저산소증의 진행을 예방하는 것인 기술의 목표를 달성할 것이기 때문에, 혈관조영이 요구되지 않을 수 있다.
본 개시내용에 기재된 실시양태는 진행성 허혈성 망막 혈관 질환의 치료 방법을 제공한다. 일부 실시양태에서, 방법은 산소화된 망막 장벽을 생성하는 광응고 화상의 경계에 의해 허혈성 망막 조직의 면적으로부터 비-허혈성 망막 조직의 면적을 분할하는 것을 포함한다. 다른 실시양태에서, 분할은 선형 광응고 화상 패턴을 통해 비-허혈성 망막 내의 세분화의 생성에 의해 발생하며, 그에 의해 산소화된 망막 장벽을 생성한다. 다른 실시양태에서, 방법은 비-허혈성 망막 조직, 허혈성 망막 조직, 또는 비-허혈성 및 허혈성 망막 조직 둘 다의 면적 상에 광응고 화상의 그리드를 생성하는 것을 포함한다 (예를 들어, 도 7 참조). 특정 실시양태는 허혈성 망막 혈관 질환을 치료하는 방법을 제공하며, 여기서 방법은 망막의 혈관조영상을 수행하는 것을 포함할 수 있다. 혈관조영상은 혈관화된 및 허혈성 망막 조직을 확인하는 데 도움이 될 수 있고, 화상의 기재된 광응고 화상 또는 화상 패턴 (예를 들어, 그리드)의 배치에 도움이 될 수 있다. 혈관조영상은 광시야 혈관조영상일 수 있다.
특정 실시양태에서, 방법은 화상 패턴, 예컨대 그리드를 생성함으로써 예방적 방식으로 적용될 수 있다. 밀접하게 이격된 광응고 화상 패턴은 질환의 과정 중 초기에 허혈의 전파를 예방함으로써, 당뇨병의 망막 합병증 또는 다른 허혈성 혈관 질환 중 대부분을 예방할 수 있다. 본 발명의 방법에 비해, 기존 범-망막 광응고 (PRP) 방법은 고도로 산소를 소비하는 광수용체의 국부 파괴를 통해 산소 소비를 낮춤으로써 상층 및 바로 인접한 망막의 산소화를 증가시키는 것을 목표로 큰 스팟 크기 레이저를 이용하여 허혈성 망막의 큰 면적을 치료한다. 표준 PRP 절차는 치료된 망막의 허혈 또는 비-허혈에 상관없이 큰, 원형의, 무작위하게 산란된 주변 망막 화상 또는 큰, 원형 화상의 직선 그리드 패턴을 생성한다. PRP는 주변 망막의 대략 표준 총량의 파괴의 순 효과를 달성하는 것을 목표로 수행된다. 표준 PRP 절차는 통상적으로 2회의 치료 세션에 걸쳐 주변 망막으로 전달되는, 250-500 마이크로미터 크기의 1200-1600개 스팟의 생성을 수반한다. 표준 PRP의 결점은 큰 화상의 표준 간격 때문에, 치료에 의해 생성되는 산소 공급원이 개재 망막으로부터 너무 멀어서 그의 기존 또는 잠재적 저산소증을 완화시킬 수 없고, 따라서 여전히 비-허혈성인 망막의 면적에서의 진행성 모세혈관 폐쇄를 예방할 수 없다는 것이다. 보다 최근에, 일반적으로 원형 화상의 직사각형 그리드 패턴을 사용하는 멀티스팟 패턴화된 스캐닝 레이저 (PASCAL)의 사용에 의해 변형이 도입되었다. 광시야 혈관조영이 사용되는 경우를 일부 제외하고, 전통적 PRP 및 PASCAL은 전체 주변 망막에 화상을 생성하며, 즉, 망막 면적은 면적이 허혈성인지에 상관없이 치료된다. 전통적 PRP 및 PASCAL 둘 다는 큰 화상이 광수용체를 손상시키고 시야 상실을 유발하면서, 그렇지 않은 경우 건강한 망막 조직의 큰 면적의 파괴를 일으킨다. 이에 비해, 본 발명의 방법은 망막에 대한 최소 손상을 유발할 수 있고, 허혈성 망막 혈관 질환, 예컨대 제한된 시야 결손을 동반하거나 또는 시야 결손을 동반하지 않는 당뇨병성 신생혈관화를 치료 및/또는 예방하는 데 사용될 수 있다. 특정 실시양태에서, 본 발명의 방법은 이미 허혈성이 아닌 이들 면적에서의 모세혈관의 진행성 상실을 예방할 수 있고, 당뇨병성 망막병증의 시각 합병증을 예방할 수 있다. 일부 실시양태에서, 제공된 방법은 1회의 오피스 방문으로 완료될 수 있다.
본 발명의 광응고 화상, 패턴 및 방법은 허혈성 망막병증의 확산의 수학적 모델에 기초한다 (예를 들어, 실시예 1-5 및 물질 및 방법 참조). 모델은 물질 및 방법 섹션, 및 모든 목적을 위해 그 전문이 본원에 참조로 포함된 문헌 [Fu et al., PLoS Comput Biol (2016) June 14;12(6):e1004932]에 기재된다. 모델에 따르면, 모세혈관 상실의 국부 면적은 상승된 국부 인자 예컨대 VEGF에 부차적인 진행성 모세혈관 닫힘에 의존성인 메카니즘을 통해 확산된다. 이러한 확산 현상은 모세혈관 상실의 광범위한 면적을 생성하며, 즉, 허혈성 망막의 광범위한 인접 면적은 일반적으로 더 큰 무손상 망막 혈관들 사이에 국재화되고 그에 의해 결합된다. 어떠한 특정한 이론에 의해 제한되는 것을 원하지는 않지만, 망막 혈관이 허혈의 확산에 대한 장벽으로서 작용하는 것으로 생각되는데, 이는 국부 모세혈관이 폐쇄된 경우에도 혈관 주위의 망막이 잘 산소화되어 있어 국부 VEGF 생산이 없기 때문이다. 특정 방법은 작은 밀접하게 이격된 화상의 그리드를 통해, 무작위한 모세혈관 닫힘이 발생할지라도 산소화되어 있는 (즉, 저산소성이 아닌) 망막의 면적을 생성한다. 따라서 모세혈관 닫힘의 전파 및 그에 따른 저산소증이 억제된다. 다른 실시양태에서, 광응고 라인은 산소화된 망막 장벽으로서 작용하여 망막 조직을 보다 낮은 허혈성/저산소성 전파 위험을 갖는 보다 작은 면적으로 분할하고/거나, 허혈 면적 상에 경계를 생성하여 허혈의 비-허혈성 망막으로의 확산을 예방하도록 생성된다. 전통적 PRP 화상은 화상들 사이의 거리 때문에 상층이고 화상에 매우 근접한 망막을 제외하고 국부 망막을 산소화하지 않으며, 따라서 여전히 개존성인 모세혈관을 갖는 이들 망막 면적에서의 망막 허혈의 진행을 예방하지 않을 것이다. 추가로, 전통적 PRP는 개별 화상 및 화상의 간격이 모세혈관망의 규모에 비해 둘 다 크기 때문에 개별 모세혈관 닫힘으로 인한 국부 저산소증을 완화시키지 않는다. 전통적인 PRP는 기존 증식성 당뇨병성 망막병증을 치료하도록 설계되었다. 본 발명의 방법 및 광응고 라인을 사용한 허혈성 망막의 동일한 면적의 파괴는 증식성 질환을 치료할 것이나, 비-허혈성 망막에 적용되는 경우에 진행성 모세혈관 드롭 아웃을 늦추거나 예방하는 추가 기능을 가질 것으로 예상된다. 그렇게 함으로써, 주변 시각을 더 잘 보존할 수 있고, 기능적 망막의 보존을 통해 전반적 VEGF 생산을 낮춤으로써 황반 부종에 대한 국부 황반 병인을 갖지 않는 이들 환자에서 황반 부종을 경감시키거나 예방할 수 있다. 당뇨병성 망막병증의 발생 초기에 수행된 이러한 절차는 주로 망막 주변부에서의 진행성 모세혈관 상실을 예방하고 또한 어느 정도까지는 상승된 유리체 VEGF 수준의 결과인 황반 부종의 비율을 낮출 수 있다. 그러나, 본원에 개시된 방법론은 VEGF로 인한 유해 피드백 사이클의 유발 또는 사이클이 특정한 세포 유형에 의해 자극되는 것을 필요로 하지 않는다.
본 발명의 광응고 화상, 화상 패턴, 및 방법은 또한 망막 혈관 질환의 다른 형태를 치료 또는 예방하는 데 사용될 수 있다.
특정 실시양태에서, 광응고 화상은 개재 망막이 망막 저산소증에 의해 생산되는 VEGF 및 다른 인자의 상승된 합성의 유도를 예방하는 수준으로 산소화를 유지할 수 있고 허혈의 진행을 예방할 수 있도록 개별 광응고 화상들 사이에 충분히 밀접한 간격을 갖는 그리드 패턴으로 배열될 수 있다. 이러한 실시양태에서, 개별 화상을 둘러싼 산소화의 면적은 한 쌍의 밴드 사이의 또는 밴드와 세동맥 또는 세정맥 사이의 허혈의 전파를 예방하기 위해, 적어도 1개의 밴드의, 또는 세동맥 또는 세정맥의 산소화의 면적과 중첩되거나, 또는 그에 충분히 근접한다. 특정 실시양태에서, 개별 화상은 각각의 개별 화상의 가장자리가 또 다른 개별 화상의 가장자리, 세동맥 또는 세정맥으로부터 약 140 마이크로미터 미만이도록 이격된다 (예를 들어, 실시예 4 참조). 개별 화상은 임의의 크기일 수 있다. 일부 실시양태에서, 화상 크기는 개별 화상의 가장자리 사이에 약 140 마이크로미터의 간격을 유지하면서 시야 결손을 최소화하도록 선택될 수 있다. 일부 실시양태에서, 그리드 패턴의 광응고 화상은 대략 밴드 형상 또는 원형일 수 있다.
특정 실시양태에서, 광응고 화상은 약 50 마이크로미터 내지 약 300 마이크로미터의 길이 (L) 및 약 20 마이크로미터 내지 약 100 마이크로미터의 폭 (W)을 갖는 대략 밴드 형상일 수 있다. 이러한 범위 내의 길이 및 폭의 임의의 조합을 갖는 밴드가 고려된다. 망막의 총 화상 면적과 목적하는 결과, 즉, 허혈의 치료 또는 예방이 균형을 이루도록 밴드 길이 및 폭의 선택이 이루어질 수 있다. 특정 실시양태에서, 밴드 크기는 진행성 모세혈관 폐쇄 및 허혈을 예방할 수 있는 망막의 최소 총 화상 면적을 제공하도록 선택될 수 있다. 일부 실시양태에서, 밴드는 약 300 마이크로미터의 길이 및 약 100 마이크로미터의 폭을 가질 수 있다. 다른 실시양태에서, 밴드는 약 52 마이크로미터의 길이 및 약 20 마이크로미터의 폭을 가질 수 있다. 일부 실시양태에서, 광응고 화상의 다중 밴드는 2 차원으로 대략 규칙적으로 이격되어 밴드의 그리드 패턴을 형성할 수 있다. 밴드의 그리드 패턴은 한 면적이 허혈성이 되면 인접한 면적이 허혈 전파로부터 보호되는 면적들로 망막을 분할할 수 있다. 그리드의 밴드의 치수 및 간격은 각각의 밴드의 가장자리가 또 다른 밴드의 가장자리, 또는 세동맥 또는 세정맥으로부터 약 140 마이크로미터 미만이도록 선택될 수 있다 (예를 들어, 실시예 4 참조). 그리드의 밴드의 치수 및 간격은 시야 결손을 최소화하도록 추가로 선택될 수 있다. 일부 실시양태에서, 밴드의 그리드는 망막 혈관계 (예를 들어, 세동맥 및 세정맥)를 고려하지 않고 망막 조직 상에 생성될 수 있다. 다른 실시양태에서, 밴드는 세동맥과 세정맥 사이의 대략 중앙에 배치될 수 있다 (예를 들어, 실시예 4 참조).
다른 실시양태에서, 광응고 화상은 약 20 마이크로미터 내지 약 100 마이크로미터의 직경, 또는 크기 (S)를 갖는 대략 원형 (즉, 도트)일 수 있다. 망막의 총 화상 면적과 목적하는 결과, 즉, 허혈/저산소증의 치료 또는 예방이 균형을 이루도록 도트 크기의 선택이 이루어질 수 있다. 특정 실시양태에서, 도트 크기는 모세혈관 폐쇄 및 허혈의 진행을 예방할 수 있는 망막의 최소 총 화상 면적을 제공하도록 선택될 수 있다. 일부 실시양태에서, 도트는 약 100 마이크로미터의 크기를 갖는다. 다른 실시양태에서, 도트는 약 80 마이크로미터의 크기를 갖는다. 또 다른 실시양태에서, 도트는 약 60 마이크로미터의 크기를 갖는다. 일부 실시양태에서, 복수의 도트는 2 차원으로 대략 규칙적으로 이격되어 도트의 그리드 패턴을 형성한다 (예를 들어, 도 7 참조). 그리드의 도트의 크기 및 간격은 각각의 도트의 가장자리가 또 다른 도트의 가장자리, 또는 세동맥 또는 세정맥으로부터 약 140 마이크로미터 미만이도록 선택될 수 있다 (예를 들어, 실시예 4 참조). 그리드의 밴드의 치수 및 간격은 시야 결손을 최소화하도록 추가로 선택될 수 있다. 일부 실시양태에서, 도트의 그리드는 망막 혈관계 (예를 들어, 세동맥 및 세정맥)를 고려하지 않고 망막 조직 상에 생성될 수 있다. 다른 실시양태에서, 도트는 세동맥 및 세정맥에 대략 인접하여 배치될 수 있다 (예를 들어, 실시예 4 참조). 또 다른 실시양태에서, 도트는 세동맥과 세정맥 사이의 대략 중앙에 배치될 수 있다. 세동맥과 세정맥 사이의 중앙에 배치된 화상 또는 다른 산소화 공급원은 밴드의 말단에서 산소 공급원까지의 거리가 약 140 마이크로미터 미만인 한, 허혈의 전파를 예방한다.
광응고 화상 크기 및 형상에서의 불규칙성은 망막에 광응고 화상을 적용하는 데 이용되는 레이저 시스템에 의해 발생할 수 있음이 인식될 것이다. 이러한 불규칙성은 주변 망막에서 더 현저해질 수 있다. 주변 망막에서, 입사 레이저 빔의 각도는 광응고 절차 동안 의료 전문가에 의해 사용되는 렌즈가 그의 기울기의 한계에 접근함에 따라 더 달라질 수 있다. 보다 많은 부분의 빔이 렌즈의 가장자리를 통해 보내지므로, 구면 수차는 화상 크기 및 형상의 변동에 기여할 수 있다. 예를 들어, 원형 화상은 종종 혜성 형상의 화상이 된다. 그러나, 본 개시내용의 밴드 또는 도트가 충분히 밀접하게 이격되어 유지되는 한 (예를 들어, 약 140 마이크로미터 내의 개별 화상의 가장자리들), 형상 및 크기에서의 이러한 불규칙성은 무시할 만한 효과를 가질 것이다. 추가로, 기재된 광응고 화상, 화상 패턴, 및 방법은 화상 크기 및 형상에서의 불규칙성을 최소화할 수 있는 레이저 시스템에 적용될 수 있다.
특정 실시양태에서, 광응고 화상은 개재 망막이 산소화되기에 충분히 작은 2개의 화상 사이에 갭을 갖는 대략 연속적인 선형 화상을 생성하는 1개 이상의 선형 화상 또는 화상의 시리즈일 수 있다. 일부 실시양태에서, 선형 화상 또는 화상의 시리즈는 비-허혈성 망막 조직으로부터 허혈성 망막 조직의 면적을 분할하도록 배치될 수 있다. 선형 화상 또는 화상의 시리즈는 예를 들어 허혈성 망막 조직의 면적을 둘러싸도록 배치될 수 있다. 이러한 구성에서, 선형 화상 또는 화상의 시리즈는 허혈성 망막 조직에서 비-허혈성 조직까지의 화상을 가로질러 허혈의 진행을 예방할 수 있다. 화상 라인의 폭은 여전히 허혈의 진행을 예방하면서 조직 손상을 최소화하도록 선택될 수 있다. 특정 실시양태에서, 선형 화상 또는 화상의 시리즈의 폭은 약 20 마이크로미터 내지 약 100 마이크로미터일 수 있다. 다른 실시양태에서, 선형 화상 또는 화상의 시리즈의 폭은 선형 화상 또는 화상의 시리즈를 가로질러 허혈의 진행을 예방하기에 충분한 산소화를 제공하기에 충분히 넓도록 선택될 수 있다.
다른 실시양태에서, 광응고 화상은 개재 망막이 산소화되기에 충분히 작은 2개의 화상 사이에 갭을 갖는 대략 연속적인 선형 화상을 생성하는 1개 이상의 선형 화상 또는 화상의 시리즈일 수 있으며, 여기서 선형 화상 또는 화상의 시리즈는 교차하여 연속 웹 패턴을 형성한다. 이러한 웹 패턴은 그리드가 2 차원으로 상당히 규칙적인 간격을 갖는 수많은 밴드 또는 도트를 포함한다는 점에서, 화상 밴드 또는 도트로 구성된 그리드와 다르다. 연속 웹 패턴에 있어서, 선형 화상 또는 화상의 시리즈는 연속 웹 패턴을 생성하기 위해 대략 직각으로 교차한다. 연속 웹 패턴은 비-허혈성 망막의 면적 내에서 망막 질환 과정으로부터 발생하는 허혈의 진행을 예방하기 위해 비-허혈성 망막 조직에 걸쳐 배치될 수 있다. 특정 실시양태에서, 연속 웹은 허혈성 망막 조직의 면적을 넘어서 인접한 비-허혈성 조직으로 확장한다. 연속 웹이 인접한 비-허혈성 조직으로 확장하는 거리는 허혈의 비-허혈성 조직으로의 진행을 최소화하거나 예방하도록 선택될 수 있다. 이 거리는 연속 웹의 화상에 의해 유발되는 비-허혈성 조직에 대한 손상을 최소화하거나 제한할 필요와 균형을 이룰 수 있다. 레이저 화상 라인 사이의 간격 및 화상 라인의 폭은 여전히 허혈의 진행을 예방하면서 조직 손상을 최소화하도록 선택될 수 있다. 특정 실시양태에서, 선형 화상 또는 화상의 시리즈의 폭은 약 20 마이크로미터 내지 약 100 마이크로미터일 수 있다. 다른 실시양태에서, 선형 화상 또는 화상의 시리즈의 폭은 선형 화상 또는 화상의 시리즈를 가로질러 허혈의 진행을 예방하기에 충분한 산소화를 제공하기에 충분히 넓도록 선택될 수 있다.
황반 부종의 치료 및 예방을 위한 표적화된 광응고
특정 측면은 진행성 망막 질환 및/또는 황반 부종을 치료 또는 예방하기 위해 황반에 광응고 화상을 적용하는 방법을 제공한다. 방법은 황반 모세혈관 폐쇄의 진행을 예방하기 위한 특정한 부위에서 황반 내에 작은 레이저 광응고 화상을 정확하게 배치하는 것을 포함한다. 당뇨병성 황반에서의 모세혈관 상실의 진행은 모델링될 수 있고, 일부 경우에, 모델은 다른 근처 모세혈관의 진행성 폐쇄를 유발할 수 있는 특정 모세혈관 폐쇄를 확인하는 데 사용될 수 있다. 일부 실시양태에서, 컴퓨터 모델링은 근처 모세혈관의 폐쇄를 촉진함으로써 허혈의 진행을 유발할 가능성이 있는 이들 모세혈관 분절의 위험 맵을 생성하는 데 사용될 수 있다. 다른 실시양태에서, 모델은 황반 상의 지점, 예컨대 모세혈관 분절에서 다음으로 가장 가까운 (그러나 가장 가깝지는 않은) 모세혈관까지의 거리를 결정하는 데 사용될 수 있다. 이 거리는 황반의 면적이 허혈 진행에 가장 취약한 초기 필터로서의 기능을 하는 추가의 모델링으로부터 이익을 얻을 수 있고 모델링에 의해 명확하게 확인될 수 있는 황반의 이들 면적을 확인하는 데 사용될 수 있다. 모세혈관의 폐쇄로, 주위 망막 조직은 저산소성이 되고, VEGF 및 다른 인자의 생성의 증가를 일으켜 과량의 국부 수준으로 이어질 수 있다. 이는 VEGF의 국부 생성에 더하여 진행성 황반 허혈/저산소증을 일으켜, 주위 모세혈관으로부터의 누출 및 황반 부종의 발생을 일으킬 수 있다. 허혈의 진행을 유발할 가능성이 있는 이들 모세혈관 분절을 확인함으로써, 단일 화상을 포함한 소수의 광응고 화상은 확인된 모세혈관 분절의 부위에 배치될 수 있다. 이어서, 광응고 화상은 산소 공급원으로서 작용하여, 확인된 모세혈관 분절로부터 폐쇄되는 경우에 허혈의 진행을 예방할 수 있다.
황반 부종은 미국의 근로 연령 인구에서의 중등도 시각 상실의 주요 원인이다. 현재, 당뇨병성 황반 부종을 갖는 환자 중 약 40%가 안구내로 주입된 항-VEGF 작용제를 사용한 치료에 대한 보조요법으로서 레이저 치료를 받는다. 현행 레이저 치료는 종종 주로 예측 모델링의 사용 없이 적용된 레이저 광응고 화상의 그리드 패턴 형태이다. 본원에 기재된 바와 같이, 모델링은 허혈/저산소증의 전파를 유발할 가능성이 있는 이들 모세혈관을 확인하는 데 사용될 수 있다. 일부 실시양태에서, 예측 모델링은 다음으로 가장 가까운 모세혈관까지의 가장 큰 거리를 갖는 이들 모세혈관 또는 모세혈관 분절을 확인하는 데 사용될 수 있으며, 이 거리는 산소가 확산되어 폐쇄된 모세혈관에 의해 공급되는 망막 조직에서의 저산소증을 완화시킬 필요가 있을 거리를 나타낼 수 있다. 폐쇄되는 경우에 중심와 주위의 어느 모세혈관이 가장 허혈의 전파를 촉진할 가능성이 있는지 예측함으로써, 황반의 어느 면적이 진행성 망막 모세혈관 폐쇄 및 황반 부종을 치료 또는 예방하기 위한 황반 레이저 치료로부터 이익을 얻을 것인지 예측하는 것이 가능하다.
어떠한 특정한 이론에 의해 제한되는 것을 원하지는 않지만, 황반 부종의 치료 또는 모세혈관 폐쇄의 전파의 예방은 레이저 치료된 황반 면적의 개선된 산소화의 결과이며, 그에 의해 그 자체로 모세혈관 폐쇄의 전파를 유도하도록 작용할 수 있는 VEGF의 허혈성-유도된 상승을 예방할 수 있다.
본 개시내용의 일부 실시양태는 진행성 망막 질환 및/또는 황반 부종을 치료 또는 예방하기 위해 황반에 광응고 화상을 적용하는 방법을 제공한다. 특정 실시양태에서, 광응고 화상은 허혈성/저산소성이 될 경우에 (예를 들어, 모세혈관 폐쇄로 인함) 허혈의 진행을 촉진할 것으로 예측되는 위치에서 황반에 정확하게 적용될 수 있다. 표적화된 광응고 화상은 황반 허혈/저산소증의 진행을 예방할 수 있다. 황반 허혈/저산소증의 진행을 예방함으로써, 진행성 망막 질환 및/또는 황반 부종이 치료 또는 예방될 수 있다. 이러한 실시양태에서, 환자의 황반의 모세혈관 해부학적 구조는 적응 광학 스캐닝 레이저 검안경검사 (AOSLO), 혈관조영 및 광 간섭 단층촬영-혈관조영 (OCT-A)을 포함하나 이에 제한되지는 않는 통상적인 영상화 기술을 사용하여 결정될 수 있다. 모세혈관 해부학적 구조가 알려지면, 모델은 황반의 면적, 예컨대 모세혈관 분절 근처의 면적이 초기 폐쇄 사건 후에 모세혈관 폐쇄의 전파를 유발할 가능성을 결정하기 위해 적용될 수 있다. 모세혈관이 폐쇄되는 경우에, 모세혈관의 폐쇄는 근처 모세혈관의 폐쇄를 유발할 수 있는 국부 VEGF 수준의 증가를 유발하여, 허혈의 진행 및 저산소성 조직 면적의 증가를 일으킬 수 있다. 허혈의 진행을 촉진할 가능성이 있는 이들 면적 또는 모세혈관 분절을 확인함으로써, 확인된 면적에 작은 광응고 화상을 적용하는 것이 가능할 수 있다. 이들 작은 화상은 허혈 진행을 예방할 수 있는 산소 공급원으로서 작용할 수 있다.
특정 실시양태에서, 대상체의 황반의 모세혈관 해부학적 구조는 모세혈관 폐쇄의 진행을 예측할 수 있는 모델로 혼입될 수 있다. 이어서, 화상은 폐쇄의 위험이 있는 모델에 의해 예측되는 이들 모세혈관 근처의 황반의 면적에 적용될 수 있다. 모세혈관 폐쇄의 진행을 예측할 수 있는 예시적인 모델은 물질 및 방법 섹션, 및 모든 목적을 위해 그 전문이 본원에 참조로 포함된 문헌 [Fu et al., PLoS Comput Biol (2016) Jun 14;12(6):e1004932]에 제시된 모델이다. 황반을 포함한 상이한 망막 영역에서의 별개의 모세혈관망에 적용되는 모델은 이들 영역에서 임상 관찰과 대등한 결과를 생성하고, 닫힘이 허혈 및 저산소증의 진행을 유발할 가능성이 있는 이들 모세혈관을 확인하는 데 사용될 수 있다.
도 8을 참조하면, 물질 및 방법 섹션 (또한 문헌 [Fu et al., 2016] 참조)에 기재된 모델을 사용한 비치료된 시뮬레이션 실행에서, 산발성의 단리된 모세혈관 폐쇄가 국부 저산소증을 유도하는 것으로 나타난다. 정상 조건 하에, 세포는 정상산소성이고 과량의 VEGF가 생산되지 않는다. 도 8에 나타난 바와 같이, 초기 모세혈관 폐쇄는 근처 세포가 저산소성이 되게 한다. 주로 국지적 혈관 밀도에 의해 결정되는 생성된 저산소성 면적의 크기에 따라, 모세혈관 폐쇄는 인접한 모세혈관에서 폐쇄의 진행을 촉발할 수 있다.
모든 모세혈관 분절이 모세혈관 폐쇄의 진행을 유발하거나 촉진하는 동일한 잠재력을 갖는지 결정하기 위해, 무작위로 선택된 초기 폐쇄 부위를 사용하여 물질 및 방법 섹션에 기재된 바와 같이 모델의 반복 시뮬레이션을 실행하였다. 모세혈관 폐쇄의 확률론적 측면은 모델의 반복된 실행이 모세혈관 상실의 동일한 패턴을 생성할 것은 아니나, 반복의 유사성이 망 구조에 의해 강하게 영향을 받을 것임을 의미한다. 초기 폐쇄 부위가 선택되면, 추가 모세혈관 폐쇄가 존재하는 경우 그 순서는 확률적이었다. 시뮬레이션 결과는 도 9에 도시된 관류-산소화 상 다이어그램에 배열되었다. 암청색에서 암적색의 색상 (도 9의 범례 참조)은 초기 상태 (즉, 무작위한 모세혈관 폐쇄의 도입이 발생한 시간인 제0주)로부터 제156주까지의 시뮬레이션 시간을 나타낸다. 중첩된 암청색 및 암적색 스팟은 진행이 없는 사례를 나타낸다. 하단 좌측 4분면에 위치한 암적색 스팟은 진행을 나타낸다.
시뮬레이션을 다수회 반복함으로써, 위험 맵을 생성할 수 있다. 예시적인 위험 맵은 도 10A에 도시된다. 도 10A의 위험 맵은 파선에 의해 표시된 동일한 초기 폐쇄 부위를 사용한 30회의 반복 시뮬레이션 후에 발생하였다. 도시된 히트 맵은 동일한 초기 폐쇄 부위를 사용한 모든 시뮬레이션 중 시뮬레이션된 3년의 종료 시에 폐쇄되는 개별 모세혈관 분절의 빈도를 나타낸다. 도 10B는 상이한 초기에 폐쇄된 모세혈관 분절에 대한 것이지만, 도 10A와 유사한 위험 맵을 도시한다. 도 10B의 위험 맵은 동일한 초기 폐쇄 부위 (파선에 의해 표시됨)를 사용한 45회의 반복 시뮬레이션으로부터 유래하였다. 시뮬레이션은 도 10A 및 10B에 표시된 모세혈관 분절의 닫힘이 도 9의 관류-산소화 상 다이어그램에 도시된 진행을 나타내는 대부분의 시뮬레이션을 설명하는 것으로 결정하였다.
특정 실시양태에서, 1개 이상의 화상은 확인된 모세혈관 분절 그 자체가 폐쇄되는 경우에 허혈의 진행을 유발할 가능성이 있는 것으로 모델에 의해 확인된 1개 이상의 모세혈관 분절을 따라 또는 그 근처에 배치될 수 있다. 예를 들어, 도 10A 및 10B에 파선으로 표시된 모세혈관 분절은 대부분의 폐쇄 진행을 유발하는 것으로 확인되었다. 모델링 후, 화상은 2개의 확인된 모세혈관 분절을 따라 또는 그 근처에서 황반에 적용될 수 있다 (예를 들어, 도 11A 참조). 11A에 도시된 바와 같이, 50 μm의 직경을 갖는 모델링된 화상은 2개의 확인된 모세혈관 분절 (도 10A-10B의 파선)을 따라 적용되었다. 모델에 따르면, 폐쇄의 위험이 있고 모세혈관 폐쇄의 진행을 유발하는 것으로 예측되는 이들 모세혈관 분절에 대한 작은 표적화된 화상은 허혈의 진행을 효과적으로 예방할 수 있다 (도 11A 참조). 허혈의 진행을 예방하는 이들 화상의 능력은 도 11A의 하단 행에 제시된 위험 맵에 의해 입증된다. 대조적으로, 모델에서 비-표적화된 방식으로 그리드로서 배치된 화상은 이러한 화상 패턴이 그리드가 충분히 조밀한 경우에만 모세혈관 폐쇄의 예방에 효과적임을 나타내었다 (예를 들어, 도 11B 참조). 황반에 불필요한 화상을 생성하는 것은 시각 상실을 증가시킬 수 있다. 황반의 특정한 면적을 표적화하는 것은 황반 내의 허혈 및 저산소증의 진행을 예방할 수 있을 뿐만 아니라, 소수의 화상이 요구됨으로 인해 현행 치료에 비해 시각 상실을 감소시킬 수 있다.
특정 실시양태에서, 황반 모세혈관의 간격 또는 밀도는 존재하는 경우 어느 황반의 면적 또는 특정한 모세혈관 또는 모세혈관 분절이 추가의 모델링으로부터 이익을 얻을 수 있는지 결정하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 황반 또는 황반의 면적 내의 모든 모세혈관 또는 모세혈관 분절이 가장 가까운 모세혈관이 아닌 다음으로 가장 가까운 모세혈관에 대해 약 140 마이크로미터 이하의 간격을 갖는 경우에, 황반 또는 황반의 그 면적은 진행성 폐쇄의 낮은 위험이 있는 것으로 결정될 수 있고, 따라서 황반 또는 황반의 그 면적의 모델링을 생략할 수 있다. 그러나, 황반 또는 황반의 면적의 다음으로 가장 가까운 모세혈관들 사이의 간격이 약 140 마이크로미터 초과인 경우에, 황반 또는 황반의 그 면적의 모델링은 면적이 저산소성이 되거나 또는 모세혈관 분절이 폐쇄되는 경우에 허혈의 진행을 예방하기 위한 1개 이상의 광응고 화상으로부터 이익을 얻을 수 있는 황반의 이들 면적, 예컨대 모세혈관 분절을 확인하는 데 유익할 수 있다. 따라서, 본원에 기재된 일부 실시양태에서, 방법은 황반 내의 다음으로 가장 가까운 모세혈관 또는 모세혈관 분절 사이의 거리를 결정하는 것을 추가로 포함할 수 있다. 황반 또는 황반의 면적 내의 다음으로 가장 가까운 모세혈관 또는 모세혈관 분절 사이의 거리가 약 140 마이크로미터 초과인 것으로 결정된 경우에, 이러한 간격을 갖는 황반 또는 황반의 면적 내의 모세혈관 분절은 이들 모세혈관 또는 모세혈관 분절이 폐쇄되는 경우에 허혈의 진행을 유발할 위험이 있는지 결정하기 위해 본원에 기재된 바와 같이 추가로 모델링될 수 있다.
일부 실시양태에서, 단지 소수의 화상만이 황반 내의 허혈/저산소증의 전파를 예방하는 데 요구될 수 있다. 소수의 화상은 허혈 전파의 높은 가능성을 갖는 것으로 예측되는 이들 면적에 대해 표적화될 수 있다. 다른 실시양태에서, 복수의 화상이 황반에 적용될 수 있다. 복수의 화상이 황반에 적용되는 경우에, 이는 허혈 전파의 높은 가능성을 갖는 것으로 예측되는 황반의 이들 면적에 걸쳐 집중된 소수의 화상을 포함하거나, 또는 역시 허혈 전파의 높은 가능성을 갖는 것으로 예측되는 황반의 이들 면적에 걸쳐 집중되나 또한 이러한 면적을 넘어서 확장하는 다수의 화상을 포함할 수 있다.
특정 실시양태에서, 황반에 적용되는 화상은 약 100 마이크로미터 이하의 직경일 수 있다. 일부 실시양태에서, 황반에 적용되는 화상은 약 50 마이크로미터의 직경일 수 있다. 다른 실시양태에서, 황반에 적용되는 화상은 약 50 마이크로미터 보다 더 작을 수 있다.
특정 실시양태에서, 화상은 레이저 시스템을 사용하여 수동 제어 하에 황반의 선택된 면적에 적용될 수 있다. 다른 실시양태에서, 화상은 자동화된 제어 하에 레이저 시스템을 사용하여 황반의 선택된 면적에 적용되고/거나 망막 혈관계에 등록될 수 있다.
특정 실시양태에서, 면적 (예를 들어, 모세혈관 또는 모세혈관 분절, 또는 인접한 조직)은 주어진 모세혈관 또는 모세혈관 분절에 대한 위험 맵이 모델 시뮬레이션 후에 약 0.2 이상의 주위 모세혈관의 폐쇄의 빈도를 나타내는 경우에 선택될 수 있다.
또 다른 측면은 본원에 기재된 방법을 수행하거나 이러한 방법의 완료에 도움이 되는 시스템을 제공한다. 일부 실시양태에서, 시스템은 상기 기재된 방법의 모세혈관 또는 모세혈관 분절의 모델링 및 선택을 구현하는 황반 모세혈관 모델링 컴퓨터 시스템으로 인식될 수 있다. 추가로, 황반 모세혈관 모델링 시스템을 기재함에 있어서, 모세혈관 폐쇄의 진행의 모델링 및 이러한 진행을 유발할 가능성이 있는 모세혈관 또는 모세혈관 분절의 확인을 위한 상기 기재된 1개 이상의 개별 과정은 분리되고, 전체 황반 모세혈관 모델링 컴퓨터 시스템의 서브시스템으로서 제시될 수 있다. 황반 모세혈관 모델링 컴퓨터 시스템의 서브시스템은 전체적으로 또는 부분적으로, 특정한 하드웨어 구현된 시스템, 예컨대 전용 주문형 집적 회로 (ASIC) 또는 필드 프로그램가능한 게이트 어레이 (FPGA) 또는 다른 하드웨어 구현된 시스템에 배정될 수 있다. 1개 이상의 서브시스템은 전체적으로 또는 부분적으로, 특히 소프트웨어 또는 펌웨어 명령어로서 구현된 1개 이상의 서브시스템과 관련하여 컴퓨터 시스템의 작동을 정의하는 소프트웨어 또는 펌웨어 명령어로서 대안적으로 구현될 수 있다. 소프트웨어 또는 펌웨어 명령어는 중앙 처리 유닛, 메모리, 및/또는 컴퓨터 시스템의 다른 시스템이 특히 특정한 1개 이상의 서브시스템 지정된 특색에 따라 작동하도록 할 수 있다. 게다가, 본 발명의 다양한 실시양태는 레이저 치료에 대한 대안적 선택을 추가로 제공하여, 실제로 직면하는 매우 다양한 병변에 대한 최적의 선택을 계산하는 데 유리함을 입증할 수 있다.
특정 실시양태에서, 시스템은 황반 모세혈관 모델링 컴퓨터 시스템 및 1개 이상의 추가의 서브시스템, 예컨대, 예를 들어, 광응고 레이저 시스템 및 영상화 시스템, 예컨대 혈관조영 시스템, AOSLO 시스템, 또는 OCT-A 시스템을 포함할 수 있다. 특정 실시양태에서, 다양한 서브시스템은 본원에 기재된 치료 방법을 달성하기 위해 서로 조정될 수 있다. 예를 들어, 영상화 시스템은 대상체의 황반을 영상화하고 그의 모세혈관 해부학적 구조를 결정하고, 모세혈관 해부학적 구조의 이미지를 황반 모세혈관 모델링 컴퓨터 시스템으로 전송하도록 구성될 수 있다. 황반 모세혈관 모델링 시스템은 허혈의 진행을 유발하거나 촉진할 가능성이 있는 이들 모세혈관 또는 모세혈관 분절을 확인 및 선택하고, 확인 및 선택된 모세혈관 또는 모세혈관 분절의 맵을 광응고 레이저 시스템에 제공하도록 구성될 수 있다. 이어서, 광응고 레이저 시스템은 의료 전문가의 입력에 의해 가이드된 방식으로, 또는 자동적으로, 확인 및 선택된 면적에 광응고 화상을 적용할 수 있다.
일부 실시양태에서, 시스템은 프로세서 및 메모리로 구현되는 컴퓨터-실행가능 명령어를 갖는 1개 이상의 컴퓨터-판독가능 매체를 포함하는 프로세서 및 메모리를 포함할 수 있으며, 여기서 프로세서에 의해 실행되는 경우에, 컴퓨터 실행가능 명령어는 프로세서가 허혈의 진행을 유발하는 것으로 예측되는 황반의 1개 이상의 면적에서의 또는 그 근처에서의 모세혈관 또는 모세혈관 분절의 폐쇄 후에 상기 1개 이상의 면적을 확인하도록 한다. 특정 실시양태에서, 프로세서는 대상체의 황반 모세혈관망의 입력을 수신하도록 구성될 수 있다. 허혈의 진행을 유발하는 것으로 예측되는 황반의 1개 이상의 면적에서의 또는 그 근처에서의 모세혈관 또는 모세혈관 분절의 폐쇄 후에 상기 1개 이상의 면적의 확인은 물질 및 방법 섹션에 기재된 바와 같은, 대상체의 황반 모세혈관 해부학적 구조를 모델링하는 것을 포함할 수 있다. 이어서, 각각의 모세혈관 또는 모세혈관 분절에 대한 위험 맵이 생성될 수 있고, 폐쇄되는 경우 허혈의 진행을 유발하는 것으로 각각의 모세혈관 또는 모세혈관 분절에 대한 위험 맵에 의해 예측되는 1개 이상의 모세혈관 또는 모세혈관 분절이 선택될 수 있다. 1개 이상의 모세혈관 또는 모세혈관 분절은 특정한 모세혈관 또는 모세혈관 분절에 대한 위험 맵이 모델 시뮬레이션 후에 약 0.2 이상의 주위 모세혈관의 폐쇄의 빈도를 나타내는 경우에 선택될 수 있다.
실시예
본원에 기재된 물질, 방법, 및 실시양태는 하기 실시예에서 추가로 규정된다. 특정 실시양태가 본원의 실시예에서 규정된다. 이들 실시예는 특정 실시양태를 나타내지만, 단지 예시로서 주어지는 것으로 이해되어야 한다. 본원의 개시내용 및 이들 실시예로부터, 관련 기술분야의 통상의 기술자는 본 발명의 본질적인 특징을 확인할 수 있고, 본 발명의 취지 및 범주를 벗어나지 않으면서, 본 발명을 다양한 용법 및 조건에 적합하게 하기 위해 다양하게 변화 및 변형시킬 수 있다.
실시예 1 - 진행성 당뇨병성 모세혈관 폐쇄의 예방을 위한 주변 광응고의 컴퓨터 모델
예시적인 실시양태에서, 당뇨병성 망막병증에서의 망막 허혈 전파의 컴퓨터 모델을 개발하였다. 모델을 사용하여 다양한 패턴의 주변 망막 광응고의 결과를 분석하였다. 모델은 망막 허혈을 유해 국부 피드백 현상으로서 다루며, 여기서 모세혈관이 폐쇄되면 인접 모세혈관의 폐쇄 확률이 상승하여 망막 허혈의 면적의 확대를 발생시킨다. 모델에서, 망막 허혈의 면적은 전파되는 경향이 있고, 시간의 경과에 따라 크기가 증가하며, 보다 큰 망막 혈관을 둘러싼 산소화된 면적에 의해 제한되는데, 이는 망막 산소화가 유해 국부 피드백 과정을 방해하기 때문이다. 국부 산소 공급원으로서 망막 화상을 상이한 화상의 크기 및 패턴으로서 모델링하는 것은 망막 허혈의 전파에 상이한 효과를 가졌다. 모델은 표준 PRP 및 PASCAL에서 이용된 것과 매우 상이한, 화상의 상이한 패턴 및 크기를 시험하는 것을 가능하게 하였다. 망막 화상 패턴은 허혈성 망막 면적과 합해진 광응고된 망막의 면적에 대해 최적화되었다. 망막 화상의 특정 패턴은, 모델 내에서, 허혈이 전파되지 않은 산소화된 경계를 생성함으로써 허혈의 공간적 확산을 예방하는 데 효과적이었다.
산소의 혈관 유동 전달 (산소 이류), 혈관으로부터의 산소 확산 및 조직에 의한 소비, 국부 저산소증의 정도에 의해 생산이 기능상 결정되는 뮐러 세포에 의한 VEGF 생산, VEGF 확산 및 다양한 세포에 의한 소비, 및 국부 VEGF 수준과 논리상 관련되고 혈관 직경 및 유동과 역으로 관련되는 모세혈관의 확률론적 폐쇄에 대한 현실적 가정에 기초하여 컴퓨터 모델을 개발하였다.
도 1을 참조하면, 도 1A의 좌측 패널은 인 실리코 주변 망막에서의 망막 모세혈관망, 뮐러 세포, 및 다른 망막 세포의 구성의 2D 뷰를 도시한다. 혈관 패턴 및 직경은 문헌에서 유래한다 (Spitznas M., and Bornfeld N. The Architecture of the Most Peripheral Retinal Vessels. Albrecht Von Graefes Arch Klin Exp Opthalmol. 1977; 203(3-4):217-29, 이는 그 전문이 본원에 참조로 포함됨). 도 1A의 중앙 패널은 모델 혈관망의 유속 맵을 도시한다. 모세혈관은 세동맥, 세정맥, 및 상부의 가장 각진 혈관인 단락 혈관보다 느린 속도로 혈류를 운반한다. 도 1A의 우측 패널은 모델링된 섹션의 산소 분압 맵을 도시한다. 혈관에 근접한 세포는 보다 먼 거리에 위치한 것보다 상대적으로 더 나은 산소화를 갖지만, 정상 조건 하에서는 어떠한 면적도 허혈성이 아니다. 도 1B는 광응고의 부재 하의 초기 모세혈관 폐쇄 후 주어진 시점에서의 유속 맵을 도시한다. 도 1B의 좌측 패널 (제0주)은 동정맥 (AV) 섹터에서의 모세혈관의 닫힘을 도시한다. 도 1B의 중간 및 우측 패널 (각각 제56주 및 제144주)은 동일한 섹터 내에서 전방 및 후방으로 전파되는 모세혈관 폐쇄의 캐스케이드를 도시하고, 따라서 유동 맵은 허혈성 망막의 보다 큰 갭, 보다 큰 면적을 보여준다. 색상 막대는 μm/s 단위를 갖는다. 보다 따뜻한 색상은 보다 빠른 유속을 나타낸다. 도 1C는 광응고의 부재 하의 초기 모세혈관 폐쇄 후 주어진 시점에서의 산소 분압 맵을 도시한다. 도 1C의 좌측 패널은 초기에 폐쇄된 혈관 근처의, 불량하게 산소화된 세포 군을 청색 면적으로 도시한다. 도 1C의 중간 및 우측 패널 (각각 제56주 및 제144주)은 모세혈관 폐쇄의 수의 증가에 대한 허혈 영역의 확장을 도시한다. 세정맥 내 산소 분압이 또한 시간의 경과에 따라 하락한다. 색상 막대는 mmHg 단위를 갖는다. 보다 따뜻한 색상은 보다 높은 산소 분압을 나타낸다.
컴퓨터 모델을 사용한 시뮬레이션은 초기 모세혈관 폐쇄가, 레이저 치료의 부재 하에, 항상 그러한 것은 아니지만 종종, 유도되는 폐쇄 캐스케이드 및 해부학적으로 세동맥 및 세정맥에 의해 국한되는 큰 인접 허혈 면적을 발생시킨다는 것을 입증하였다 (도 1B 및 1C). 모세혈관 폐쇄의 확률적 발생은 모세혈관 유동 경로를 파괴하고, 초기에 폐쇄된 혈관 근처에 허혈 영역을 발생시켰다 (도 1B 좌측; 제0주). 저산소성 뮐러 세포는 VEGF의 국부 합성을 유의하게 상승시켰고, 이는 다른 근처 혈관으로 확산되어, 그의 폐쇄 확률을 높였다. 그의 비교적 빠른 유속 및 큰 내강 직경으로 인해, 세동맥 및 세정맥은 진행성 허혈성 과정의 후반부까지 임상 상황에 있는 경향이 있으므로, 이는 상대적으로 폐쇄로부터 보호된다. 유도되는 모세혈관 폐쇄는 다른 근처 모세혈관에서 발생하였다. 망막 내에서, 이는 비-유동 영역 (도 1B 중간 및 우측), 및 상응하는 허혈 (도 1B) 및 저산소증 (도 1C)의 전방-후방 확장을 야기한다.
실시예 2 - 허혈 진행에 대한 도트 및 밴드 레이저 화상 밀도의 효과
또 다른 예시적인 실시양태에서, 실시예 1 및 물질 및 방법 섹션에 기재된 컴퓨터 모델을 사용하여 망막에서의 허혈 진행에 대한 도트 및 밴드 레이저 화상 밀도의 효과를 결정하였다. 통상의 PRP는 전형적인 250-500 마이크로미터 크기의 레이저 화상을 사용하지만, 컴퓨터 모델은 훨씬 더 작은 크기의 규칙적으로 패턴화된 화상이 망막 조직에 손상을 덜 유발하면서 당뇨병성 망막병증에서 모세혈관 폐쇄의 진행을 효과적으로 예방할 것임을 나타내었다.
동일한 총 절제 면적의 망막 조직을 사용하여 레이저 화상의 2가지 기본 패턴을 시험하였다 (도 2). 1가지 패턴은 세동맥 및 세정맥과 나란한 정사각형 도트형 레이저 화상을 포함하며, 각각의 도트는 100 마이크로미터 x 100 마이크로미터의 크기를 가졌다. 다른 시험 패턴은 세동맥 및 세정맥에 대해 수직 배향으로 배향된 직사각형 밴드형 레이저 화상으로, 각각은 길이가 300 마이크로미터 및 폭이 100 마이크로미터였다. 모든 화상을 도 2에 암색 패치로 도시한다. 다양한 밀도의 레이저 화상을 시험하고, 라벨 "N"에 이은 숫자로 태깅하였다. 결과를 도 3 및 5에 요약하여 나타낸다. N은 밴드 패턴 시뮬레이션 동안 모델링된 영역에 배치한 레이저 화상의 수를 나타내거나, 또는 N회 밴드형 화상과 동일한 총 화상 면적을 제공할 도트 패턴 시뮬레이션에서의 도트형 레이저 화상 패턴을 나타낸다. 도트 패턴 또는 밴드 패턴으로 제공된 화상의 크기는 수학적으로 의도되는 값이었다. 실제로, 화상의 크기는 상이한 시뮬레이션에서의 이들 값과 통상적으로는 정확하게 등가가 아니었지만, 항상 그에 근접하였다. 모델에서, 화상생성된 조직은 그의 생리학적 기능, 예컨대 산소의 소비를 상실한 세포의 면적이고, 이들 면적은 또한 기저 맥락막으로부터 산소 확산 공급원으로서 작용한다. 수학적으로 정사각형 화상은 세포와 그의 가장자리에서 다양한 중첩을 갖고, 그의 정도는 세포의 모델링된 수명 또는 사멸을 결정하여, 화상 크기에서의 약간의 부정확성을 제공한다. 이는 도 2에, 그렇지 않은 경우 선형인 화상 가장자리에서의 약간의 요철로서 도시된다. 레이저 화상을 중간의 2개의 시뮬레이션된 AV 섹터에만 배치하고 무작위한 초기 폐쇄의 후보 부위를 이들 2개의 섹터 내의 모세혈관으로 제한함으로써, 치료를 이들 2개의 섹터로 제한하였다. 유사한 레이저 패턴 및 시뮬레이션된 결과가 보다 많은 섹터로 구성된 보다 큰 공간 규모에 적용될 수 있다.
도 2A-2D는 도트 패턴 (도 2A-2B) 및 밴드 패턴 (도 2C-2D) 레이저 화상을 사용한 4개의 광응고 요법 패턴을 도시한다. 시간 경과에 따른 산소 분압 맵을 또한 도시한다. 절제된 면적을 정상 조건 하에서, 및 화상 부위의 맥락막 혈관계로부터의 산소 전달에 대한 부차적인 전체 시뮬레이션에 걸쳐 산소 중 풍부화하였다. N=4로의 도트 패턴 사례에서 (도 2B), 초기 모세혈관 폐쇄는 확률적으로 단락 혈관에 인접하여 발생하였고, 시뮬레이션 종료 시에 단지 1개의 유도되는 모세혈관 폐쇄를 유발하는 것으로 진행되었다 (도 2B). 레이저조사 영역은 충분한 산소를 공급하여, 보다 큰 허혈 면적으로의 제2 모세혈관의 폐쇄의 진행을 예방하는 것으로 보였다. 허혈 영역의 위치는 낮은 VEGF를 갖는 잘 산소화된 영역에 근접하였고, 이는 다른 무손상 망막 면적으로의 전파를 불가능하게 하였다. 대조적으로, N=2로의 도트 패턴은 (도 2A) 허혈의 진행을 예방할 수 없었고, 이는 시뮬레이션 종료 시의 산소 상실의 "우회" 패턴에 의해 입증되었다. 데이터는 가장 작은 화상 면적이 가장 많은 양의 진행성 허혈 면적을 갖는다는 것을 나타내었다 (도 3A).
N=4로의 밴드 패턴 시뮬레이션에서 (도 2D), 무작위한 초기 폐쇄가 섹터의 중간 존에서 발생하였고 후속해서 추가의 모세혈관 폐쇄를 자극하였지만, 시뮬레이션 종료 시에, 허혈은 공간적으로 국한된 상태로 유지되었고 (도 2D, 가장 우측 패널), 허혈 전파는 광응고 밴드 또는 세동맥 또는 세정맥을 가로지를 수 없었다. N=2로의 밴드 패턴은 (도 2C) 허혈 진행에 대해 매우 유사한 예방적 효과를 나타내었지만, 가능한 허혈 면적이 더 컸다 (도 3C). N=4로의 도트 패턴 경우와 유사하게, 광응고 영역은 낮은 VEGF를 나타내는 산소 공급원으로서 작용하였고, 허혈의 전파에 대한 장벽을 생성하였다. 시뮬레이션된 N=4 밴드 패턴 및 도트 패턴 광응고 둘 다는 당뇨병성 모세혈관 폐쇄의 진행을 효과적으로 억제하였다. 유사한 예방적 효과가 또한 N=6 밴드 패턴 및 도트 패턴에서 발견되었지만, 도 3B 및 3D의 화상 면적 및 허혈의 합계의 상승에 의해 나타내어진 바와 같이, 전파를 예방하는 데 필요한 것보다 더 많은 망막 광응고를 발생시켰다. 비교하면, N=2 도트 패턴 요법은 모세혈관 폐쇄의 진행을 예방하지 못하고 큰 허혈 면적을 생성한 한편, N=2 밴드 패턴은, 효과적인 장벽을 생성하였음에도 불구하고, 허혈 진행을 허용하였다.
실시예 3 - 허혈 진행에 대한 도트 및 밴드 레이저 화상 면적의 효과
또 다른 예시적인 실시양태에서, 실시예 1 및 물질 및 방법 섹션에 기재된 컴퓨터 모델을 사용하여 망막에서의 허혈 진행에 대한 도트 및 밴드 레이저 화상 면적의 효과를 결정하였다. 화상 크기의 함수로서 허혈 전파의 예방에 있어서의 그의 효능을 평가하기 위한 추가의 모델링을 위해 N=4 밴드 패턴 및 도트 패턴을 선택하였다 (도 4 참조).
시뮬레이션된 광응고의 효능을 평가하기 위해, 시뮬레이션 종료 시의 허혈 면적을 당뇨병성 진행의 중증도의 중요한 지표로서 간주하였지만, 화상 면적과 관련한 시각 기능 결손도 또한 고려하였다. 따라서 초기 레이저 절제의 면적 및 허혈 전파의 면적의 합계를 평가하였다. 최적 광응고는 모세혈관 폐쇄에 의해 생성되는 허혈 면적 및 광응고로부터의 조직 손상 면적의 최저 합계로서 정의하였다.
실시예 2에 기재된 각각의 도트 패턴 및 밴드 패턴에 대해, 반복 시뮬레이션을 실행하여 단일 시뮬레이션에서의 모세혈관 폐쇄의 확률적 속성으로부터 존재하는 임의의 무작위 효과를 평균화하였다. 이들 시뮬레이션 광응고 요법을 요약한 평가 다이어그램을 플롯팅하였다 (도 3). 임의의 치료의 부재 하의 대조군을 또한 0 화상 면적 또는 N=0으로 플롯팅하였다. 주어진 N에 대해, 정규화된 화상 면적은 도트 및 밴드 패턴에 대해 본질적으로 동등하였다. 광응고 면적 또는 N을 X축 상에 플롯팅하고, 허혈성인 망막의 분율 (시뮬레이션된 3년의 종료 시에 정규화된 면적)을 도트 (도 3A) 및 밴드 (도 3C) 패턴에 대해 Y축 상에 플롯팅하였다. 각각의 이들 패널은 또한 표준 PRP를 녹색 정사각형으로서 포함하였다. 반복 시뮬레이션으로부터의 결과를 박스 및 휘스커 플롯으로 제공하였다. 도 3B 및 3D는 X축 상에 N을 플롯팅하고, Y축 상에 정규화된 치료된 및 최종 허혈 면적의 합계를 플롯팅하였다. 추정 PRP 결과는 총 주변 망막에 대한 0.28 정규화된 화상 면적 플러스 대조군 모델에 기초한 비-치료된 망막에 대한 추정 허혈 전파에 기초하여 제공된다.
동일한 요법의 반복 시뮬레이션에서, 개별 결과는 약간 상이한 초기의 화상생성된 면적을 보여주었고, 이는 의도되는 정사각형 또는 직사각형의 화상생성된 영역이 실제로는 해부학적으로 흐릿한 가장자리를 가질 것임을 반영하였다. 도 3A는 도트 패턴의 경우의 각각 N=0, 및 N=2, N=4 및 N=6 패턴의 경우의 전파된 허혈 면적 vs 화상 면적의 4개의 박스 및 휘스커 플롯을 도시한다. 초기 화상생성된 면적이 클수록, 궁극적인 허혈 면적은 작았다. 도트 패턴이 N=4에 가깝거나 그보다 큰 총 망막의 분율로서 총 화상 면적을 갖는 경우 (0.26 정규화된 면적), 허혈의 어떠한 분명한 진행도 발생하지 않았다. 도 3B는 이들 상이한 도트 패턴 조건에 대한 정규화된 화상 면적 및 허혈의 합계를 플롯팅하며, 정규화된 화상 면적이 증가함에 따라 감소된 전파가 발생하고, N=4를 초과하는 레이저 치료가 필요한 것보다 큰 총 망막 손상을 발생시키는 것을 나타내는 N = 4에서의 변곡점이 존재함으로 인해, 도트 패턴으로 치료된 면적에 대한 합계의 일부 의존성을 예시한다. 밴드 패턴에 대한 도 3C 및 3D의 플롯은 도트 패턴과 유사한 결과를 예시하며, 화상 면적이 증가함에 따라 허혈 전파는 감소되지만 (도 3C), 그러한 이점은 감소된 허혈 면적을 본질적으로 동등하게 하는 보다 큰 화상 면적에 의해 주로 상쇄된다 (도 3D). 도트 및 밴드 패턴 플롯 둘 다의 주목할 만한 특색은 허혈 진행을 정지시키지 않는 표준 PRP와 대등한 정규화된 화상 면적에서 허혈 전파를 정지시킬 수 있다는 것이다. 이는 표준 PRP의 큰 화상들 사이의 넓은 망막 면적이 허혈 전파를 갖는 모델링된 비치료된 사례와 유사하게 거동할 것이기 때문이다. 허혈성 망막의 총 면적은 이러한 망막으로부터 방출된 VEGF가 당뇨병성 신생혈관화 및 일부 경우의 황반 부종의 궁극적인 구동자로서 작용하기 때문에 당뇨병성 망막병증의 합병증에 중요하다.
실시예 4 - 허혈 진행의 예방을 위한 도트 및 밴드 레이저 화상 면적의 최적화
또 다른 예시적인 실시양태에서, 실시예 1 및 물질 및 방법 섹션에 기재된 컴퓨터 모델을 사용하여 허혈 진행의 예방을 위한 레이저 화상 치수를 최적화하였다. 최적화는 N=4 화상 패턴에 기초하여 허혈의 전파를 효과적으로 예방할 수 있는 가장 작은 화상 면적을 결정하였다.
화상생성된 면적 및 허혈 면적의 최적 합계를 달성하기 위해 도트 및 밴드 패턴을 적합화하였다. 도트 패턴으로, 가장자리 크기를 100 마이크로미터에서 80, 60, 40, 또는 20 마이크로미터로 감소시킨 효과를 검사하였다. S=80 마이크로미터 및 S=60 마이크로미터의 가장자리 크기를 갖는 도트 패턴을 각각 도 4A 및 4B에 도시한다. S=80 도트 패턴은 S=60보다 허혈의 진행을 예방하는 데 있어서 더 나은 유효성을 나타내었다. 보다 작은 크기를 갖는 도트 패턴이 심지어 더 큰 허혈 면적을 발생시켰기 때문에 (도 5A) S=60 도트 패턴은 효능에 있어서 전이점인 것으로 보였다. S=20 도트는 망막 세포 크기에 기초하여 현행 모델에서 이론상 최소인 시뮬레이션된 화상 크기를 반영하며, 이는 대조군 시뮬레이션과 거의 차이를 나타내지 않았다. 모든 도트 크기가 도 4에 제시된 것은 아니지만, 모든 사례가 평가 다이어그램에 포함되었다 (도 5).
밴드 패턴으로, 폭 ("W") 또는 길이 ("L")에서의 변화를 조사하였다. 당뇨병성 모세혈관 폐쇄의 진행을 실질적으로 정지시킬 수 있는 이론상 최소의 크기를 조사하기 위해 밴드 패턴 화상을 얇게 만들었다. 시뮬레이션된 폭은 100, 80, 60, 40, 및 20 마이크로미터였다. 다른 시뮬레이션에서, 세정맥 및 세동맥 근처의 망막 면적이 상대적으로 잘 산소화되고 허혈에 대해 보호된다는 근거 하에, AV 섹터의 중간 영역만을 커버하도록 밴드 패턴 화상을 둘 다의 말단으로부터 동등하게 단축시켰다. 시뮬레이션된 길이는 50, 74, 100, 124, 및 300 마이크로미터였다. 시뮬레이션된 밴드 패턴 요법의 예를, 밴드 패턴 폭 및 길이에서의 변화를 예시한 도 4C 및 4D에 도시한다. 도 4C는 L=300 마이크로미터 및 W=60 마이크로미터의 밴드를 갖는 N=4의 밴드 패턴이 허혈의 진행을 예방하는 능력을 도시한다. 도 4D는 L=100 마이크로미터 및 W=100 마이크로미터의 밴드를 갖는 N=4의 밴드 패턴이 허혈의 진행을 예방하는 능력을 도시한다. 반복 시뮬레이션의 결과를 도시한 도 5C 및 5E에 예시된 바와 같이, 둘 다의 사례는 전파에 대한 장벽을 생성함으로써 허혈의 진행을 제한하였다.
다양한 도트 및 밴드 패턴을 반복 시뮬레이션에서 평가하였고, 그의 결과를 도 5에 예시한다. 도 5A는 상이한 도트 크기의, 상이한 총 화상 면적에 대한 예측된 허혈 면적의 박스 및 휘스커 플롯을 도시한다. 일반적으로, 보다 많은 화상 면적은 허혈 면적을 덜 진행시켰다. 도 5B에서, 허혈 및 화상의 합계 면적이 화상 크기의 함수로서 Y축 상에 제공된다. 화상 크기의 증가 및 허혈 진행의 감소의 효과는 주로 상보적이었고, 시험된 크기 범위에 걸쳐, PRP에 의한 결과 미만이었다. 허혈 진행의 가변성은, 박스의 감소되는 높이에 의해 예시되는 바와 같이, 가장 큰 화상 크기에 의해 하락하는 것으로 관찰되었다. 밴드 폭에서의 변동의 효과를 도 5C 및 5D에 예시하고, 밴드 길이에서의 변동의 효과를 도 5E 및 5F에 도시한다. 밴드 패턴의 화상 치수를 증가시키는 것에 대해 어떠한 이익도 관찰되지 않았다. 레이저 화상의 폭을 100 마이크로미터 (기본 밴드 패턴에서의 디폴트)에서 20 마이크로미터 (대략 단일 세포 크기)만큼 작게 감소시킨 경우에, 허혈 진행의 평균 면적은 대략 변화없이 유지되었고, 이는 상이한 폭을 갖는 화상의 유사한 예방적 효과를 나타낸다. 밴드가 세동맥과 정맥 사이의 대략 중앙에 있고, 밴드의 길이를 달리한 시뮬레이션에서 유사한 결과가 관찰되었다. 이러한 배열은 최적화 과정 동안 총 화상생성된 면적을 PRP보다 거의 80% 감소시키기 때문에 치료상 매력적이다.
컴퓨터 모델링은 광응고의 시험된 도트 패턴 및 밴드 패턴이 전통적인 PRP 치료에 비해 당뇨병성 모세혈관 폐쇄의 진행을 효과적으로 예방하였다는 것을 나타내었다. 레이저 화상의 크기를 축소시키는 것에 의한 도트 패턴 요법의 최적화는 약 140 마이크로미터와 동등한 레이저 화상들 사이의 갭의 결정적인 크기를 보여주었고, 약 140 마이크로미터보다 큰 갭은 모세혈관 폐쇄의 전파를 증가시킨다는 것을 입증하였다 (예를 들어, 도 5A 참조). 이는 N=4 간격에서의 60 내지 80 마이크로미터의 화상 크기에 상응한다. 레이저 화상을 얇게 만들거나 단축시키는 것을 통한 밴드 패턴 요법의 최적화는, 다른 한편으로, 작은 절제 면적에 의한 허혈 전파의 예방에서 놀랍게도 일관된 성능을 나타내었다 (도 5C 및 5E 참조). 모든 최적화된 화상 패턴 중에서, L=72 마이크로미터를 갖는 밴드 패턴은 망막 광응고 및 허혈 면적의 최저 합계를 발생시켰다. 이는 이러한 밴드 길이가 레이저 치료의 중심 밴드와 인접 세동맥 및 세정맥 사이에 약 125 마이크로미터의 갭을 발생시키기 때문에, 도트 패턴의 경우의 140 마이크로미터 갭과 일치한다. 도트 및 밴드 패턴 사이의 차이가 형상의 관점에서 피상적이지만, 이러한 모델에서 도트는 세동맥 및 세정맥과 인접하여 위치하는 반면에 밴드는 2개의 혈관 사이의 중앙에 있다는 것에 주목한다. 이러한 차이는 허혈 전파의 생리학과 관련하여 중요하다.
허혈 전파의 억제의 가설화된 메카니즘은 레이저 치료에 의한 산소 지표 이동의 개략도에서 제시된다 (도 6). 정상 상태에서 산소 분압은 세동맥 및 세정맥 근처에서 높고 혈관 사이의 중앙 영역에서 낮지만, 어떠한 망막도 저산소성이 아니며 따라서 VEGF 합성은 기저 수준이다. 이러한 정상 최저 산소 분압은 저산소증 역치보다 단지 약간 더 높다. 따라서, 모세혈관 폐쇄는 이들 영역 내의 세포가 저산소성이 되게 하여 VEGF 합성을 결과적으로 증가시키고 인접 모세혈관 폐쇄 확률을 상승시킨다. 레이저 화상이 세동맥과 세정맥 사이에 산소 공급원을 도입하여 최저 산소의 산소 수준을 저산소성 역치보다 상승시키는 경우, 산소 지표는 상향 이동하여 VEGF의 상승된 합성을 예방하고 따라서 모세혈관 폐쇄의 전파를 예방하는 데 도움이 된다.
실시예 5 - 저산소성이 될 가능성이 있는 황반 면적을 예측하는 컴퓨터 모델
예시적인 실시양태에서, 저산소성이 될 가능성이 있는 황반 면적을 예측하는 컴퓨터 모델을 개발하였다. 모델을 사용하여 저산소성이 될 황반 면적을 확인하였고, 확인된 면적 또는 면적들을 광응고 화상에 의해 치료하여, 면적이 저산소성이 되는 것을 예방하고 허혈의 전파를 예방할 수 있었다. 모델에 대한 기초사항은 물질 및 방법 섹션에 추가로 상세하게 기재된다.
비치료된 시뮬레이션에서, 산발성의, 단리된 모세혈관 폐쇄는 국부 저산소증을 유도하였고, 주로 국지적 혈관 및 밀도에 의해 결정되는 저산소증의 크기에 따라, 이는 인접 모세혈관 폐쇄 및 허혈의 진행을 촉발할 수 있다. 모세혈관 폐쇄의 진행이 존재하는 예시적인 시뮬레이션을 도 1에 도시한다. 도 1은 모세혈관 폐쇄, 허혈, 및 과량의 VEGF 생산의 진행의 시뮬레이션을 도시한다. 정상 조건 하에, 세포는 정상산소성이고 과량의 VEGF를 생산하지 않는다. 제0주에, 초기 모세혈관 폐쇄가 발생하였고, 근처의 세포는 저산소성으로 되었다. 세포는 과량의 VEGF를 합성하였고, 이는 공간적으로 전파되어 인접 모세혈관에 도달하였고, 그것이 폐쇄될 확률을 증가시켰다. 이후의 시점에, 모세혈관 비-관류 및 허혈 면적이 점차적으로 확장되었다.
환자-유래 망막 동맥-정맥 섹터 내의 모든 모세혈관 분절이 동일한 진행 잠재력을 갖는지 결정하기 위해, 무작위로 선택된 초기 폐쇄 부위를 사용하여 동일한 모델의 반복 시뮬레이션을 실행하였다. 선택된 초기 폐쇄 부위에서, 추가 모세혈관 폐쇄가 존재할 경우 그 순서는 확률적이었다. 시뮬레이션이 모세혈관 폐쇄의 진행을 나타내는지 결정하기 위해, 도 2에 도시된 것과 같은 관류-산소화 상 다이어그램에 시뮬레이션 결과를 배열하였다. 도 2에서, 색상으로 코딩된 도트는 규범적 초기 상태 (제0주)로부터 제156주까지의 시뮬레이션 시간을 나타낸다. 중첩된 암청색 및 암적색 도트는 허혈 진행이 없는 사례를 나타낸다. 좌측 하단 4분면에 위치한 암적색 도트는 허혈 진행을 나타낸다. 단지 소수의 초기 모세혈관 닫힘만이 진행 성향을 가졌고, 이는 시뮬레이션된 3년의 종료 시의 총 혈류량 및 망막 산소화에서의 심각한 감소에 의해 나타났다 (도 2의 암적색 도트). 이러한 결과는 최대 진행 잠재력을 갖는 이들 초기 모세혈관 닫힘의 추가 검사 및 확인으로 이어졌다.
초기 모세혈관 닫힘이 추가 모세혈관 폐쇄의 높은 진행 성향을 갖는지 확인하기 위해, 그의 초기 폐쇄 부위에 기초하여 반복 시뮬레이션을 분류하고, 각각의 군에 대해 위험 맵, 또는 취약성 맵을 생성하였다. 환자-유래 망막 동맥-정맥 섹터에서 2개의 모세혈관 분절의 닫힘은 도 2에 표시된 진행의 대부분의 경우의 원인이 된다는 것을 발견하였다. 이들 2개의 모세혈관 닫힘에 대한 위험 맵을 도 3A-3B에 도시한다. 위험 맵은 제0주에 폐쇄되는 특정 모세혈관 분절을 고려하여 3년의 시뮬레이션 종료 시에 폐쇄되는 모든 개별 모세혈관 분절의 빈도를 맵핑한다. 위험 맵을 사용하여 저산소성이 될 위험이 높은 영역을 확인하고, 작은 광응고 화상에 의한 치료를 위한 위치를 선택하였다.
도 3A에 도시된 위험 맵은 동일한 초기 폐쇄 부위를 사용한 30회의 반복 시뮬레이션의 결과이다 (흑색 파선). 시뮬레이션의 종료 시에 폐쇄되는 개별 모세혈관 분절의 빈도가 색상으로 코딩된다. 동일한 초기 폐쇄 부위를 사용한 모든 시뮬레이션에 대해 빈도를 결정하였다. 도 3B에 도시된 위험 맵은 도 3A의 것과 유사하게 생성하였지만, 이는 상이한 모세혈관 섹션이 초기에 폐쇄된 경우 (파선) 시뮬레이션의 종료 시에 폐쇄되는 개별 모세혈관 분절의 빈도를 나타내고, 45회 반복 시뮬레이션의 결과이다.
치료된 시뮬레이션의 결과를 도 4에 도시한다. 화상 크기는 50 마이크로미터로 설정하였다. 추가의 모세혈관 폐쇄를 촉발할 위험이 큰 위험 맵-가이드 모세혈관 분절에 대해 표적화된 작은 화상은 화상 밀도와 상관없이 허혈의 진행을 예방하는 데 효과적이었다. 대조적으로, 작은 화상의 균일한 그리드는 밀도가 충분히 큰 경우에만 진행을 예방하는 데 효과적이었다. 화상 패턴은 도 4의 상단 행에 표시되고, 예시적인 시뮬레이션의 종료 시의 산소 맵은 중간 행에 제공되고, 반복 시뮬레이션으로부터의 위험 맵은 하단 행에 도시된다. 위험 맵-가이드 레이저 화상 패턴은 최고의 진행 성향을 갖는 이들 모세혈관 분절만을 커버하였다.
물질 및 방법 - 컴퓨터 모델
망막 혈관계의 피톤 스크립트 및 컴퓨셀3D(Compucell3D) 모델이 개발되어 개략적인 주변 망막 모세혈관망에 적용되어 왔다. 모델은 하기 및 문헌 [Fu, X. et al., Progression of Diabetic Capillary Occlusion: A Model, PLoS Comput Biol, 2016 Jun 14;12(6):e1004932]에 충분히 기재되어 있고, 이는 그 전문이 본원에 참조로 포함된다. 모델은 문헌 [Spitznas M., and Bornfeld N. The Architecture of the Most Peripheral Retinal Vessels. Albrecht Von Graefes Arch Klin Exp Opthalmol. 1977; 203(3-4):217-29]의 조직학에 기초하며, 이는 그 전문이 본원에 참조로 포함된다.
연결 모세혈관을 갖는 세동맥으로부터 세정맥까지의 전체 혈관 모델이 산소 이류, 산소 확산, 및 산소 소비, VEGF 합성 및 파괴, 모세혈관 폐쇄 확률, 및 망막 부종과 함께 포함된다. 당뇨병성 망막의 생리학상, 개념상 단순한 모델은 뮐러 세포를 VEGF의 유일한 망막 공급원으로 취급하고, 당뇨병을 정상과 구별하는 허용 단계로서 정상 망막에서의 것보다 높은 당뇨병성 망막 내 뮐러 세포에 의한 VEGF 생산의 약간의 상승을 가정한다. 모델에서, VEGF는 뮐러 세포에 의해 국부적으로, 국부 세포 수준 산소 포화에 기초하여 가변량으로 생산된다. VEGF는 뮐러 세포로부터 확산되고 모세혈관 내피 세포를 포함한 다양한 세포에 의해 소비되지만, 이류에 의해 수송되지는 않는다. 모델 혈관은 ICAM의 상승에 의해 국부 VEGF 수준에 반응하는 내피 세포를 갖고, 상승된 글루코스에 의해 유도되는 백혈구 CD11a, CD11b, 및 CD18 수용체에 의해 달성되는 백혈구 부착을 통해 증가된 모세혈관 폐쇄 확률을 갖는다. 모델은 다수회 사이클링되고, 모세혈관 폐쇄가 발생한 경우, 모든 혈관 유량, 국부 산소 분압 및 VEGF 수준이 재계산된다. 모델의 폐쇄의 치료는, 본질적으로 모세혈관이 내피 복제 소진의 단계에 있어서 내피 세포의 상실은 커버되지 않은 기저막을 남기고 모세혈관 폐쇄를 야기하는 것으로 가정되기 때문에, 비가역적이다.
모델은 모세혈관의 폐쇄가 항상 생리학상 의존성인 망막의 일부 면적의 허혈을 야기하고, 결과적으로 현재의 허혈성 뮐러 세포에 의한 VEGF의 이미 다소 상승된 허용 수준을 초과하여 VEGF 합성의 상당한 추가 국부 상승을 야기할 것이라는 점에서, 각각의 망막 면적으로의 혈관 공급이 '결정적인' 것으로 가정한다. 이러한 모델은, 저산소증이 VEGF를 상승시키고, 이는 내피 ICAM 수준을 상승시키고, 이는 모세혈관 폐쇄 확률을 상승시키기 때문에, 당뇨병에서의 모세혈관의 폐쇄가 유해 피드백 사이클로 인접 모세혈관의 폐쇄 확률을 증가시킨다는 생리학을 설명한다. 모델 모세혈관 폐쇄는 국부 VEGF 수준 및 모세혈관 분절 내 계산된 유동에 기초하여 기능상 항상 확률론적이다. VEGF는 모세혈관 폐쇄 확률에 영향을 미치는 VEGF를 포함한 다양한 확산가능한 시토카인의 집합적 효과에 대한 대용물이다.
본 발명의 모델에서, 다양한 모델 시점에서의 맵이 모세혈관망 구조, 유동, 및 산소 분압으로 구성된다. 혈관계를 수반하는 2차원 평면으로 시각화된, 정상 조건 하의 망막 주변 세포 및 혈관의 구성이 도 1A에 제시된다. 배정된 경계 혈압 및 산소 분압을 사용하여, 유속이 계산되고 산소 정상 상태가 시뮬레이션된다 (도 1A). 세동맥, 세정맥 및 주변 단락 혈관을 포함한 보다 큰 혈관은 모세혈관보다 더 빠른 혈류 속도를 나타내었다. 모든 세포는 정상 조건 하에 잘 산소화되었고, 혈관에 인접한 세포는 혈관에서 하락한 것보다 더 높은 산소 분압을 가졌다.
도 1B 및 1C는 유동 맵 및 산소 분압 맵의 관점에서 모세혈관 폐쇄의 진행을 보여주며, 폐쇄는 제0주에 발생하였고 결과는 제56주 및 제144주 모델에 제시된다. 모델에서의 광응고 화상은 응고 화상의 것과 크기 및 형상에서 동등한 산소의 확산성 공급원이 된다 (예를 들어, 도 2 참조). 산소 공급원으로서 이들 화상은 산소가 저산소증으로부터 상승된 유도된 VEGF 합성, 근처 모세혈관 폐쇄의 증가된 확률까지의 인과 사슬의 개시를 차단하기 때문에, 진행성 모세혈관 폐쇄를 예방할 수 있다. 주변 망막 모세혈관망 내로 레이저 화상의 별개의 패턴이 적용되고, 치료된 망막 면적뿐만 아니라 시간의 경과에 따라 예측된 망막 허혈 면적이 모델링된다. 이들 2개의 면적의 합계는 시각 기능과 관련하여 망막 광응고의 최적화의 척도로서 작용한다 (예를 들어, 실시예 4 참조).
모세혈관 폐쇄 모델 - 생리학적 가정
VEGF는 긴 역사를 갖는 인자이다. 혈관 투과성 인자로서 처음 확인된 후, 시간 경과에 따라 이것이 혈관신생, 내피 세포 증식에서의 인자로서, 및 또한 신경-망막 보호 인자로서 다른 중요한 역할을 갖는다는 것이 분명해졌다. 망막 부종이 모델링된 경우에, 본 발명의 모델에 대한 VEGF의 중요한 특성은 망막 내피 세포 상의 상승된 ICAM-1의 매개체로서의 그의 역할이다. 진행성 모세혈관 폐쇄의 본 발명의 모델에서, VEGF는 확산되고 근처 모세혈관 폐쇄의 가능성을 증가시키는 국부적으로 분비되는 분자이다. 이러한 폐쇄유발 특성이 널리 알려져 있지 않고 심지어 일부에 의해 거부될 수 있기 때문에, 모세혈관 폐쇄의 유해 사이클의 원인이 되는 물질로서의 VEGF의 선택을 지지하는 배경이 제공된다. 이는 VEGF가 결단코 수반되는 유일한 시토카인이거나 또는 당뇨병성 망막병증인 만성 염증 상태를 생성하는 사건의 개재 캐스케이드가 존재하지 않는다는 것을 의미하지 않는다. 백혈구울혈은 망막 혈관 내피 상의 부착 분자 예컨대 ICAM-1의 현저한 상향조절과 공존하는 순환 백혈구의 당뇨병성 활성화에 의해 매개된다. 이러한 변화는 망막 모세혈관 내피에 대한 백혈구 부착의 가능성을 증가시키고, 따라서 모세혈관 닫힘의 확률을 증가시킨다. 모델은 국부의, 확실히 복잡한 현상 예컨대 모세혈관 폐쇄에 이르는 내피 복제 소진을 일으키는 누적 백혈구 매개된 내피 모세혈관 손상을 상술하지 않고; 이 때 이들은 블랙 박스로서 처리된다.
2종의 물질의 상대적인 양, 예컨대 VEGF와 색소 상피 유래 인자 (PEDF)의 균형이 종종 생리학상 중요한 것일 가능성이 있지만, 모델은 단순성을 위해 1종의 물질의 상승을 다룬다. PEDF는 그 자체로 복합 신경영양, 신경보호, 및 항혈관신생, 항삼출성 및 항염증 특성을 갖는다. 고 글루코스는 망막 뮐러 세포에서 PEDF의 발현을 감소시키면서, 이는 동시에 VEGF 발현을 상승시킨다. 추가적으로, PEDF의 유리체 수준은 비-당뇨병성 환자 또는 망막병증을 갖지 않는 당뇨병성 환자에서보다 당뇨병성 황반 부종 또는 증식성 당뇨병성 망막병증을 갖는 환자에서 유의하게 더 낮은 반면, 각각의 상황에서 VEGF는 상승된다. 모델은 불균형의 생리학적 유입을 단순히 VEGF의 농도로서 처리함으로써 이러한 이중성을 단순화한다. 진행성 허혈성 과정에서의 특정 단계는 확산성 물질에 의해 충족되어야 하고 이상적으로, VEGF가 확산성 물질로서 모델링되어야 하는 경우에 모델에서의 각각의 단계에 대한 해부학적 및 생리학적 지지가 요구된다. 국부 유해 양성 피드백 모델은 단지 당뇨병성 허혈의 문제를 지리적 현상으로서 다루면서 그 자체로 존재할 수 있지만, 생물학적 요소에 가능한 한 근접하게 상응하는 모델 요소를 갖는 것이 보다 건설적이다. 단순 생물학적 모델은 이 물질이 활성화된 백혈구에 의한 재발성 모세혈관 내피 세포 상실의 허용성 당뇨병성 상태를 먼저 생성하고, 국부 내피 고갈로부터 영구적 모세혈관 폐쇄로 이어지고, 차례로 모세혈관 폐쇄의 지리적 전파를 생성하는 다수의 생리학적 특성을 갖기 위해 요구된다는 관찰에 기초하여 개발된다. 이러한 진행은 하기 특징을 갖는 VEGF로서 모델링된 물질, 및 망막 조직을 필요로 한다.
단계 1: 고혈당증의 발병 또는 고혈당증의 계속적인 존재 하에 이 물질은 일부 방식으로 그의 생산을 비-당뇨병성 상태의 것으로부터 변화시켜야 한다.
단계 2: 이 물질의 농도의 변화는 망막 모세혈관에서 일부 변화를 유발해야 하고, 이는 비-당뇨병성 상태에서의 0을 본질적으로 초과하는 영구적 모세혈관 폐쇄의 증가된 확률을 생성한다.
단계 3: 모세혈관 폐쇄는 차례로 국부 망막 허혈을 생성해야 하고 일부 메카니즘에 의해 물질의 수준을 추가로 상승시켜야 하고, 이는 허혈이 물질을 생산하는 세포를 사멸시키는 데 작용할 수 없다는 것을 의미한다.
단계 4: 국부 망막 면적에서의 이 물질의 보다 높은 농도는 근처 모세혈관에서 폐쇄의 보다 높은 가능성을 유발해야 하며, 폐쇄의 확률은 기능적으로 물질의 농도와 관련된다.
단계 1: 모세혈관 내피에 대한 활성화된 백혈구 부착의 0이 아닌 확률을 개시하는, 비-당뇨병성의 기저 수준을 초과하는 당뇨병에서의 VEGF의 초기 약간의 상승.
단계 1은 모세혈관 폐쇄의 0이 아닌 확률을 생성하는 글루코스의 상승에 반응하여 망막에서의 VEGF의 초기 약간의 상승을 모세혈관 내피 세포 파괴 및 결과적으로 모세혈관 폐쇄를 허용하는 초기 상태를 생성하기 위한 방식으로서 필요로 한다. 이상적으로 VEGF의 세포 공급원이 또한 명시되어야 한다. 상이한 망막 세포 유형은 다양한 방식으로 상승된 글루코스에 반응한다. 망막 색소 상피 (RPE) 세포는 VEGF의 증가된 생산 (뿐만 아니라 PEDF의 감소된 생산)으로 글루코스의 급성 상승에 반응한다. 이러한 변화가 모델에 의해 요구되는 방향이지만, 분비된 인자는 후방 혈액 뇌 장벽 아래의 RPE 세포의 기저 부분을 떠나고, 맥락막모세혈관층으로 이동할 가능성이 있고, 신경 망막으로는 이동하지 않는다. 또한, 망막 혈관계보다는 맥락막모세혈관층이 대부분의 산소를 RPE에게 제공하므로, 망막 모세혈관의 상실은 가정된 피드백 루프 (상기 단계 3 및 4)에서의 주요 단계인 RPE의 산소화를 유의하게 감소시킬 가능성이 없다. 따라서, 본 발명의 망막 모델은 RPE 세포를 VEGF의 공급원으로서 고려하지 않는다.
내피 세포 및 혈관주위세포 둘 다가 적어도 일부 VEGF 생산 및 ICAM-1뿐만 아니라 NF-Kβ의 상승으로 글루코스의 상승에 반응한다는 증거가 존재한다. 혈관주위세포는 당뇨병성 망막병증에서 사멸하는 가장 초기의 세포일 가능성이 있고, 이들 및 내피 세포는 모세혈관 폐쇄의 과정에 의해 사멸하기 때문에, 따라서 이들은 주변 허혈의 면적에 본질적으로 부재한다. 따라서 이들 2종의 세포 유형은 과정에서 역할, 특히 ICAM-1 유도 및 또한 혈관주위세포의 고혈당증-유발 안지오포이에틴 2-매개 아폽토시스를 통한 폐쇄의 상승된 확률의 개시에서 가능한 역할을 분명히 갖지만, 이들이 폐쇄의 전파를 위한 인자의 공급원일 가능성은 없다. 안지오포이에틴 2는 혈관주위세포의 상실에서 및 따라서 미세혈관 당뇨병성 합병증에서 중요하다. 이는 증식성 당뇨병성 망막병증의 유리체에서 상승된 농도로 존재하고 망막에서 생산된다. VEGF는 생리학이 ICAM 및 모델의 중심점인 모세혈관 폐쇄에 대한 그의 관계를 안지오포이에틴 2에 대한 것보다 훨씬 더 분명하게 지지하고 이에 대해 보다 알려져 있기 때문에 본 발명의 모델의 포커스였다. 인간 망막 내피 세포는, 일부 동물 모델에서의 내피 세포와 달리, 상승된 글루코스에 노출된 경우에 내인성 ROS 생산, NF-Kβ의 활성화, 또는 다른 염증유발 변화를 자극하지 않는다. 망막 내의 다른 세포가 VEGF를 생산할 수 있지만 상승된 글루코스에 의해 유발되는 증가된 VEGF 분비의 유의한 증거, 및 허혈성 망막에서의 생존을 갖는 유일한 세포는 망막의 주요 신경교 세포인 뮐러 세포이다. 상승된 수준의 글루코스에 노출된 뮐러 세포는 또한 iNOS, ICAM, 시토카인, 및 PGE2를 생산한다. 이들 결과에 대한 추가 지지 및 CaMKII-CREB에 의한 매개에 대한 증거가 존재한다. HIF-1α의 분해는 폰 히펠-린달(von Hippel-Lindal) 억제 단백질에 의해 제어되고 분해는 상승된 글루코스 수준에서 경감되어 HIF-1α를 통해 VEGF를 상승시킨다. 전사 인자 HIF-1α의 수준을 증가시키는 것은 비-당뇨병성의 기준선을 초과하는 VEGF의 합성을 증가시킨다.
당뇨병은 만성 질환이고 임상적으로 관찰가능한 망막 병리상태는 일반적으로 상태의 적어도 수년까지 존재하지 않는다. 이는 진행성 당화 최종 산물 (AGE)이 존재하고 추가적으로 VEGF의 합성을 상승시키는 역할을 할 수 있다는 것을 의미한다. ICAM의 VEGF 유도는 뮐러 세포에서 AGE를 통한 것으로 밝혀졌다. 당뇨병은 또한 뮐러 세포에서 RAGE 발현을 상승시킨다. 저산소증은 저산소증 조절된 혈관증식성 인자, 예컨대 VEGF의 방출을 자극하지만, VEGF는 당뇨병성 동물의 망막에서 모세혈관 변성 전에 증가되는 것으로 밝혀졌고, 따라서 이는 저산소증 이외의 인자가 당뇨병에서 그의 유도를 조절해야 한다는 것을 나타낸다. 추가적으로, VEGF는 당뇨병의 개시 전에 기저 수준으로 망막에서 존재하고 당뇨병의 발병 수일 내에 유의하게 증가된다. 뮐러 세포는 허혈 면적에서 생존하고 이들 면적의 크기가 증가함에 따라, 합성되는 VEGF의 총량은 증가할 것이다. 결론적으로, 생리학적 지지가 임의의 허혈 전에 당뇨병성 망막에서의 뮐러 세포로부터의 VEGF의 작은 증가에 대해 존재한다. 이는 당뇨병성 상태를 비-당뇨병성 상태와 구별하는 모델에서의 허용 단계이다. 이는 단지 기저 상태를 초과하는 물질 (VEGF)의 이러한 상승 (단계 1)이 망막 모세혈관 내피에 대한 백혈구 부착의 확률을 증가시킬 수 있는 경우에만 모델을 지지한다.
단계 2: VEGF는 백혈구울혈 및 모세혈관 폐쇄의 확률을 증가시키는 모세혈관 내피 ICAM을 상승시킨다.
1991년 초, 실험적 당뇨병성 망막병증에서 활성화된 과립구 및 단핵구에 부차적인 모세혈관 폐쇄의 증거가 존재하였다. VEGF는 생체내 내피 모세혈관에서 ICAM-1의 발현을 증가시키는 것으로 밝혀졌다. 인간 당뇨병성 망막에서, ICAM은 혈관 내피에 대한 백혈구 및 단핵구의 부착을 증가시킨다. VEGF는 망막 ICAM-1 및 eNOS 발현을 유도하고 생체내에서 초기 당뇨병성 망막 백혈구 부착을 개시한다. VEGF는 망막의 뮐러 세포에서 생산되고, 뮐러 세포-유래 VEGF의 억제는 당뇨병성 마우스에서 TNFα, ICAM-1 및 NF-Kβ의 망막 발현을 유의하게 감소시켰다. 이는 VEGF가 ICAM-1 및 NF-Kβ를 포함한 다른 염증유발 물질에 대해 상류라는 것을 지지한다. 산화질소뿐만 아니라 iNOS 및 ICAM을 포함한 염증성 단백질, 시토카인, 및 PGE2는 상승된 수준의 글루코스에 노출된 뮐러 세포에 의해 생산된다. 당뇨병은 설치류 망막에서 NF-Kβ를 활성화시키고 망막 내피 세포, 혈관주위세포, 신경절 세포, 및 내핵층의 세포 (아마도 뮐러 세포)의 핵 내로의 p65 서브유닛의 이동을 유발하는 것으로 밝혀졌다. NF-Kβ의 활성화는 가장 통상적으로 후속적으로 iNOS, ICAM, 및 시토카인을 포함한 다양한 염증유발 단백질의 전사가 유도되는 곳인 핵 내로의 p50-p65 이종이량체의 전위를 일으킨다. 당뇨병성 망막병증인 복합 염증성 상태에서의 ICAM의 상승은 여러 연구에 의해 지지되고, 다루기 쉽기 위해, 단지 VEGF 및 ICAM 유도에서의 그의 기여하는 역할만을 본 발명의 모델에서 다룬다.
모세혈관 폐쇄의 과정은 백혈구가 모세혈관의 벽에 부착되는 경우에 개시된다. 또한 백혈구울혈을 증가시킬 가능성이 있는 백혈구의 기계적 특성 예컨대 증가된 강성과 관련된 많은 인자가 존재하지만 당뇨병성 망막병증에서의 모세혈관 폐쇄의 우세한 해석은 당뇨병성 백혈구가 비-당뇨병에서의 것보다 훨씬 더 통상적으로 활성화된다는 것이다. 이러한 상태에서 이들은 망막 내피 세포의 표면 상의 ICAM-1에 결합하는 세포 표면 수용체 CD18, CD11a, 및 CD11b를 보유한다. 백혈구의 활성화는 상승된 글루코스 단독에 의해 유도될 수 있다. ICAM-1은 통상적으로 내피 세포 상에 존재하지 않지만 VEGF 또는 다른 메카니즘 예컨대 산화된 LDL에 의한 반응성 산소 종의 증가된 생산에 의해 유도될 수 있다. 망막 모세혈관에서의 이러한 백혈구울혈은 당뇨병 발병의 2주 내인 꽤 초기에 발생한다. 따라서 내피 세포 상의 ICAM 발현의 VEGF 촉진에 대한 강한 지지가 존재하고, 이는 모델의 단계 2의 일부를 지지하는, 내피에 대한 백혈구 부착의 증가된 확률을 생성한다.
백혈구는 당뇨병에서 망막 혈관 내피에 부착되고 당뇨병성 망막병증에서 모세혈관의 영구적 폐쇄에 중요할 가능성이 있다. 망막 트립신 소화 및 플루오레세인 혈관조영상의 상관 연구로부터, 내피 세포가 존재하는 한, 모세혈관은 관류되고 비-관류된 모세혈관은 손상된 내피 세포 및 빈 기저막 관과 연관된다는 것이 알려져 있다. 다수의 중첩 메카니즘이 수반되기 때문에, 백혈구가 망막 내피를 손상시키는 방법은 불분명하다. 당뇨병에서 모세혈관 벽의 두꺼워진 기저막, 및 백혈구의 증가된 강성 둘 다를 수반하는 기계적 인자가 존재한다. 독성 산소 대사물 및 다양한 효소를 포함한, 백혈구에 의해 방출되는 물질은 유의한 '방관자' 손상을 유발할 수 있다. 내피 세포에 대한 부착은 반응성 산소 대사물을 생산하는 호중구의 능력을 강하게 증가시킨다. 또한, 당뇨병성 동물로부터의 활성화된 호중구는 비-당뇨병성으로부터의 것보다 더 슈퍼옥시드 라디칼을 생산하고, 이는 당뇨병에서의 백혈구가 내피에 보다 부착되고 이를 보다 손상시킨다는 것 둘 다를 시사한다. 탈과립화된 PMN은 또한 명백히 사멸 중인 내피 세포와 함께 관찰되었다. 호중구가 혈관 투과성을 증가시키는 양이온성 리소솜 단백질, 기저막을 소화시키는 산 및 중성 프로테아제, 및 호중구 엘라스타제를 포함한 수많은 유형의 과립을 함유하기 때문에, 내피 독성이 발생할 것은 합리적이다. Fas 수준은 2주 동안 당뇨병성인 래트의 망막에서 증가되고, 생체내에서 FasL을 차단시키는 것은 내피 세포 손상, 혈관 누출, 및 혈소판 축적을 억제하였다. Fas/FasL에 대한 이러한 의존성은 심지어 백혈구-방출된 산소 라디칼 및 프로테아제에 대한 그의 노출의 생리학적 문맥에서 내피 세포 상실에 대한 아폽토시스 메카니즘의 중요성을 보여준다.
호중구는 알록산-처리된 당뇨병성 래트에서 관찰된 바와 같이, 당뇨병성 망막 모세혈관을 폐쇄할 수 있고, 이는 국부 백혈구 축적이 다른 혈관 병리상태 예컨대 내피 세포 손상, 모세혈관 비-관류, 및 혈관외 백혈구와 지리적으로 연관된다는 것을 보여주었다. 백혈구는 당뇨병성 고양이로부터의 망막에서 모세혈관을 폐쇄하는 것으로 관찰되었다. 여러 연구는 당뇨병성 래트 망막에서 스캐닝 레이저 검안경검사에 의해 아크리딘 오렌지-표지된 백혈구를 관찰하였다. 비당뇨병성 래트에 비해 당뇨병의 초기 단계에 망막 미세순환에서 포획된 백혈구의 유의한 상승이 존재하였다. 전망막병증 단계 동안 당뇨병성 망막에서의 백혈구의 축적은 미세혈관 폐쇄 및 기능장애를 유발할 수 있고, 이는 후속 망막병증을 유발하고 이들 폐쇄는 초기에 발생한다는 것이 가정되었다. 이들 실험자에 의해 관찰된 백혈구 폐쇄는 어떠한 클러스터링도 없는 무작위로 보였고, 또 다른 연구는 심지어 초기 단계에서 클러스터링된 내피 세포 손상을 관찰하였다.
백혈구의 직경이 단순히 대부분의 망막 모세혈관보다 더 크기 때문에 (10 마이크로미터 vs 6 마이크로미터), 백혈구는 정상 및 당뇨병성 둘 다의 모세혈관 입구에서 빈번하게 일시적으로 '방해된다'. 모세혈관에 진입하는 것은 백혈구 내에서 발생하는 활성 세포골격 재형성 과정을 필요로 한다. 또한 이는 모세혈관에서 유동이 일시적으로 차단되지만, 백혈구가 통과하면 무손상 내피를 갖는 모세혈관에서의 유동이 존재하고 모세혈관이 개존성인 채로 유지된다는 것을 의미한다. 이는 일반적으로 짧은 기간에 걸쳐 발생하고, 비-당뇨병성에서, 백혈구는 ROS 및 효소를 방출하거나 또는 아폽토시스를 활성화시킴으로써 내피에 부착되지 않고 이를 손상시키지 않으면서 이동한다. 당뇨병성에서 활성화된 백혈구 상의 보체 세포 수용체 및 내피를 통한 부착이 존재할 수 있고, 이는 진행 중인 내피 상실을 일으키고 결과적으로 국부 내피 복제 능력을 초과하여 폐쇄된, 무세포 모세혈관을 유발한다.
이 모두는 백혈구 부착 및 내피 세포 손상을 통한 백혈구-매개 모세혈관 폐쇄를 지지하며, 모세혈관 폐쇄의 과정에서의 초기 단계는 VEGF에 의존성인 내피 세포 ICAM 발현이다. 따라서, 이 물질의 농도의 변화인 단계 2는 망막 모세혈관의 일부 변화를 유발하고, 이는 발생한 비-당뇨병성 기저 상태에서의 0을 본질적으로 초과하는 모세혈관 폐쇄의 증가된 확률을 생성한다.
단계 3: 모세혈관 폐쇄 및 그에 따른 허혈은 VEGF 생산을 추가로 증가시킨다.
분명하게 모세혈관 폐쇄는 허혈을 생성해야 한다. 산소는 개존성 모세혈관에 의해 조직으로 운반된다. 모세혈관이 차단되고 더 이상 개존성이 아닌 경우에, 조직은 혈류를 받지 않고 이는 허혈의 정의 또는 적어도 그의 문자 그대로의 의미이다. 그러나, 고려해야 하는 소정의 가능성이 존재한다. 망에서 모세혈관의 조밀한 패킹이 존재하는 경우에, 그의 폐쇄는 최소 효과를 가질 수 있고 모든 조직은 산소화되어 있을 수 있다. 모세혈관망이 극도로 희박한 경우에, 일부 세포는 심지어 폐쇄 전에 허혈의 가장자리에서 동요하고 있고 다량의 조직은 단일 모세혈관의 닫힘으로 허혈성이 될 수 있다. 본 발명의 모델은 모세혈관의 차단이 인접 모세혈관에 확산되고 폐쇄의 그의 가능성을 증가시킬 수 있는 인자를 상향조절하는 조직 허혈을 생성한다는 것을 가정한다.
중추 신경 조직은 높은 대사 요구량을 갖는 것으로 널리 알려져 있고, 예를 들어 휴식 시 인간에 의해 이용되는 산소 중 25%가 CNS에 의해 소비된다. 그러나, CNS는, 이것이 활성으로 산소 소비를 상향조절하는 동안에, fMRI에 의해 제시된 바와 같이, 근육과 같은 조직에 비해 꽤 작은 기능적 변화를 갖는다. CNS에서 일시적인, 극도로 상승된 산소 요구량을 대처하는 데 적절한 밀도를 갖는 모세혈관망을 위한 요구량은 없다. 혈액이 빛을 흡수하거나 또는 산란시켜 최적 안구 기능을 방해하기 때문에, 망막은 모세혈관 밀도를 최소화할 이유를 갖는 CNS의 특화된 부분이다. 따라서 망막에서 모세혈관의 폐쇄가 조직 허혈을 생성하는 것이 보다 가능성이 있다. 본 발명의 모델링에 사용된 모세혈관망은 실제 대상체 영상화로부터의 것 또는 문헌의 주변 망막 모세혈관망으로부터의 것이고 따라서 이들 모델링 목적을 위해 생성되지 않았다. 또한 산소 확산 계수를 문헌으로부터 취하였다. 뮐러 세포의 허혈은 HIF-1α의 안정화를 일으키고, 이어서 이는 이것이 VEGF에 대한 전사 인자로서 작용할 수 있는 핵으로 수송되고, 차례로 VEGF의 생산을 추가로 상향조절한다. 허혈, 또는 저산소증은 ICAM-1의 내피 세포 생산을 유도하는 것으로 알려져 있다. 저산소성 상태 하에, HIF-1α, VEGF, 및 에리트로포이에틴 수준은 모두 내부 망막, 특히 뮐러 세포 핵의 위치인 내핵층의 중앙 영역에서 급속하게 증가한다. HIF-1α가 뮐러 세포에서 방해되는 경우에 백혈구의 증가된 누출 및 부착의 약화뿐만 아니라 감소된 VEGF 및 ICAM이 존재한다. 또한, 뮐러 세포는 당뇨병성의 허혈성 망막에서 생존한다. 모세혈관 폐쇄가 국부 망막 허혈을 일으키고 일부 메카니즘에 의해 물질 (VEGF)의 수준을 추가로 상승시키고 또한 허혈이 물질을 생산하는 세포를 사멸시키는 데 작용하지 않는 단계 3이 널리 지지된다.
단계 4: 국부 면적에서의 물질의 상승된 농도는 근처 모세혈관의 폐쇄의 확률을 증가시키고, 이는 모세혈관 폐쇄의 공간적 전파를 일으킨다.
모델은 모세혈관이 영구적으로 폐쇄되면, 근처 모세혈관 폐쇄의 확률이 증가한다는 것을 가정한다. 이러한 비가역적 모세혈관 폐쇄가 활성화된 백혈구 부착에 의해 개시되면, 뮐러 세포로 구성된 망막의 국부 면적 및 다른 망막 조직은 그의 산소 분압의 강하를 갖는다. 뮐러 세포 내에서 HIF-1α는 안정화되고, 전사 인자로서 핵으로 이동하고, VEGF의 생산을 추가로 증가시킨다. 이 상승된 수준의 VEGF는 모세혈관 내피를 포함한 주위 조직으로 확산되고, 그러한 인접 모세혈관에서 국부 VEGF 및 ICAM-1을 추가로 증가시켜 (단계 2), 폐쇄의 가능성을 증가시킨다. 이러한 과정을 지지하는 증거가 존재한다. 자발적 당뇨병성 원숭이 망막에서, 호중구는 모세혈관 닫힘을 갖는 면적에 인접하여 검출된다. 부착 호중구의 이러한 공간적으로 선택적인 농도는 국부 내피 부착이 상승되어야 한다는 것을 의미하고 국부적으로 상승된 VEGF에 부차적인 국부적으로 상승된 ICAM의 구체적 면역조직학적 증거는 없지만, 이는 합리적이다. 인간 당뇨병성의 이전 연구는 단지 무세포 모세혈관만을 함유하는 비교적 큰 면적 및 이러한 필드의 가장자리에 일반적으로 미세동맥류, 증식된 내피 세포, 및 정맥 벽의 윤곽에서의 요철이 산재한다는 것을 밝혀냈다. 또한 인간에서, 망막 모세혈관 내의 증가된 수의 부착 PMN이 모세혈관 비-관류 또는 변성의 부위에 인접하여 관찰된다. 이 모두는 허혈성 망막 면적에서 생성되고, 확산되어 백혈구 부착을 증가시키는 것에 의한 허혈성 방식, 및 국부 혈관증식성-유형 변화를 유발하는 것에 의한 혈관신생 방식 둘 다로 주위 망막 모세혈관에 영향을 미치는 국부적으로 상승된 VEGF와 일치한다.
가장 적절한 동물 모델은 영장류에서의 자발적 당뇨병의 것이다. 관찰된 가장 초기의 조직학적으로 보고된 변화는 점/반점 출혈, 면화 반점 (면화 반점은 비-관류된 신경 섬유 층 면적임), 및 작은 비-관류된 망막 면적이었다. 종종 작은 망막내 미세혈관 이상 (IRMA)과 연관된 미세동맥류는 ADPase 양성 혈관의 결여에 의해 나타난 비관류의 면적에 인접하여 위치하였다. 모세혈관 상실의 큰 면적은 항상 세동맥 가지치기를 수반하였다. 이러한 관찰은 허혈성 망막병증의 구동자가 작은 허혈 면적의 발생이고, 이는 이어서 국부적으로 전파된다는 가설과 일치한다. 세동맥 가지치기는 혈관 분지가 모세혈관의 상실로 인해 그의 유동을 감소시키고, 이어서 보다 높은 VEGF 수준에 적용됨에 따라 발생할 것이다. 미세동맥류 및 IRMA는 허혈 면적의 가장자리에서 상승된 VEGF의 정규 혈관신생 결과를 나타낸다. 질환 과정에 걸쳐, 큰 허혈 면적이 발생하고, 이는 일반적으로 미세동맥류 및 IRMA가 질환 과정의 후기에 발생한다는 것을 의미한다. 이러한 프레임워크 내에서 큰 망막 혈관은 주위 산소화 존을 생성함으로써 모세혈관 상실의 전파에 대한 장벽으로서 작용할 수 있다. 이는 임상 혈관조영상 및 조직학 둘 다에서 관찰될 수 있다. 유사하게, 원숭이에서의 유도된 또는 자발적 당뇨병에서, 초기 배경 망막병증은 모세혈관 소실 및 IRMA를 특징으로 하였다. 인간에서 통상적으로 경험되는 바와 같은 당뇨병성 망막병증의 임상 징후는 단 원숭이가 또한 고혈압이 아닌 4 내지 13년 동안 자발적 또는 STZ-유발 당뇨병을 갖는 원숭이에서 검출되지 않았다. 망막 허혈의 면적으로부터의 거리의 함수로서의 국부 VEGF 및 ICAM 수준에 대한 기존 데이터가 없지만, 상당히 강한 관찰적 지지가 모세혈관 폐쇄의 공간적 전파인 단계 4와 일치하는 문헌에 존재한다.
동물 모델에서 동물 눈 내로의 VEGF의 주입의 결과 또는 VEGF의 수준의 변동의 결과를 검사하는 여러 유형의 생체내 실험이 존재한다. VEGF는 그의 유리체내 수준이 망막 신생혈관화 및 부종과 고도의 상관관계가 있는 염증유발 분자인 것으로 여겨진다. 마우스에서, 심지어 상승된 글루코스가 없는 광수용체에서의 VEGF 발현의 일시적 증가는 망막 백혈구울혈, 모세혈관 내피 세포 및 혈관주위세포 상실, 및 무세포 모세혈관을 포함한, 당뇨병성 망막병증과 유사한 망막 혈관 변화를 나타내었다. 또한 경구 또는 유리체내 제약 또는 유전자 조작의 범위의 개입이 당뇨병성 망막 혈관 변화의 발생을 예방할 수 있는 동물 당뇨병성 모델이 존재한다. 본 발명자들이 아는 한, 꽤 상이한 경로에 의해 작용하지만, 일부는 VEGF를 변경하지 않는 것은 모두 망막 내피에 대한 백혈구의 부착을 예방하여 망막 모세혈관 폐쇄의 예방을 방지하고 당뇨병성 망막병증의 징후를 약화시킨다. 따라서, 폐쇄 과정은 당뇨병성 망막병증에 필수적인 것으로 보이고 이러한 모델은 모세혈관 폐쇄 확률의 상승이 허혈의 발생 및 전파에 필수적이기 때문에 동일한 방식으로 거동할 것이다. 다수의 흥미로운 결과를 조건부 뮐러 세포 VEGF 녹 아웃 모델 (CVKO)을 사용하여 수득하였다. CVKO 마우스에서의 염증유발 마커의 수준을 STZ 주입 후 2개월에 세포간 부착 분자-1 (ICAM1) 및 종양 괴사 인자-α (TNFα)에 대한 IB 분석에 의해 검사하였다. 대조군에 비해, CVKO 마우스는 ICAM1 및 TNFα의 각각 62.3% 및 52.9% 감소를 보여주었고, DR에서의 망막 염증의 주요 특색인 부착 백혈구의 75.0% 감소를 보여주었다.
당뇨병성 신생혈관화를 갖는 환자에서 발견되는 것과 대등한 수준에서의 VEGF에 대한 망막의 직접 노출은 또한 이러한 가설을 지지한다. 원숭이에서 단안 VEGF 주입후 단 9일만에, 심층 망막총에서의 모세혈관의 관내 부피는 EM 및 광 현미경검사 둘 다에 의해 측정된 바와 같은 모세혈관 내피 세포 비대로 인해 5+배만큼 감소되었다. 이는 뮐러 세포체에 인접한 내핵층의 이들 모세혈관의 우선적 폐쇄를 시사한다. VEGF에 대한 급성 노출은 5배 종창 전에 내강 직경이 단지 약 6 마이크로미터인 이들 모세혈관에서 유동을 예방하기에 충분한 내피 세포 비대를 일으킨다. 연구에서 나타나지 않았지만 모세혈관 폐쇄 및 망막 허혈이 예상될 것이다. 전형적인 연구는 보다 긴 기간에 걸쳐 VEGF 주입을 검사하였다. 연구에서, 동물은 1 내지 26회의 VEGF의 주입을 받았다. 심지어 단일 주입도 대혈관 확장, 비틀림, 및 혈관 누출을 일으켰고, 모든 정규 변화는 상승된 VEGF와 함께 관찰되었다. 1마리의 동물에서 6회의 주입 후 (3일마다 1회), 정맥 비딩은 가시적이고 비-관류의 면적은 중간주변부에 존재하였다. 또 다른 동물에서 4회의 주입 후, 모세혈관 닫힘의 큰 면적이 나타났다. 원판의 신생혈관화가 훨씬 더 후기에 (80일) 나타나고 "일시적으로 무혈관 망막의 광범위한 면적"과 연관된다. 본 발명자들은 이 인용 "이들 데이터는 VEGF가 단독으로 정상압 눈에서 모세혈관 닫힘을 통해 망막 허혈을 촉발할 수 있다는 것을 제시한다. 이러한 활성은 양성 피드백 루프를 개시할 수 있고, VEGF 수준을 추가로 증가시킨다" (Tolentino et al., Opthamology. 1996; 103(11):1820-8)에서 본 발명의 유해 양성 피드백 가설 (어떠한 지리적 의존성 또는 모델링도 없음)을 예상한다. 요약하면, 분자 VEGF는 그의 작용이 종종 다른 분자, 예를 들어 ICAM, 또는 복합 과정, 예를 들어 백혈구울혈 및 모세혈관 폐쇄를 통하더라도, 당뇨병성 모세혈관 폐쇄 과정의 진행의 1개의 분자 모델을 위한 합리적인 후보이다.
모델 고찰
진행성 모세혈관 폐쇄의 사건을 포획하기 위해, 상기 언급된 해부학적 특색의 정량적 모델을 컴퓨셀3D에서 구현하였다. 도 12에 도시된 바와 같이, 혈관주위 중심와의 AOSLO 스캔으로 시작하여, 연결 모세혈관을 갖는 세동맥에서 세정맥으로의 완전 혈관 모델이 산소 이류, 산소 확산, 및 산소 소비와 함께 포함된다. 도 12를 참조하면, 우측의 AOSLO 이미지는 중심와 무혈관 존 (FAZ)에 인접한 중심와근접 모세혈관을 보여준다. 이는 당뇨병을 갖지 않는 환자의 정상 모세혈관 맵이다. 좌측의 모델 개략도는 AOSLO 이미지에 프레임화된 모세혈관망의 재구성을 보여주며, 세포가 혈관 사이 빈 공간에 균일하게 충전된다. 모세혈관망은 표시된 세동맥 (A) 및 세정맥 (V) 말단을 갖는다. 경계 혈압은 A 및 V 말단에 대해 배정된다. 경계 산소 분압은 A 말단 및 FAZ에 대해 배정되는 한편, 정맥 산소 분압은 모델 의존성이다. 적색, 녹색, 갈색의 모델 대상은 각각 모세혈관 차단 (CAP), 뮐러 세포 (MC) 및 다른 망막 세포 (OT)이다. 대상을 둘러싼 황색 픽셀은 명세서의 다른 도면에서 약화되는 대상 경계이다. 본 실시예가 사례 1에 제시된 것과 상이한 대상체로부터의 황반 모세혈관망을 제시한다는 것에 유의한다. 이 ASOLO 이미지에서의 FAZ의 직경은 대략 500 마이크로미터이다. 축척 막대는 100 마이크로미터이다.
본 실시예는 뮐러 세포를 VEGF의 유일한 망막 공급원으로서 취급하여 당뇨병성 망막의 개념적으로 단순한 모델을 개발하고 정상 망막에서의 것보다 더 높은 당뇨병성 망막에서의 뮐러 세포에 의한 VEGF 생산의 약간의 상승을 가정한다. 생리학상, VEGF는 망막에서 필요 신경영양 인자이고 정상적으로 낮은 수준으로 존재한다. 본 발명의 모델에서, VEGF는 산소 포화에 기초하여 가변량으로 뮐러 세포에 의해 국부적으로 생산된다. VEGF는 뮐러 세포로부터 확산되고 내피 세포를 포함한 세포에 의해 소비되지만, 이류에 의해 멀리 수송되지는 않는다. 모델 혈관은 국부 VEGF의 상승에 의한 폐쇄의 증가된 확률 및 또한 국부 VEGF가 역치 수준을 초과하는 경우에 누출에 의해 국부 VEGF 수준에 반응하는 내피 세포를 갖는다. 모델은 다수회 사이클링되고, 모세혈관 폐쇄가 발생한 경우, 모든 유량, 정상 상태 산소 분압 및 VEGF 수준이 재계산된다.
모델의 폐쇄 처리는 0으로의 모세혈관 직경의 비가역적 감소이다. 중요한 가정은 모세혈관의 폐쇄가 국부 허혈성 뮐러 세포에 의한 VEGF 합성의 생성된 상승에 따라 생리학상 의존성인 망막의 면적의 허혈을 일으킬 것이라는 점에서 망막의 각각의 면적으로의 혈관 공급이 결정적이라는 것이다. 이것이 입증되었는지는 알려져 있지 않지만, 시각 장치에 대한 진화에 의해 부과된 제약은 이 가정을 합리적으로 만든다. "세포 영양과 광학 투명도 사이의 균형이 달성될 수 있기 위해 망막 모세혈관망이 형태측정적으로 적합화되는 것이 가능성이 있다" (Chan et al., Investigative Opthalmology & Visual Science. 2012;53(9):5502-14). 그러나, 해부학적으로 관찰되는 모세혈관 간격의 변동으로, 망막의 모든 면적이 단일 공급 모세혈관에 대해 동일한 의존성을 갖지 않을 것이라는 것에 유의한다. 실제 모세혈관 해부학적 구조에 기초한 망에서, 상이한 면적의 망막은 국부 모세혈관 밀도의 변동의 결과로서 다소 결정적일 수 있다. 따라서, 유해 피드백 메카니즘에 의한 보다 많거나 또는 보다 적은 모세혈관 닫힘의 전파가 존재할 것이다. 작은 모세혈관 직경 조정이 또한 예를 들어 각각의 모세혈관 폐쇄 후 증가된 유동에 의해 약간 증가하는 직경을 발생시킬 수 있다. 다양한 모델 시점에서의 맵이 모세혈관망 구조, 유동, 산소 분압, VEGF, 및 망막 부종으로 구성된다. 이들은 출력 측정값일 뿐만 아니라 시스템 예컨대 무손상 모세혈관으로부터의 총 유동 및 평균 거리의 요약 그래프이다.
모델 모세혈관 폐쇄는 국부 VEGF 수준 및 모세혈관 분절의 계산된 유동에 기초하여 항상 확률론적이다. 도입된 결실을 갖는 생리학상 가능성이 없는 육방 모세혈관망, 생리학상 현실적인 주변 망막 '사다리' 모세혈관, 및 대상체의 적응 광학 스캐닝 레이저 검안경검사 (AOSLO) 영상화로부터 수득된 실제 중심와주위 동정맥 섹터 모세혈관 맵을 포함한 여러 유형의 모세혈관망이 이용되었다. 육방 맵을 사용하여 육각형의 규모를 변경함으로써 모세혈관에 의존성인 조직의 양에 대한 모세혈관 폐쇄 진행의 의존성을 탐구하였다. 황반 및 주변 망막 둘 다는 임상적으로 중요하며, 황반 면적은 허혈뿐만 아니라 시력에 영향을 미치는 황반 부종의 위치이고, 주변부는 허혈 및 망막 신생혈관화를 일으키는 생성된 VEGF 생산의 주요 공급원이다.
본 실시예는 AOSLO 영상화로부터의 중심와주위 모세혈관망의 섹터 (사례 1)를 주로 다루고 혈관 분절 사이의 개방 공간을 해부학적으로 합리적인 크기의 세포로 채웠다 (표 1-3). 모세혈관 직경을 AOSLO 이미지에 기초하여 추정하였다. 모델 입력 예컨대 말단 유체정역학적 압력 및 세동맥 혈액 산소 분압을 공개된 결과로부터 추정하였다 (표 1-3). 혈관 유동, 산소 및 VEGF 플럭스를 계산하고 생성된 조직 산소 분압 및 VEGF 수준을 모델에서 결정하였다. 다수 (362)의 반복 실행은 개별 모세혈관 폐쇄의 모델의 확률론적 속성을 고려하여 별개의 모세혈관의 취약성을 평가하기 위해 대상체의 모세혈관망으로 구성된다. 하기 모델 섹션의 상세한 설명은 본 발명의 모델의 수학적 설명, 파라미터 선택 및 영향 및 경계 및 초기 상태를 상술한다.
표 1. 모델 파라미터 - 모듈 파라미터
표 2. 모델 파라미터 - 기하학적 파라미터
표 3. 모델 파라미터 - 시간 파라미터
많은 모델이 다양한 조직: 골격근, 뇌, 혈관 종양, 및 망막에서 혈관계의 계면에서의 문제를 연구하기 위해 구축되었다. 문헌 [Shirinifard et al. (PLoS Comput. Biol. 2012;8(5):e1002440)]은 연령-관련 황반 변성의 진행의 3가지 패턴을 성공적으로 재현하는 데 3D 다중-세포 모델을 사용하였고 부착에서의 결함이 맥락막 신생혈관화의 개시 및 발생에 대한 우세한 기여인자라는 것을 시사하였다. 문헌 [Cringle et al. (Comp. Biochem. Physiol. A Mol. Integr. Physiol. 2002; 132(1):61-6; and Investigative Ophthalmology & Visual Science. 2002; 43(6):1922-7.)]은 망막을 다중 충으로 분할하고 수학적 모델을 사용하여 각각의 층에서의 산소 분압을 그러한 층에서의 산소 소비율 및 맥락막 모세혈관에서의 산소 수준의 관점에서 계산하였다. 문헌 [McDougall et al. (Bull Math Biol. 2012; 74(10):2272-314)]은 하이브리드 이산-연속 수학적 모델을 사용하여 정상 망막 발생 동안 혈관신생을 연구하고 발생의 상이한 단계에서의 전조직 망막 혈관계와 일치하는 망막 혈관총의 구조를 계산적으로 시뮬레이션하였다. 본 발명의 모델은 상이한 병리생리학적 문제: 모세혈관 폐쇄의 전파의 국부 VEGF-의존성 메카니즘에 기초한 당뇨병성 망막병증에서의 허혈 및 부종의 진행을 다룬다. 본 발명의 연구와 달리, 문헌 [Gandica et al. (PLoS One. 2014; 9(11):e113165)]은 당뇨병성 망막병증의 출현에 대한 망막 혈관계의 국재화된 차단의 임계 크기 및 밀도의 효과를 연구하는 망막 허혈의 컴퓨터 모델을 개발하였다. 문헌 [Gandica et al.] 모델에서, 가정컨대 단백질 예컨대 안지오포이에틴-2를 탈안정화시킴으로써 유발되는 다양한 크기의 혈관의 국부 차단은 관심 영역에 무작위로 분포되었고 유래된 저산소증의 면적은 당뇨병성 망막병증의 잠재적 표현형의 지시자로서 간주되어 검사되었다. 그들의 연구에서의 중요한 결론은 특징적인 관류 길이보다 더 작은 크기를 갖는 국부 차단은, 그의 밀도가 임계 역치를 초과하는 경우에, 협력 효과 때문에 큰 저산소성 면적을 생성할 가능성이 있다는 것이다. 모델의 제한은, 저자가 또한 언급한 바와 같이, 산소 수송의 단순화된 고찰이다.
망막 모세혈관망의 구체적 기하구조가 존중되었다는 것을 보장하기 위해, 실제 대상체 영상화 또는 문헌의 주변 망막 모세혈관망으로부터의 혈관망이 사용되었고, 이러한 모델링 목적을 위해 생성되지 않았다. 또한, 산소 확산 계수를 문헌으로부터 취하였다.
모델 설명
본 연구는 계산 모델을 사용하여 망막 세포의 국부 산소화 감소, 생성된 VEGF의 상승, 및 모세혈관 폐쇄의 전파 및 부종의 형성의 관점에서의 결과에 대한 초점성 모세혈관 폐쇄의 효과를 연구하였다. 이 모세혈관망의 해부학적 구조는 AOSLO를 사용하여 정상 환자로부터 결정되었다 (도 12). 이 망은 세동맥 및 세정맥을 연결하는 모세혈관, 하나의 가장자리 상의 중심와 무혈관성 존 및 다른 하나의 경계 상의 망막 조직을 갖는 동정맥 섹터이다. 망은 계산적으로 재구축되었고, 시뮬레이션은 경계 혈압 및 동맥 및 FAZ 산소 분압으로 초기화되었다 (도 12). 주요 진입 동맥 결절 및 진출 정맥 결절은 각각 혈압 
및 
로 배정된다. 이들 압력은 당뇨병성 상태에 의존할 것으로 예상되지 않을 것이고 고정된 채로 유지된다. 다른 경계 결절은 중간 값의 혈압으로 배정된다 (하기 모델의 상세한 설명 섹션에 기재된 시뮬레이션의 경계 조건 및 초기 상태 참조). FAZ 영역은 맥락막 모세혈관에 의해 공급되는 산소 공급원으로서 취급된다. 진출 정맥 산소 분압은 모델 의존성이지만 진입 동맥 결절 및 FAZ 영역은 산소 분압 
및 
로 배정된다. 유입 혈류를 갖는 다른 경계 결절은 더 작은 값의 산소 분압으로 배정된다. 뮐러 세포에서의 저산소증-유발된 VEGF의 상승된 분비는 당뇨병성 망막병증에서 일어나는 것으로 알려져 있다. FAZ 영역은 VEGF의 싱크(sink)로서 취급된다. 산소화 및 국부 VEGF 수준은 초점성 모세혈관 폐쇄 후 이 망막 섹터 내에 모델링되었다. 모델링된 모세혈관망의 섹터 내에서, 동맥 측은 산소-풍부 혈액을 받는 반면, 정맥 말단으로부터 더 낮은 산소 분압을 갖는 혈액을 운반해간다. 산소는 모세혈관에서 조직 공간으로 확산하며, 여기서 산소는 망막 세포에 의해 소비되고 대사된다. 국부 망막 조직의 저산소증은 국부 모세혈관 분절 폐쇄에 의해 유도되고, 저산소증의 수준에 의존성인 국부 VEGF의 생산은 허혈성 뮐러 세포에서 상향조절된다. 뮐러 세포에 의해 방출되는 VEGF는 다른 근처 개존성 모세혈관 분절로 확산하며, 이는 확률론적으로 근본적이고 가시적으로 모델링되지 않는 ICAM 상향조절에 기초한 더 많은 폐쇄 및 백혈구울혈의 증가된 확률을 유발한다. 산소 및 VEGF 플럭스의 개략도는 도 13에 도시된다.
도 13을 참조하면, 채색된 블록은 모델 대상을 나타낸다: 모세혈관 블록 (CAP, 적색), 유체 부분 (FP, 청색), 뮐러 세포 (MC, 녹색) 및 다른 망막 세포 (OT, 갈색). 화살표, 삼각형 및 정사각형 형태의 마커는 모델링된 플럭스를 나타내는 데 사용된다. 이류, 확산 및 대사를 포함한 산소 플럭스가 좌측에 위치한다. 산소 이류는 대상 CB에 대해 모델링된다. 산소 확산은 CAP, MC, OT 및 FP 중에서 대상 쌍에 대해 모델링된다. 산소 대사는 대상 MC 및 OT에 대해서만 모델링된다. 합성, 확산 및 붕괴를 포함한 VEGF 플럭스가 우측에 위치한다. VEGF 합성은 모델의 유일한 VEGF 공급원으로서 다시 대상 MC에 대해 모델링된다. VEGF 확산은 CAP, MC, OT 및 FP 중에서 대상 쌍에 대해 모델링된다. VEGF 붕괴는 대상 CAP, MC, OT 및 FP에 대해 모델링된다. 모델 대상의 배열은 시뮬레이션에서 구축된 상세한 구성을 반드시 반영하지는 않는다.
모델 대상 및 과정
기재된 계산 모델은 4가지 일반화된 모델 세포 유형으로 이루어진다: 모세혈관 블록 (CAP), 유체 부분 (FP), 뮐러 세포 (MC) 및 다른 망막 세포 (OT). 모델에서의 이들 4가지 일반화된 세포 유형과 함께, 컨베이어-벨트 블록, CB로 불리는 또 다른 모델 대상이 존재하며, 이는 모세혈관 블록과 회합되고 산소 이류의 모델링을 위해 도입된 대상이다. 5개의 모델 대상에 더하여, 2가지 화학적 필드가 모델에 존재한다: 산소 및 VEGF. 모델링된 과정은 산소 운반 혈액의 이류, 산소의 확산 및 대사, 및 VEGF의 합성, 확산 및 붕괴를 포함한다. 하기 모델의 상세한 설명 섹션에서 상술되고 표 4에 요약된 바와 같이, 모델 대상은 하기 특성을 갖고 다양한 망막 세포를 대표한다:
CAP는 모세혈관 분절의 구조적 요소이다. CAP는 기능적으로 내피 및 모세혈관 내강 내의 혈액을 갖는 모세혈관 분절을 나타낸다. CAP는 산소 확산 및 VEGF 확산 및 붕괴의 모듈에 관련된다. CAP는 3가지 상태를 갖는다: "정상", "누출성" 및 "폐쇄". "정상" CAP는 국부 VEGF 수준이 역치 값보다 더 크면 "누출성" 상태로 전이할 수 있다. "정상" 및 "누출성" CAP 둘 다는, 확률이 상승된 VEGF 수준에 의해 올라가고 상승된 혈류 속도에 의해 낮아지는 폐쇄 조건이 충족되면 (표 5) "폐쇄" 상태로 전이할 수 있다. 하나의 CAP가 "폐쇄"되면, 결절에서 결절까지의 그 모세혈관 분절의 유동은 0으로 설정된다. 또한, "폐쇄"는 CAP에 대해 영구적 또는 비가역적 상태이다. (모세혈관 폐쇄에 대한 보다 상세한 사항은 하기 모델의 상세한 설명 섹션에 있음);
FP는 망막 내의 유체의 낭포성 면적인, 망막 부종의 구조적 요소이고 그의 증분 부피를 나타낸다. FP는 그것이 누출성 상태에 있는 동안 CAP로부터 누출된 유체를 나타낸다. FP는 주위 대상에 의해 잘 포획된 "세포"-유사 대상으로서 모델링된다. FP는 산소 확산 및 VEGF 확산 및 붕괴의 모듈에 관련된다. (부종 형성에 대한 보다 상세한 사항은 하기 모델의 상세한 설명 섹션에 있음);
MC는 산소 확산 및 대사 및 VEGF 합성, 확산 및 붕괴의 모듈에 관련된다. MC는 2가지 상태를 갖는다: "정상" 및 "저산소성". "정상" MC는 오직 세포 산소 분압이 역치 값 미만일 경우에, VEGF를 합성하는 "저산소성" 상태로 가역적으로 전이할 수 있다. 당뇨병성 망막에서는 다수의 다른 세포가 적어도 약간의 VEGF 합성 능력을 갖지만, 모델에서는 "저산소성" MC만이 VEGF를 합성하는 능력을 갖는다;
OT는 뮐러 세포 이외의 다른 모든 망막 세포, 즉, 성상세포 및 소교세포를 포함하나 맥락막모세혈관으로부터 산소를 공급받는 광수용체를 제외한 신경 망막을 광범위하게 포함한다. OT는 산소 확산 및 대사 및 VEGF 확산 및 붕괴의 모듈에 관련된다; 그리고
CB는 선형 파이프를 따라 산소를 "운반"하도록 모델 내에 생성된 기능적 요소이고, 따라서 CB 또는 컨베이어 벨트는 망막 구조에 상응하는 해부학적 요소는 아니지만, 수학적으로 편리한 산소 이류 모델링을 가능하게 하는 모델 장치이다. CB는 산소 이류의 모듈에 관련된다. 각각의 CB는 "호스트" CAP와 회합되며, 이는 통상적으로 하나 초과의 CB를 함유한다. 모든 모세혈관 분절 상에서의 CAP의 크기가 고정되고 사전-규정되어 있는 것과 대조적으로, CB의 크기는 그의 호스트 모세혈관 분절 상의 혈류 속도에 비례한다.
표 4. 모델 대상의 특성 및 거동
표 5. 모델 대상의 상태 전이
산소 이류를 모델링하기 위해, 각각의 모세혈관 분절을 동일 크기 CB의 1 차원 연속물로 분리시켰고, 주어진 CB 내의 산소 부피를 CB에 연결된 그의 다음 하류로 이동시키는 "운반" 작용을 사용하여 산소 이류를 시뮬레이션한다 (도 14). 도 14를 참조하면, CAP의 크기는 시뮬레이션 전반에 걸쳐 고정되므로, 각각의 모세혈관 분절은 고정된 수의 CAP를 갖는다. 대조적으로, CB의 크기는 항상 모세혈관 분절 상의 유속에 비례하므로, 개존성 모세혈관 분절 상의 유속 및 그에 따른 CB의 수는, 다른 곳에서의 폐쇄 후에 망에서의 유동이 변화된 망 저항성 구조로 조정되면서 달라질 수 있다. 각각의 이류의 시간 단계 동안, CB는 그의 산소 부피를 다음 CB로 넘겨 준다. 중요하게는, CB의 크기는 호스트 모세혈관 분절의 유속에 이류의 시간 단계를 곱한 것과 동등하며, 이는 하나의 CB로부터 다음으로의 산소의 "운반" 속도가 그 모세혈관 분절에서의 유속과 정확하게 등가인 것을 의미한다. 합류하는 접합부에서, 상류 모세혈관 분절은 산소 부피를 그들의 마지막 CB에 부가하고, 전체를 하류 모세혈관 분절의 제1 CB로 넘겨 준다. 갈라지는 접합부에서, 모 모세혈관 분절은 그의 마지막 CB에서의 산소 부피를 혈류 부피의 보존에 따라 딸 분절의 제1 CB 내로 분배한다. 수학적 설명은 모델의 상세한 설명 섹션에서 방정식 (9)-(11)로서 상술되었다. 각각의 CB는 호스트 CAP와 회합되거나 또는 이에 맵핑된다. (CB를 수반하는) 이류 및 (CAP를 수반하는) 확산의 모듈은 호스트 CAP와 그의 회합된 CB 사이의 산소 부피를 전환시키는 과정으로 연결된다. (도 15 참조).
CB의 크기는 이류에 대한 유속 및 시간 단계 둘 다에 비례한다. 접합부에서 합류하는 경우에, 선행자 모세혈관 분절의 마지막 CB의 총 산소 부피는 후계자 모세혈관 분절의 제1 CB로 운반된다 (도 14). 접합부에서 갈라지는 경우에, 혈류의 보존이 모 모세혈관 분절의 마지막 CB에서의 산소 부피를 딸 모세혈관 분절의 제1 CB로 적절하게 분배하도록 강제된다 (도 14). 수학적 설명은 하기 모델의 상세한 설명 섹션에서 방정식 (9)-(11)로서 상술되었다. 산소 이류의 컨베이어-벨트 모델의 이점은 CAP 내 CB의 수를 산소 확산의 간섭 없이 조정하는 융통성이다. 폐쇄가 발생하는 경우에, 유속이 모세혈관망 상에서 변화하고 따라서 CAP 상의 CB의 크기 및 수가 또한 변화한다. 이는 산소 이류를 위한 분리를 변경하지만, 산소 확산의 모듈은 영향을 받지 않은 채로 유지된다. CB를 CAP와 회합시키는 단순한 규칙이 이어진다: CB는 CB의 중심이 CAP의 부피에 의해 둘러싸이는 경우에 CAP와 회합된다. 이어서, 이류 및 확산의 모듈을 연결하는 데 하기 처리 순서가 사용된다: (1) 시간 단계 t0에서 각각의 모세혈관 분절 상의 CB에서의 산소 이류; (2) 시간 단계 t0에서 확산 직전에 CB-수준에서 CAP-수준으로 산소 부피의 전환; (3) 시간 단계 t0에서 CAP 및 그의 주위 대상을 수반한 산소 확산; (4) 시간 단계 (t0 + Δtf)에서 이류 직전에 CAP-수준에서 CB-수준으로 산소 부피의 전환 (도 15). 산소 이류의 CB 모델에 대한 보다 상세한 사항은 하기 모델의 상세한 설명 섹션에 있다.
도 15를 참조하면, 각각의 시간 단계 동안, 이류의 시뮬레이션은 확산을 포함한 다른 과정의 시뮬레이션에 선행한다. (산소 함유 혈액을 전달하는 CB를 수반하는) 이류 후 및 (CAP를 수반하는) 확산 전에, CAP는 항상 모든 그의 회합된 CB 내의 산소 부피를 합산하고, 그의 확산-전 산소 부피를 업데이트한다. 확산의 시뮬레이션은 그것의 확산-후 산소 부피를 갖도록 CAP를 업데이트한다. 확산 후 및 다음 시간 단계에서의 이류 전에, 회합된 CB는 확산 동안 CAP가 얻거나 상실하는 것과 동일한 산소 부피의 상대 변화, 즉, 확산-전 값에서 확산-후 값으로의 퍼센트 변화를 가져야 한다. 이는 산소의 보존을 수학적으로 인정한다. 3개의 연속적 시간 단계가 실시예에 제시된다. 이 예시를 위한 본원의 미경험(naive) 가정은 제1 CB는 항상 상류로부터 1 단위 산소 부피를 받는다는 것이다 (도시되지 않음). 이 예시를 위해 만들어진 또 다른 단순화는 오직 CAP (적색으로 제시됨) 및 근처 OT (담갈색으로 제시됨) 사이의 확산만이 고려된다는 것이다. 실제 모델에서는 OT-OT 확산이 또한 취급된다. 특정 단계에서, 볼드체 숫자는 변화되거나 업데이트된 값을 나타내는 것에 유의한다. t 0 에서 t 0 + Δt까지의 제1 시간 단계 동안, 제2 CAP 및 그의 회합된 CB는 여전히 0의 산소 부피를 갖는 반면, 제1 CAP 및 회합된 CB는 하기를 겪는다 (1) 1 단위 산소 부피를 제1 CB로 넘겨주는 이류의 과정, 반면 CAP는 수반되지 않음; (2) CAP의 확산-전 산소 부피를 1 (그의 첫 번째 회합된 CB) 및 0 (그의 두 번째 회합된 CB)을 더함으로써 업데이트하는 중간 단계; (3) 접촉 중인 OT로 0.2를 전달하는 확산의 과정 (본 실시예에서 편의상 가정된 양, 다시 OT-OT 확산은 본 실시예에서 무시됨), CAP의 확산-후 산소 부피는 0.8이 되는 반면, CB는 수반되지 않음; (4) 0.2/1 = 20% (확산됨/확산-전)를 감산함으로써 CAP의 회합된 CB의 산소 부피를 업데이트하는 기간의 최종 단계, 이에 따라 제1 CB는 이제 0.8 산소 부피를 가짐. t 0 + Δt에서 t 0 + 2Δt까지의 제2 시간 단계 동안, 유사한 구두 "시뮬레이션"을 겪는다. (1) 이류의 과정은 또 다른 1 산소 부피가 제1 CB로 넘겨지고, 이전에 제1 CB에 의해 보유된 0.8은 제2 CB로 넘겨지는 것과 같이 진행된다; (2) 중간 단계는 제1 CAP에 1 및 0.8을 더하고, 여전히 제2 CAP에는 더하지 않았다; (3) 확산의 과정은 제1 CAP의 산소 부피를 1.44로 업데이트하고, 0.36은 확산되었다; (4) 최종 단계는 호스트 CAP의 2개 CB 둘 다에서의 산소 부피를 다시 확산된 분획 0.36/1.8 = 20%를 감산함으로써, 업데이트한다. t 0 + 2Δt에서 t 0 + 3Δt까지의 제3 시간 단계 동안, 이류는 이제 이전에 제2 CB에 의해 보유된 산소 부피 0.64를 제2 CAP와 회합된 제3 CB 내로 넘겨준다. 중간 단계는 CAP 둘 다를 그의 회합된 CB에서의 산소 부피를 합산함으로써 업데이트한다. 확산의 과정은 이제 CAP 둘 다의 산소 부피를 제1 CAP 및 제2 CAP를 각각 0.36/1.8 = 20% 및 0.1/0.64 = 15.625% 확산하여 변화시킨다. 최종 단계는 산소 부피를 그의 회합된 CB의 것으로부터 퍼센트 변화로 감산한다.
화학적 필드의 확산을 모델링하기 위해, 각각의 일반화된 세포는 균일한 세포내 화학적 농도를 갖고 확산은 이웃하는 세포 쌍 사이의 계면에서 발생하는 것으로 가정되었다. 산소의 대사 및 VEGF의 합성 및 붕괴는 세포내 과정으로써 모델링된다 (도 13). 확산에 관해서, 일반화된 세포 사이의 산소 또는 VEGF의 교환 비율은 세포내 농도 구배 및 세포간 접촉 표면적에 비례한다. 산소의 대사는 미카엘리스-멘톤(Michaelis-Menton) 동역학을 따르며, 이는 상이한 세포내 산소 분압을 고려한 산소 소비의 가변성을 가정한다. 저산소성 MC에서의 VEGF의 합성은 세포내 산소 분압 및 VEGF 수준에 의존한다. VEGF의 붕괴는 1차 동역학을 사용하여 모델링된다. FAZ 영역은 산소 공급원 및 VEGF 싱크 둘 다로서 취급된다. 산소 및 VEGF 플럭스에 대한 상세한 사항은 하기 모델의 상세한 설명 섹션에서 찾아볼 수 있다.
모델 작업흐름
본 발명의 시뮬레이션은 3개의 별개의 시간 간격을 수반한다: 산소 및 VEGF 플럭스에 대한 통합 시간 단계, Δt f ; 부종 형성을 체크하기 위한 시간 간격, Δt e ; 및 폐쇄를 체크하기 위한 시간 간격, Δt o . Δt f 는 플럭스의 미분 방정식이 적절하게 통합되도록 선택된다. 대조적으로, Δt e 및 Δt o 는 새로 유발된 폐쇄 후 산소 및 VEGF 정상 상태의 빠른 확립 (수초)에 비해, 가능한 부종 형성 및 모세혈관 폐쇄가 유의하게 더 느린 페이스 (수개월 내지 수년)로 일어나도록 선택된다. Δt f = 0.002초, Δt e = 7일, Δt o = 28일을 갖는 모델 작업흐름이 도 16에 제시된다. 산소 및 VEGF 정상 상태에 대한 시간은 기본적으로 물리학에 의해 지시되는 반면, 모델이 임상 질환의 진행에 개략적으로 따라서 진행하도록 부종 및 모세혈관 폐쇄에 대한 다른 더 긴 시간이 선택된다.
도 16을 참조하면, 시뮬레이션은 구성요소 세포뿐만 아니라 원래 모세혈관망 위상 및 구조의 입력으로 초기화된다. 유속의 계산 및 산소 및 VEGF 플럭스의 시뮬레이션이 다음에 발생한다. 각각의 모델 주에서 모델은 모세혈관 누출을 다루고 각각의 모델 월에서 모세혈관 폐쇄가 평가된다. (1) 새로운 폐쇄가 발생하지 않는 경우, 모델은 폐쇄가 발생할 때까지 또는 사전-배정된 시뮬레이션 시간 (본 발명자들의 일시적 전환율로 3년)에 도달할 때까지 부종 형성 및 모세혈관 폐쇄를 체크하는 것을 단순히 반복한다. (2) 새로운 폐쇄가 발생하면, 망 위상은 변화하고 그의 구조는 유동을 비가역적으로 폐쇄된 모세혈관에서 제거하도록 적합화되고, 이전 단계의 새로운 반복이 이어진다. 더 효과적인 유동 경로가 존재하지 않아서 유속 계산이 무효화되거나, 또는 사전-배정된 시뮬레이션 시간에 도달하는 경우에 과정이 정지한다.
1. 망 해부학적 구조의 입력.
시뮬레이션은 모세혈관망 및 세포의 입력으로 시작한다. 모세혈관망의 구조 및 위상 정보 둘 다가 요구된다. 본 발명의 모델에서, 초기 구조 및 위상 정보는 AOSLO 영상화에 의해 수득된 실험적 이미지의 디지털화에 의해 결정된다. 모세혈관의 직경 (d cap 는 AOSLO 이미지의 측정에 기초하여 5 μm의 평균 값 및 0.5 μm의 표준 편차를 갖는 가우스 분포를 따르는 것으로 추정되었고, 말단 세정맥 및 세동맥은 10 μm 이하의 더 큰 직경을 갖는 것으로 측정되었다. 이 구조 정보는 결절 및 가장자리의 위상 정보와 함께, 모세혈관망을 재구축하기 위해 컴퓨셀3D로 판독된다. 다음으로, 뮐러 세포, MC는 모세혈관망을 둘러싼 개방 공간 내로 균일하게 조직되었다. 이는 대략 해부학상 크기이다. MC에 의해 점유되지 않은 공간은 다른 조직 (OT)이 된다. 보다 상세한 사항은 하기 모델의 상세한 설명 섹션의 시뮬레이션의 경계 조건 및 초기 상태에 있다.
2. 유속의 계산.
혈류 방향 및 속도는 시뮬레이션을 통해 주어지고 고정된 경계 결절에서의 유체정역학적 압력과 함께, 포아젤 방정식을 사용하여 결정되었다. 경계 결절은 동맥 주입구 및 정맥 배출구를 포함한, 관심 영역 밖의 모세혈관망으로 확장하는 모든 것들을 지칭한다. 보다 상세한 사항은 하기 모델의 상세한 설명 섹션의 망 유동에 있다.
3. 산소 플럭스의 시뮬레이션.
산소 이류, 확산 및 소비의 시뮬레이션은 동일한 통합 시간 단계 Δt f 를 공유하는 3개의 개별 서브-모듈로 나뉘어진다. 모델의 중요한 특색은, 이류는 CB 수준에서 시뮬레이션되는 반면, 확산 및 소비는 각각 세포내 및 세포 수준에서 시뮬레이션된다는 것이다. 따라서, 실제 이류 시뮬레이션 전에, 현재 CAP-수준 산소 부피를 판독하여 CB-수준 산소 부피를 업데이트하는 과정이 필요하다. CB에 의한 이류의 시뮬레이션 후 및 산소의 확산 및 소비의 시뮬레이션 전에, CB-수준 산소 부피를 CAP-수준 산소 부피로 전환시키는 과정이 필요하다. 산소 플럭스의 시뮬레이션은 모든 모델 대상이 산소 분압의 정상 상태에 도달할 때까지 실행된다. 보다 상세한 사항은 하기 모델의 상세한 설명 섹션의 산소 플럭스에 있다.
4. VEGF 플럭스의 시뮬레이션
VEGF 합성, 확산 및 붕괴의 시뮬레이션은 산소 플럭스와 동일한 통합 시간 Δt f 를 공유하는 개별 서브-모듈로 나뉘어진다. 이 모듈은 산소 플럭스의 시뮬레이션 직후에 이어진다. VEGF 플럭스의 시뮬레이션은 모든 모델 대상이 VEGF 수준의 정상 상태에 도달할 때까지 실행된다. 보다 상세한 사항은 하기 모델의 상세한 설명 섹션의 VEGF 플럭스에 있다.
5. 부종의 형성.
Δt o 의 기간마다, 모든 CAP 대상에 대해 부종 형성을 위한 조건이 체크된다. CAP에서의 국부 VEGF 수준이 사전-규정된 역치를 초과하면, 부종은 CAP 근처에 형성된다. 부종은 초-역치 VEGF의 요건이 충족되는 한, 즉, Δt o 가 "누출성" 상태로 유지되는 한 Δt o 마다 생성되는 슈도 세포 FP로서 모델링된다. 슈도 세포의 유체 부분은 시스템의 바닥부에서 제거되며, 이는 과량의 유체를 제거하는 망막 색소 상피의 기능을 나타낸다. 보다 상세한 사항은 하기 모델의 상세한 설명 섹션의 부종 형성에 있다.
6. 모세혈관 폐쇄의 확률론적 의존성.
Δt e 의 기간마다, 모세혈관 폐쇄를 결정하기 위한 확률 함수가 모든 CAP 대상에 대해 체크된다. CAP의 세포내 VEGF 수준 및 모세혈관 분절의 혈류 속도에 의존하는 요건이 충족되면, CAP는 "폐쇄" 상태로 바뀌고, 동일한 모세혈관 분절에 속하는 모든 CAP도 그렇게 된다. 결과적으로, 모세혈관 분절은 무한한 유동 저항을 획득하고 (모델에서, 매우 작은 수가 이제 분절의 직경으로 배정됨), 효과적으로 폐쇄된다. 보다 상세한 사항은 하기 모델의 상세한 설명 섹션의 모세혈관 폐쇄에 있다. 이는 백혈구에 의한 모세혈관 폐쇄 과정의 모델의 표현이다. 높은 유동은 기계적으로 백혈구가 이를 모세혈관 아래로 누르는 더 큰 압력을 경험하고 있기 때문에 백혈구의 부착을 덜 가능성이 있게 만들 것으로 가정된다. VEGF의 수준에 대한 의존성은 국부 VEGF에 대한 국부 ICAM 수준의 의존성을 포괄하고, 보다 높은 VEGF 수준은 보다 높은 ICAM 수준 및 증가된 백혈구 부착을 제공한다.
7. 새로운 모세혈관 폐쇄의 발생 또는 부재 시.
폐쇄가 발생하는 경우에, 망 위상이 변화하고 모세혈관 직경이 혈류역학 및 대사 자극에 반응하여 약간 적합화된다. 단계 (2)-(6)는 시뮬레이션의 종료 시까지 또는 모든 개존성 모세혈관 유동 경로가 더 이상 존재하지 않을 때까지 반복된다. 폐쇄가 발생하지 않는 경우에, 단계 (5)-(6)는 새로운 폐쇄가 발생할 때까지 또는 시뮬레이션의 종료 시까지 반복된다.
모델 출력
모세혈관 폐쇄
모델은 도 17A에 제시된 세포-혈관 구성으로 시작한다. 도 17A는 모세혈관망을 수반하는 2D XY 단면을 도시하고, 뮐러 세포 (녹색) 및 다른 망막 세포 (갈색)는 모세혈관 블록 (적색)으로 구성된 모세혈관 분절 사이에 균일하게 초기화된다. 도 17A의 3D 영상은 초기화 동안 시뮬레이션된 섹션을 도시한다 (완전히 초기화된 3D 구성에서, 모세혈관망은 MC 및 OT 세포에 의해 커버되고 시각적으로 접근불가능함). 시뮬레이션된 망막 섹션의 치수는 510μm x 600μm x 50μm이다. 시각적으로 모세혈관망의 폐쇄를 추적하기 위해, 혈류 경로가 각각의 시점에서 색상 맵을 사용하여 제시된다 (도 17B). 유속 맵은 주요 세동맥 입구 (도 17B에서 하단 우측), 주 세정맥 출구 (상단 우측), 관심 영역 외부로 확장하는 측부 수송, 및 상호 연결된 경로를 포함한다. FAZ에 더 근접한 모세혈관은 (도면에서 좌측) 상대적으로 더 작은 속도로 혈류를 운반한다. 속도에 대한 단위는 μm/s이다. 추가적으로 모델은 평균 최소 세포-혈관 거리 d min 를 계산하며, 이는 시스템 출력으로서 뮐러 세포에서 그의 가장 근접한 개존성 또는 비-폐쇄성 모세혈관 분절까지의 거리를 측정한다.
허혈
망막의 산소화는 산소의 공간 분포가 제시되고 허혈이 청색으로 강조되는 색상 맵을 사용하여 시각화된다 (도 17C). 산소 분압은 모세혈관 분절 및 FAZ 근처에서 가장 높다. 세포가 관개(irrigating) 모세혈관으로부터 더 멀수록, 세포의 산소 수준은 더 낮다. 산소 분압에 대한 단위는 mmHg이다. 또한, 모델은 모든 뮐러 세포의 평균 산소 분압을 산소 공급 조건의 전반적 측정기준으로서 이용한다. 동시에, 세포 산소의 분포는 불충분하게 산소화된, 즉 허혈성 세포의 분율을 나타낸다. 허혈의 결과는 VEGF의 국부 생산이고, 생성된 평형 VEGF 농도 맵을 생성한다 (도 17D). VEGF 수준은 전체 면적에 걸쳐 낮지만 0이 아닌 기저 농도일 것으로 초기에 가정된다. VEGF 수준은 임의적 단위를 갖는다. "FAZ"는 중심와 무혈관 존을 지칭하고, "A"는 세동맥을 지칭하고, "V"는 세정맥을 지칭한다.
유동
총 유입량은 모델링된 조직 섹션이 산소화 혈액을 얼마나 잘 받아들이고 있는지를 나타내는 시스템 출력으로서 모델에서 모니터링된다. 또한, 모세혈관망에 포함된 벡터 맵은 색상 코딩된 유속의 공간적 분포를 보여준다.
망막 두께
망막 부종 대용물로서 작용하는 색상 코딩된 망막 두께 프로파일은 폐쇄 과정의 진행에 따라 모니터링된다. 망막 두께는 단순히 시뮬레이션된 섹션의 Z축 크기를 지칭한다 (도 17A).
모델의 상세한 설명
망 유동
모세혈관 분절 lm 내의 혈류 속도를 계산하기 위해 (분절은 2개의 분지 접합부 l과 m 사이의 모세혈관을 지칭함), 포아젤(Poiseuille) 방정식이 적용되었으며, 이는 유동 저항을 모세혈관 직경, 길이 및 겉보기 점도와 관련시킨다:
여기서 
은 갈라지는 결절 l에서 m까지의 부피 유량이고; Pl은 접합부 l에서의 유체정역학적 압력이고, P m 은 m에서의 유체정역학적 압력이고; D lm 은 분절의 내벽 직경이고; η lm 은 이 분절 내의 혈액의 유효 점도이고; L lm 은 분절의 길이이다.
프라이스(Pries) 등은 혈액의 생체내 레올로지를 연구함으로써 생체내 유효 점도와 혈관 분절 직경 및 적혈구용적률의 관계를 요약하였다 (Pries et al. Circ. Res. 1990;67(4):826-34; Pries et al. Circ Res. 1994;75(5):904-15; 및 Pries et al. Am. J. Physiol. Heart. Circ. Physiol. 2005;289(6):H2657-64). 제안된 관계는 대략 10 μm까지 직경을 감소시키면 유효 점도가 감소함을 기재한 포레우스-린드크비스트(Fahraeus-Lindqvist) 효과 및 10 μm보다 더 작은 직경에 대해서는 직경을 감소시키면 유효 점도가 증가함을 기재한 역 포레우스-린드크비스트 효과와 일치한다. 시험관내 겉보기 점도와 분절 lm의 관 직경 및 적혈구용적률의 관계는 하기와 같이 주어진다:
여기서 C 및 η0.45는 각각 하기와 같이 계산된다:
및
방정식 (2)은 시험관내 유효 점도를 제공할 것이다. 프라이스 등에 따르면, 생체내 유동 저항은 시험관내 점도 및 혈류를 방해하는 내피 표면 층의 효과에 의해 설명될 수 있다 (Pries et al., Am. J. Physiol. Heart Circ. Physiol. 2005;289(6):H2657-64 및 Pries et al., Pflugers Arch. 2000;440(5):653-66). 이어서, 생체내 점도는 
로서 계산되며, 여기서 
은 방정식 (8)-(11)으로부터 계산된 바와 같이 이 분절의 유효 직경이다. 각각의 모세혈관 분절 내의 적혈구용적률은, 혈장 스키밍(skimming)이 세동맥을 따라 적혈구용적률을 점차적으로 상승시킬 것이라는 기지의 현상임에도 불구하고, 모든 계산치에서 0.45의 값을 유지하였다고 가정되었다.
본 발명의 모델은 또한 각각의 폐쇄 약간 후에 모든 모세혈관의 유효 직경을 조정하는 구조적 적합화 모듈을 포함한다. 레글린(Reglin) 등 (Am. J. Physiol. Heart Circ. Physiol. 2009;297(6):H2206-19)은 혈류역학 및 대사 자극에 반응하여 직경을 적합화하기 위한 수렴-목적 방법을 
의 형태로 제안하였으며, 여기서 
(모델 내)이고 
는 4가지 자극의 조합이다: 경벽성 압력 
, 전단 응력 
, 산소 분압 
, 및 전도된 신호 S c . k h , k p , k m , k c 및 k s 는 각각 값 1, 0.2, 1, 1.6 및 2를 갖는, 5개의 계수이다. 경벽성 압력 S p 에 의해 초래된, 경벽성 압력의 증가에 따라 S자 모양으로 감소할 것으로 추측되는 자극은 모세혈관의 직경을 감소시킨다. 전단 응력 S τ 에 의해 초래된 증가된 자극은 직경을 증가시킬 것으로 추측된다. 각각의 모세혈관 분절 내 모든 CAP 대상의 평균 산소 분압은 본 발명의 모델에서 
및 
를 갖는 대사 신호로 여겨졌고, 즉 산소 분압이 더 낮을수록, 대사 자극이 더 크다. 본 발명의 모델의 모세혈관 분절 내 평균 산소 분압인 대사 신호 S m 에 의해 초래된 증가된 자극은 직경을 증가시킬 것으로 추측된다. 총 자극의 제4 구성요소는 상류 분절에 영향을 미치는 분절에서 생성된 대사 정보의 전도된 신호 S c 이다 (Reglin et al., Am. J. Physiol. Heart Circ. Physiol. 2009;297(6):H2206-19). 이 모듈은 본 발명의 모델의 포커스가 아니며, 모듈의 포함은 모세혈관 폐쇄 후에 존재할 수 있는 구조적 적합화의 정량적 설명을 위한 것이다. 본 발명의 모델은 분절 직경의 적합화에 기여하였지만 모델 내 적합화의 효과를 상대적으로 작은 Δt를 설정함으로써 제한한 자극의 모든 구성요소를 포함하였다. 각각의 폐쇄 후에, Δt의 오직 하나의 사이클에 대해 적합화 모듈이 실행되었다. 관찰된 바와 같이, 이러한 1-단계 적합화로 인한 최대 직경 변화는 약 2%이다. 다시, 이 모듈의 목적은 유속 및 산소 분압의 업데이트된 분포에 따른 혈류역학 및 대사 자극에 반응한 직경 적합화를 정성적으로 이해하는 것이다. 이러한 적합화가 당뇨병성 모세혈관 폐쇄의 진행에 영향을 미치는 정도는, IRMA가 국부 허혈 면적 주위에 발견되는 것을 고려하면 적어도 약간의 역할을 할 가능성이 있음에도 불구하고 임상적으로 불명확하게 남아있다.
산소 플럭스
혈액에서, 산소는 3개의 구획 내에 존재한다: 적혈구 (RBC) 내 헤모글로빈-결합, RBC 내 비결합 및 혈장 내 비결합. 혈액 내의 산소 분압 
는 산소 농도 
와 하기 관계를 갖는다:
여기서 합산에서의 각각의 항은 3개의 구획 중 하나에 상응한다. 제1 항에서, c Hb 는 RBC 내의 헤모글로빈의 농도이고, 
는 헤모글로빈에 결합한 산소의 포화도이며, 이는 힐(Hill)의 함수 
의 형태를 획득하며, 여기서 n = 3이고, 반수 최대 헤모글로빈 포화도에서의 산소 분압은 
이다. 제2 항에서, α RBC 는 RBC 내 결합되지 않은 산소의 용해도이다. 제3 항에서, α는 혈장 내 유리 산소의 용해도이다.
조직에서, 산소 용해도는 α와 동등하였다고 가정되었다. 이어서, 산소 분압과 산소 농도 사이의 관계는 헨리(Henry)의 법칙 
를 따른다. 각각의 세포 내에 산소 분압이 균일하다는 가정 하에 대단위(coarse-grained) 세포-세포 전달을 사용하여, 모든 4개 세포 유형 (CAP, FP, MC, OT) 사이의 산소의 확산이 모델링된다. 단기간의 시간 Δt f 내에, 세포-세포 전달로 인한 세포 (i) 내 산소 부피의 변화는 하기와 같이 계산된다:
여기서 
는 세포 (i)에서의 산소 부피의 변화이다. 위첨자 및 아래첨자로 사용된 괄호 표기 (i)는 모세혈관망의 결절 id를 나타내는 괄호없는 i와 구별되며, 이는 모든 하기 방정식에 적용된다. 방정식의 우측편에서, Δt f 는 산소 및 VEGF 플럭스의 시뮬레이션에 대한 통합 시간 단계이고; A (i)(j) 는 세포 이웃 (i)와 (j)의 쌍 사이의 접촉 표면적이고; d (i)(j) 는 세포 (i)와 세포 (j)의 질량 중심 사이의 거리이고; 합산은 접촉한 모든 세포 (i)의 이웃에 걸쳐 반복된다. 
는 (i)가 CAP인 경우에만 
와 동등하고, 그렇지 않은 경우 
이다.
중심와 무혈관 존 근처의 세포에 대해, 맥락막 모세혈관에 의해 공급될 것으로 추측되는 FAZ로부터 유래하는 추가의 산소 플럭스가 존재한다. 모델에서, FAZ는 3 차원 시스템의 전체 측부로서 취급된다. 세포가 이 측부에 접촉하면, 세포는 FAZ로부터 산소를 받아들인다. FAZ는 일정한 산소 분압 
를 갖는 것으로 가정되었고, FAZ-세포 전달로 인한 세포 (i) 내의 산소 부피의 추가의 변화는 하기와 같이 계산된다:
여기서 
는 세포 (i) 내에서 그의 FAZ와의 접촉으로 인한 산소 부피의 추가의 변화이고, 
는 이러한 세포에 대한 산소 부피의 총 변화를 제공하고; 
는 FAZ와 세포 (i) 사이의 접촉 표면적이며, 이는 단순성을 위해, 세포 (i)의 세포 표면적의 6분의 1로 근사화되고; 
는 세포 (i)의 중심에서 FAZ까지의 거리이다.
산소의 소비는 2개의 세포 유형 (MC, OT)에 대해 모델링된다. 이용가능한 산소 공급에 따라 세포의 산소에 대한 그의 요구에 적합화하는 능력을 포착하기 위해, 미카엘리스-멘톤 유형 동역학이 산소 소비를 모델링하기 위해 적용되었다. 단기간의 시간 Δt f 내에, 소비로부터 생성된 세포 (i) 내의 산소 부피의 변화는 하기와 같이 계산된다:
여기서 M 0 는 세포의 최대 산소 소비 속도이고; 
는 세포가 반수 최대 산소 소비 속도를 획득한 때의 산소 분압이다.
컨베이어-벨트 유사 방법은 산소 이류를 모델링하기 위해 제안된다 (도 14-15). 하나의 이점은 각각의 모세혈관 분절이 확산 모듈을 간섭하지 않고 유연하게 재-분리될 수 있다는 것이다. 이는 모세혈관 폐쇄가 발생하고 다른 개존성 모세혈관 분절에서의 유속이 변화하는 경우에 유용하다.
산소 이류의 모듈은 대상 CB에 대해 모델링되고, 산소 부피는 플럭스 시뮬레이션의 각각의 반복 동안 CB와 CAP 사이에서 전환된다. CAP가 모세혈관 분절의 구조적 요소 (모델 구성에서 시각적으로 보여짐)인 반면, CB는 산소 이류에 대한 기능적 요소 (시각적으로 보이지 않음)이다. 특정 모세혈관 분절 jk 상에서, 모델은 분절을 CB의 연속물로 분리하며, 각각은 크기 
를 가지며, 여기서 
는 분절 상의 유속이다. 따라서, CB 내의 산소가 가장 근접한 하류 CB로 전달되면, 산소는 그 모세혈관 분절에서의 혈류 속도로 이동한다. 모세혈관 분절에서의 유속이 더 느릴수록, 각각의 CB는 더 작고 산소의 이류는 더 느리다. 동일한 모세혈관 분절 상의 모든 CB는 동일한 크기를 갖고, 모세혈관 분절 상의 CB의 양은 단순히 모세혈관 분절의 길이를 단일 CB의 크기로 나눈 것이다. CB의 CAP로의 맵핑은 분리 후 CB의 중앙 위치에 의해 결정된다. CB의 중앙이 CAP의 지역 내에 속하는 한, 이 CB는 이 CAP에 속한다. 예로서, 제1 CAP는 분절 jk 상의 제1 및 제2 CB를, 제2 CAP는 제3 및 제4 CB를, 마지막 CAP는 (n - 1) th 및 n th CB를 함유한다 (도 14). 이류 및 확산을 수반하는 짧은 기간 Δt f 동안, 2개의 중간 단계가 CAP와 그의 회합된 CB 사이의 산소 부피를 전환시키는 데 필요하다 (도 15): (1) 시간 단계 t 0 에서 각각의 모세혈관 분절 상의 CB 내 산소 부피의 이류를 모델링하는 것; (2) 시간 단계 t 0 에서 이류 직후에 CAP-수준을 업데이트하기 위해 CB-수준에서의 산소 부피를 합산하는 것; (3) 상기 기재된 바와 같이 대상들 사이의 확산을 모델링하는 것; (4) 시간 단계 t 0 에서 확산 직후에 회합된 CB로부터 CAP-수준 확산된 산소 부피를 감산하는 것.
n jk 개의 CB를 갖는 특정 모세혈관 분절 jk 상에서, CB {0,1,2,..., n jk - 1}는 산소 부피 
를 운반하며, 여기서 위첨자 [i]는 분절에서의 CB의 순위를 지칭한다. 하기 3개의 방정식이 이류의 시뮬레이션에 사용된다 (도 14):
방정식 (9)은 jk를 예로서 사용하는, 모세혈관 분절 상의 이류를 기재한다. 방정식 (10)은 접합부 k를 예로서 사용하는, 모 모세혈관 분절을 2개의 딸 모세혈관 분절로 분지하는 접합부에서의 산소 부피의 분배를 기재한다. 방정식 (11)은 2개의 선행자 모세혈관 분절을 하나의 후계자 분절로 병합하는 접합부에서의 산소 부피의 합산을 기재한다 (도 14). 방정식 (9)에서, n jk - 1은 분절 jk 상의 마지막 CB의 순위이다. 이 방정식 (9)은 산소 부피를 CB로부터 가장 근접한 하류 이웃 CB로 "운반"하기 위해 필요한 과정을 기재한다. 방정식 (10)에서, 
는 모 모세혈관 분절 jk 상의 마지막 CB 내의 산소 부피이고 
는 하나의 딸 모세혈관 분절, 이 경우에 ks 상의 제1 CB 내의 산소 부피이다. 
및 
는 각각 단위 시간당 분절 jk에서 진출하고 분절 ks에 진입하는 혈류의 부피이다. 접합부 k에서의 혈류 부피의 보존 및 산소 분압은 혈류가 모 분절을 떠나고 2개의 딸 분절에 진입하는 순간에 일정하게 유지된다는 가정에 기초하여, 분절 ks 상의 제1 CB는 분절 jk 상의 마지막 CB로부터의 산소 부피의 분율을 받아들이고, 분율은 
과 동등하다. 분절 jk로의 산소 부피의 분배의 동일한 규칙이 적용된다. 방정식 (11)에서, 
는 후계자 모세혈관 분절 jk 상의 제1 CB 내의 산소 부피이고 
은 하나의 선행자 모세혈관 분절, 이 경우에 xj 상의 마지막 CB 내의 산소 부피이다. 합류하는 유동의 순간에서의 혈류 부피의 보존에 따르면, 
는 
및 
의 총량과 동등하다. 일반적 확장이 갈라지는 및 합류하는 상황에 대한 규칙의 조합을 사용하여, N 및 M이 1 초과인 N개의 딸 분절 및 M개의 모 분절을 갖는 접합부에 대해 만들어질 수 있다.
산소 이류의 컨베이어-벨트 모델의 실시예는 도 15에 제시된다. 3개의 연속적 시간 단계가 검토된다. 명확화를 위해, 각각의 시간 단계 내에서 산소 이류 및 확산의 모듈만이 실시예에 포함되고 플럭스 (흑색 화살표로 제시됨)가 CAP (담적색으로 제시됨)에서 OT (담갈색으로 제시됨)로 확산하는 단순한 경로가 가정된다. 또한, 주어진 단계에서 산소 부피의 변화를 강조하기 위해, 숫자는 볼드체로 강조된다. t 0 에서 t 0 + Δt까지의 제1 시간 단계 동안, 제2 CAP 및 그의 회합된 CB는 여전히 0의 산소 부피를 갖는 반면, 제1 CAP 및 회합된 CB는 하기를 겪는다 (1) 1 단위 산소 부피 (제시되지 않은 상류 CB로부터 운반된 양의 예)를 제1 CB로 넘겨주는 이류의 과정, 반면 CAP는 이류에 수반되지 않음; (2) CAP의 확산-전 산소 부피를 1 (그의 첫 번째 회합된 CB) 및 0 (그의 두 번째 회합된 CB)을 더함으로써 업데이트하는 중간 단계; (3) 접촉 중인 OT로 0.2를 전달하는 확산의 과정 (본 실시예에서 편의상 가정된 양, 다시 단순한 CAP→OT 확산만이 본 실시예에서 고려됨), CAP의 확산-후 산소 부피는 0.8이 되는 반면, CB는 확산에 수반되지 않음; (4) CAP의 회합된 CB의 산소 부피를 확산된 양 0.2/1 = 20% (확산된 것/확산-전)를 감산함으로써 업데이트하는 최종 단계, 따라서 제1 CB는 이제 0.8 산소 부피를 가짐. t 0 + Δt에서 t 0 + 2Δt까지의 제2 시간 단계 동안, 유사한 구두 "시뮬레이션"이 진행된다. (1) 이류의 과정은 또 다른 1 산소 부피가 제1 CB로 넘겨지고, 이전에 제1 CB에 의해 보유된 0.8은 제2 CB로 넘겨지는 것과 같이 이루어진다; (2) 중간 단계는 제1 CAP에 1 및 0.8을 더하지만, 여전히 제2 CAP에는 아무 것도 더하지 않는다; (3) 확산의 과정은 제1 CAP의 산소 부피를 1.44로 업데이트하고, 0.36 (본 실시예에서 편의상 선택됨)은 확산되었다; (4) 최종 단계는 CAP의 2개의 CB 둘 다에서 산소 부피를 다시 확산된 분획 0.36/1.8 = 20%를 감산함으로써, 업데이트한다. t 0 + 2Δt에서 t 0 + 3Δt까지의 제3 시간 단계 동안, 이류는 이제 이전에 제2 CB에 의해 보유된 산소 부피 0.64를 제2 CAP와 회합된 제3 CB 내로 넘겨준다. 중간 단계는 CAP 둘 다를 그의 회합된 CB에서의 산소 부피를 합산함으로써 업데이트한다. 확산의 과정은 이제 CAP 둘 다의 산소 부피를 제1 CAP 및 제2 CAP를 각각 0.36/1.8 = 20% 및 0.1/0.64 = 15.625% 확산하여 변화시킨다. 최종 단계는 산소 부피를 그의 회합된 CB의 것으로부터 퍼센트 변화로 감산한다.
VEGF 플럭스
본 발명의 모델에서, VEGF는 모세혈관망의 폐쇄로 이어지는 데 있어서 중요한 역할을 한다. 구체적으로, 저산소성 조건 하에 뮐러 세포에 의해 합성 및 방출된 VEGF는 이 모델에서 모세혈관 폐쇄 및 누출 둘 다에 대해 기여할 것으로 가정된다. 생리학상, VEGF는 증가된 백혈구 백혈구울혈 및 모세혈관 폐쇄를 일으키는 내피 세포 상의 ICAM 발현을 유도함으로써 간접적으로 모세혈관 폐쇄를 유발하는 반면, 모델에서 이들 중간 단계에서는 취급되지 않는다. 부종은 모델에서, 상승된 VEGF의 직접적 효과로 여겨진다. 현행 모델에서, MC 이외의 모델 세포 유형에 의한 VEGF의 합성은 무시되었다. 또한, 혈류를 통한 VEGF의 이류는 취급되지 않았다.
VEGF의 생산은 현재 세포 VEGF 수준 및 산소 분압 둘 다에 의존하는 그의 합성 비율로, 하나의 세포 유형 (MC)에 대해 모델링된다. 뮐러 세포 내에 생산된 VEGF 양이 증가함에 따라, 생산율은 부분적으로 피드백 신호전달로 인한 세포의 제한된 생산 용량에 상응하여 떨어진다. 또한, 생산율은 또한 직접적으로 세포 산소 분압 역치에 의해 결정된 인자에 의존한다. 세포 산소 분압이 주어진 저산소성 역치 미만인 경우에, 이 인자는 신속하게 1에 접근한다. 시간 기간 Δt f 동안, 세포 (i)의 VEGF 농도의 변화는 하기 방정식에 의해 제공된다:
여기서 
는 VEGF의 생산율 상수이고; 
은 VEGF 생산의 용량이고; 
는 정상산소상태 및 저산소증을 분리하는 산소 분압의 역치이고; vol (i) 는 세포 (i)의 부피이고; 
는 세포 VEGF 농도이고, 
는 세포 산소 분압이다.
VEGF의 붕괴는 4개의 세포 유형 (CAP, FP, MC, 및 OT)에 대해 모델링된다. 단기간 Δt f 동안, 붕괴로 인한 세포성 VEGF의 농도의 변화는 하기 방정식에 의해 기재된다:
여기서 
는 VEGF의 붕괴 속도 상수이다.
VEGF의 확산은 4개의 세포 유형 (CAP, FP, MC, 및 OT)의 특정 쌍 사이에 대해 모델링되며, 이는 하기 플럭스를 포함한다: MC→OT, OT→OT, FP→FP, OT←→FP, FP→CAP 및 OT→CAP. 모델은 VEGF가 MC에 의해 흡수되지 않고, 이류에 의해 CAP를 진출하지 않는다고 가정한다. 세포 (i)로부터의 VEGF의 전달에 대한 지배 방정식은 산소 확산을 기재하는 것과 유사하다:
여기서 
는 조직 공간 내에 VEGF의 근사화된 확산 속도 계수이다. 그리고 (i)→(j)의 가능한 방향은 전달 플럭스에 대한 상기 조절을 따른다.
산소의 확산에 대한 상황과 유사하게, FAZ와 접촉하는 세포에 대한 추가의 플럭스가 존재하며, 여기서 FAZ는 VEGF에 대한 싱크의 역할을 하고 이는 신속하게 VEGF를 제거한다. FAZ와 접촉하는 경우에 세포 (i) 내의 VEGF 농도의 추가의 변화는 하기와 같이 계산된다:
여기서 
및 
는 산소 확산에 관해서 동일한 근사화 규칙을 따른다.
모세혈관 폐쇄
확률론적 함수가 모세혈관 폐쇄의 발생을 결정하는 데 사용되었다. 폐쇄는, 폐쇄된 모세혈관이 가능성 있게는 폐쇄성 백혈구와의 생화학적 상호작용으로 인해 결과적으로 궁극적으로 무세포성이 되었을 것이기 때문에, 모델의 비가역적 과정이다. 생리학상, 궁극적으로, 내피 세포의 상실 및 그의 재생상 한계를 통해, 비가역적 모세혈관 폐쇄를 일으키는 백혈구울혈로 인한 재발성 일시적 폐쇄가 존재한다. 모델은 단지 이 마지막 모세혈관 폐쇄 사건을 다룬다. 모세혈관 폐쇄의 확률을 계산하는 2개의 사건 사이의 시간 간격은 산소 및 VEGF 플럭스를 기재하는 ODE의 통합 시간 단계보다 훨씬 더 크다. 본 발명의 모델에서, 모세혈관 폐쇄의 판단은 CAP 수준에서 이루어진다. 시간 기간 Δt 0 마다, 각각의 CAP 세포 (i)의 폐쇄의 계산된 확률 
는 0과 1 사이의 난수와 비교된다. 폐쇄는 전자가 후자보다 더 큰 경우에 발생한다 (표 5). 폐쇄 결정이 내려지면, CAP 세포 (i)가 속한 전체 모세혈관 분절 kl의 직경은 매우 작은 수 (0으로의 나누기 문제 때문에 0은 아님)로 설정될 것이다. 수학적으로 이는 혈관 폐쇄와 등가인 혈류에 대한 큰 저항을 제공한다. 이 확률 함수는 국부 VEGF 수준 및 혈류 속도 둘 다와 관련되고, 하기 형태를 갖는다:
여기서 u thr 은 임계 혈류 속도이고, 
는 임계 VEGF 수준이고, vol ( i )은 CAP (i)의 부피이다.
폐쇄 확률 함수의 형태는 그가 각각의 VEGF 수준 및 유속에 반응하여 S자형 형상을 갖도록 선택된다. 보다 높은 VEGF 수준 및 보다 낮은 유속은 보다 큰 폐쇄 확률을 제공한다. 확률 함수에서의 지수는 S자형 곡선의 경사도를 제어하는 반면, 
와 동등한 VEGF 수준 및 u thr 과 동등한 유속은 S자형 곡선의 가장 가파른 부분에 상응한다. 하기 파라미터 선택 및 파라미터 영향의 분석 섹션에서 논의된 바와 같이, 광범위한 값이 
및 u thr 에 대해 시험된다. 각각의 파라미터에서의 변동은 모세혈관망 개존성 및 망막 두께에 크게 영향을 미친다.
부종 형성
부종 형성은 역치를 초과하는 VEGF의 상승에 의해 촉발된다. 본 발명의 모델에서, 슈도 세포 유형 유체 부분 (FP)은 부종 구성요소로서 사용되었다. FP는 거의 확산되지 않고 주위 대상에 의해 포획되는 대상인 것으로 가정되었다. 또한, 개존성 (폐쇄되지 않은) 모세혈관 분절은 그의 구성원 CAP 중 어느 것의 국부 VEGF 수준이 역치보다 더 큰 경우에, 즉, 
인 경우에, 누출성이 되는 것으로 가정되었다 (표 5). 부종은 누출성 부위 (i) 근처에서만 형성된다. FP는 모든 Δt e 에서 누출성 CAP 근처에 누출된 유체의 시각적 표현으로서 생성되고 망막 비후의 원인이다. 또한, 망막 색소 상피 세포 기능을 나타내는 펌핑 메카니즘은, FP가 Z = 0에서의 바닥 경계 표면에 물리적으로 접촉하기에 충분히 큰 경우에만, FP를 제거하기 위해 추가된다. 이는 과량의 축적된 유체를 제거하는 망막 색소 상피 펌프의 역할을 반영한다.
FP의 생성은 시뮬레이션의 시작 시의 세포의 초기화와 유사하다. 누출성 CAP의 무작위로 선택된 표면 복셀에 접촉하는 복셀이 FP에 대한 시드로서 선택된다. 이어서, 1-복셀 시드를 사전-규정된 크기 vol FP 로 확장하기 위해 세포 팟츠(Potts) 모델이 구현된다. 확장 동안, FP는 주위 세포를 대체하여 망막 조직의 비후를 일으킨다. 세포 팟츠 모델에 따르면 (문헌 [Graner and Glazier, Phys. Rev. Lett. 19992;69(13):2013-6 및 Glazier and Graner, Phys Rev E Stat Phys Plasmas Fluids Relat Interdiscip Topics. 1993;47(3):2128-54] 참조), FP 시드의 성장 및 추진 효과는 하기 해밀토니안(Hamiltonian)의 최소화에 의해 효과적으로 지배된다:
여기서 제1 합산은 세포 사이의 부착 에너지를 기재하고, 제2 합산은 세포의 부피 제약을 기재한다. 
는 세포 σ(i)의 세포 유형을 나타낸다. 
는 2개의 세포 유형에 대한 격자 부위 i, j 사이의 부착 에너지이다. 항 
은 오직 상이한 세포를 나타내는 격자 부위 사이의 부착 에너지의 계산을 제한한다. λ vol 는 부피 제약의 강도를 명시한다. vol(σ(i)) 및 vol tgt (σ(i))는 각각 현재 세포 부피 및 표적 세포 부피이다.
부종 형성의 관점에서, λ vol 는 큰 값을 획득하고 vol tgt 는 vol FP 과 동등해서, 표적 부피로부터의 경미한 편차가 유의하게 H를 증가시키고 따라서 슈도 세포가 신속하게 표적 크기로 성장한다. 바닥부에서의 유체 제거의 관점에서, vol tgt 는 대신에 0으로 설정되고, 이는 FP를 수축시킨다. 세포 팟츠 모델이 FP 시드의 사전-규정된 크기로의 확장을 모델링하는 것에 대해 본질적이지 않음을 유의하여야 한다. 그러나, 세포 팟츠 모델은 FP가 형성되면 주위 세포 재배열의 과정에 편의성을 제공한다.
시뮬레이션의 경계 조건 및 초기 상태
약간의 경계 조건이 모델에서 부과된다. 제1 경계 조건은 망 유동 모듈에 의해 사용된 경계 결절의 유체정역학적 압력 및 유입 산소 분압에 대한 값을 배정한다. 유체정역학적 압력의 관점에서, 세동맥 결절 (A)은 압력 
를 갖고, 정맥 결절 (V)은 압력 
를 갖고, 다른 모든 것은 중간 압력 값 
를 갖는다. 3가지 기준 (i), (ii), (iii)이 A도 V도 아닌 경계 결절에 대한 압력 값을 선택하는 경우에 고려되었다. (i) 경계 결절에 대한 압력 값의 추정치는 A로부터의 그의 위상 거리 및 V로부터의 그것의 비: β에 따라 만들어졌다. 위상 거리는 2개의 결절 사이의 최단 경로 길이로 정의된다. 압력 값은 위상 거리에 기초하여 계산되었고, β가 더 작을 수록, 배정된 결절 압력이 더 높고, 즉 더 큰 α가 사용된다. (ii) 경계 결절을 수반하는 모세혈관 분절은 항상 관련 접합부의 "딸" 가장자리인 것으로 가정되었다. 망의 각각의 접합부에 있어서, "딸" 가장자리는 "모" 가장자리와 함께 존재할 수 있다 (어떤 곳에서는, 그것이 갈라지는 접합부 대신에 합류하는 접합부인 경우에, "선행자"-"후계자" 관계가 대안적으로 사용되었음). (iii) β가 작은 경우, 경계 결절과 연결된 결절은 유속 벡터가 유출을 나타내는 경계 결절을 가리키는 갈라지는 접합부일 가능성이 있는 것으로 가정되었다. 대조적으로, 위상적으로 정맥 유출 결절에 더 근접한 결절에 대해, 그것은 유속 벡터가 유입을 나타내는 경계 결절로부터 가리키는 합류하는 접합부일 가능성이 있다. 모세혈관 폐쇄의 진행 동안, 모든 이들 압력 값은 고정되었다. 사례 1의 모든 경계 결절에 대해 표시된 압력 값을 갖는 정상 조건 하의 유속 맵에 대해서는 도 26을 참조한다. 유사한 규칙이 혈액 내의 유입 산소 분압의 경계 값에 대해 사용된다. 유출 산소 분압은 배정되지 않았지만 정상 상태 시뮬레이션으로부터 계산된다. 세동맥 결절 (A)은 압력 
를 갖고 다른 모든 유입구 경계 결절은 중간 압력 값 
을 갖는다. 세포는 6개의 경계 표면 중 어느 것의 외부로 이동하지 않는 것으로 가정되었다. 따라서, 제2 경계 조건은 주기적 경계 조건이 존재하지 않는다는 것이다. FAZ는 완벽한 안정적 산소 공급원이고 VEGF 싱크인 것으로 가정되었다. 따라서, 제3 경계 조건은 
의 고정된 산소 분압을 배정하고 또한 FAZ 영역에 대해 0의 VEGF 수준을 배정한다.
모델 구성의 초기 상태는 각각이 하나의 복셀을 점유하는, 균일하게 시딩된 세포 중심을 갖는 혈관망으로서 재구축된다. 세포 팟츠 모델은 1-복셀 세포를 적절한 크기, 즉, αMC 또는 αOT로, 부종 형성 섹션에서 논의된 바와 유사한 방식으로 성장시키도록 구현된다. 또한, 단지 초기 당뇨병성 생리학적 조건을 나타내고 매우 작지만 0은 아닌 모세혈관 폐쇄의 확률을 생성하는 목적을 제공하는 모든 세포 유형에서 초기에 낮은 기준선 수준의 VEGF (1%의 
)가 가정되었다. 동물 모델에 따르면 당뇨병 환자가 임의의 영구적 모세혈관 폐쇄 전에, 심지어 당뇨병성 상태의 제1 주에도 백혈구 부착 확률의 유의한 상승을 가질 가능성이 있음에 유의한다. 그러나 이들 백혈구 부착 사건은 내피 세포 집단이 아직 이들 재발성 사건에 의해 고갈되지 않았기 때문에 영구적 폐쇄를 일으키지는 않는다. 모델은 영구적 폐쇄 사건만을 다룬다. 모델에서 초기 산소 분압 (여기서 "초기"는 세포 및 혈관의 구성 후이지만 플럭스의 임의의 시뮬레이션 전임을 의미함)은 모든 곳에서 0이며, 이는 정상 조건 하에 산소 이류/확산/대사의 시뮬레이션 후에 업데이트될 것이다.
파라미터 선택 및 파라미터 영향의 분석
모델에서 파라미터는 3가지 일반적 카테고리로 나뉘어졌다: 기하학적 파라미터, 일시적 파라미터 및 모듈 파라미터.
기하학적 파라미터는 영상화 사진 (예를 들어, 사례 1) 또는 공개된 구조도 (Peripheral network; Spitznas and Bornfeld, Albrecht Von Graefes Arch Klin Exp Ophthalmol. 1977;203(3-4):217-29)에 기초하여 선택된다. 모델링된 세포 크기는 특히 MC 및 CAP에 대해 해부학상 합리적이도록 (표 2) 선택된다. 픽셀에서 마이크로미터로의 전환율은 계산 비용 및 시각화 해상도 둘 다를 고려하여 선택된, 픽셀당 2 마이크로미터이다.
일시적 파라미터는 시뮬레이션 요건에 기초하여 선택된다. 파라미터 Δt f 는 산소 및 VEGF 플럭스의 시뮬레이션에 대한 통합 시간 단계이다. 기준은, 그것이 미분 방정식의 적절하고 안정한 통합을 보장하기에 충분한 작고 실용적 계산을 가능하게 하기에 충분히 커야 한다는 것이다. 다른 모든 일시적 파라미터는 모델이 임상 관찰과 대등한 시간 규모를 생성하도록 선택되었다. MC의 초단위로의 전환율은 MC당 86,400초이고, 이는 1 MC의 등가의 시간이 Δt f 보다 매우 큰 한 선택된다. 새로운 가능한 모세혈관 폐쇄가 발생하는 데 걸리는 시간이 플럭스의 정상 상태를 시뮬레이션하는 데 걸리는 것보다 훨씬 더 긴 것으로 가정되었다. 임상 경험 및 동물 실험으로부터, 전자는 수일 내지 수주 내지 수년의 범위인 반면, 후자는 수초 내에 발생한다.
일부 모듈 파라미터는 공개된 연구, 예컨대 산소 및 VEGF와 관련된 것들에서 널리 연구되었다. 이들을 넘어서, 다른 곳에서 기재되지 않은 일부 모델-특이적 파라미터, 예컨대 VEGF 합성에 관련된 
, 폐쇄 확률의 계산에 관련된 
및 u thr , 및 부종 형성에 관련된 
이 도입되었다. 이러한 파라미터는 주로 편의상, 정성적으로 대등한 모델 출력을 생성하도록 선택되었다. 따라서, 모델 출력 상의 여러 중요한 파라미터의 영향을 더 잘 이해하기 위해, 다수의 파라미터는 그들의 참조 값 주위에 한 번에 하나씩 변경되었고, 시뮬레이션 종료 시의 2개의 모델 출력인, 모세혈관 개존성 지수 및 평균 망막 두께 변화가 어떻게 영향을 받았는지를 조사하였다 (도 27). 평균 망막 두께 변화 파라미터 맵이 단지 5%의 최대값을 갖는 가로좌표를 가짐에 유의한다. 이것은 작은 것처럼 보일 수 있지만 이것은 전체 면적에 걸쳐 평균을 낸 평균 망막 두께이고 망막 부종은 일반적으로 국재화되었다. 선택된 파라미터는 하기와 같다: VEGF의 확산 계수 
, 임계 혈류 속도 u thr , 임계 VEGF 수준 
, VEGF의 최대 합성 속도 
, 부종을 촉발하는 VEGF 수준의 역치 
, 및 산소의 최대 대사율 M 0 . 모든 파라미터 변동 시뮬레이션은 "1 x"로 나타낸 참조 지점으로서 사례 1 파라미터를 사용한다. 시뮬레이션의 종료 시에 개존성 (즉, 폐쇄되지 않은) 모세혈관의 분율로서 계산된 0% 내지 100% 범위의 크기를 갖는 모세혈관 개존성 지수는, 시뮬레이션 내 모세혈관 폐쇄의 진행의 정도를 측정한다. 보다 높은 값의 
, 보다 높은 값의 
, 보다 높은 값의 u thr , 보다 높은 값의 M 0 , 및 보다 낮은 값의 
는 약간 상이한 방식으로 대등하게 더 작은 모세혈관 개존성 지수를 생성한다 (도 27). 
의 증가는 VEGF의 확산 길이를 증진시키는 반면, 
의 증가는 다른 한편으로 뮐러 세포에 의한 VEGF의 합성 속도를 증가시킨다. 대조적으로, u thr 의 증가 또는 
의 감소는 각각 특정 혈류 속도 또는 VEGF 수준을 고려하여 폐쇄 확률을 올린다. 그럼에도 불구하고, 
는 개존성 지수에 대해 거의 효과를 나타내지 않는데, 이는 그것이 모세혈관 폐쇄에 대한 확률론적 판단에서 어떠한 역할도 하지 않기 때문이다.
상대적인 두께 변화는 시뮬레이션의 종료 시에 망막 조직의 Z 방향에 따른 평균 크기에서 변동의 백분율로서 글자 그대로 계산된다. 보다 높은 값의 
, 보다 높은 값의 
및 보다 낮은 값의 
모두는 보다 적은 망막 비후로 이어진다 (도 27). 명백하게도, 
는 부종이 얼마나 영속적으로 형성되는지를 직접적으로 결정함으로써, 망막 두께 변화에 현저하게 영향을 미친다. 대조적으로, 
및 
는 VEGF 이용가능성, VEGF가 얼마나 빠르게 확산하는지와 얼마나 빠르게 그것이 생산되는지를 각각 제어한다. 부차적인 효과는 또한 u thr , 
및 M 0 에서의 변화로부터 관찰되며, 이는 부종 형성에서 간접적인 역할을 한다. 폐쇄된 모세혈관은 그가 과거에 누출하여 FP를 생성했을 수 있음에도 불구하고, 활발하게 누출하지 않기 때문에, 모세혈관 폐쇄의 신속한 진행은 부종 형성의 양을 감소시키는 것으로 보인다.
이들 파라미터 변동 시뮬레이션은 세포 수준에서의 특정 파라미터가 어떻게 조직 수준에서 모델 결과에 영향을 미칠 것인지를 나타냄으로써, 일부 파라미터 선택을 위한 더 많은 통찰을 제공한다. 이러한 시뮬레이션은 모델이 파라미터 값의 상당한 변동에도 불구하고 여전히 그럴 듯한 결과를 생성할 수 있다는 것을 뒷받침한다. 이는 모델의 기본적 구조, 즉 망막 모세혈관 폐쇄를 지배하는 유해 피드백 메카니즘의 타당성을 뒷받침하고, 또한 이들 파라미터에 대한 미래 실험 데이터가 이용가능해짐에 따라 모델이 정밀화되어 형태학적 정확도를 개선시키고 임상 적용의 보다 큰 정량적인 예측 값을 제공할 수 있다는 것을 의미한다.
시뮬레이션의 구현.
모든 시뮬레이션은 오픈-소스 소프트웨어 컴퓨셀3D를 사용하여 실행되었다
결과
질환 진행의 공간적 패턴
모델에 관하여 관점을 유지하는 것은 중요하다. 모드의 예시 구동의 관점에서의 결과가 본원에 초기에 제시된 반면 (하기 설명된 바와 같은 사례 1), 모델은 구현된 확률적 사건의 영향을 연구하기 위해 다수회 구동되었다.
환자 ASOLO 이미지로부터 결정된 바와 같이, 세포 및 혈관의 구성은 510μm x 600μm x 50μm의 치수를 갖는 FAZ 근처의 섹터에 대해 초기화되었다. 초기화 동안 섹터는 3D로 검시되고, CAP 및 MC가 시각화된다 (도 17A). 완전히 초기화된 구성은 MC 및 OT가 균일하게 2D 관점으로부터 혈관 사이에 패턴화된다는 것을 나타낸다 (도 17A). 정상 조건 하에, 혈류는 세동맥 입구로부터 공급되고 모세혈관망을 통해 흐르며 세정맥을 통해 진출한다. 모델이 작은 세동맥-세정맥 섹터에 집중하기 때문에, 측부 스트림은 이웃하는 중심와주위 망을 연결하는 모세혈관을 반영한다 (도 17B). FAZ 근처의 모세혈관은 상대적으로 작은 혈류를 운반하였고, 따라서 가정된 폐쇄 메카니즘에 기초하여 보다 높은 폐쇄 확률을 가졌다. 모세혈관 근처의 세포는 풍부한 산소 공급을 가졌던 반면, 보다 더 멀리 위치된 세포는 더 적지만 여전히 허혈 없이 정상적인 활성을 지원하기 위해 충분한 산소를 받아들였다 (도 17C). 초기 상태에서 VEGF 생산은 망막 조직이 적당히 산소화된 경우에 기저 당뇨병성 생리학적 범위에 있을 것으로 가정되었다 (도 17D). 이는 기저 비-당뇨병성 상태를 초과하는 VEGF의 약간의 상승; 당뇨병 유발 백혈구울혈을 가능하게 하는 낮은 수준의 ICAM의 존재를 유도하기에 충분한 상승에 상응한다.
제1 폐쇄가 시작되면, 망 위상은 그 모세혈관의 상실을 반영하여 변화하였고 산소 분압의 정상 상태 및 VEGF 수준이 그에 따라 재확립되었다 (도 18-20). 도 18A를 참조하면, 유동 유속 맵은 제0주에서 모세혈관 폐쇄로 인한 유동 경로의 상실을 포착한다. 도 18B에 도시된 바와 같이, 공간적으로 초기 폐쇄 부위에 근접한 제2 모세혈관은 제72주에 폐쇄되었다. 도 18C에 도시된 바와 같이, FAZ 근처의 여러 모세혈관 및 세정맥은 제124주에 폐쇄되었다. 도 18D에 도시된 바와 같이, 제152주까지 모세혈관망의 4분의 1 초과가 폐쇄되었다. 화살표의 색상 및 방향은 각각 속도의 크기 및 배향을 반영한다. 색상이 더 붉을수록 유속이 더 크다. 속도에 대한 단위는 μm/s이다. 도면에서 "FAZ"는 중심와 무혈관 존을 지칭하고, 적색의 "A"는 세동맥을 지칭하고, "V"는 세정맥을 지칭한다.
이제 도 19A-19D를 참조하면, 도 19A는 제0주에 폐쇄된 모세혈관 근처의 국재화된 저산소성 영역을 나타내는 산소 분압 맵을 도시한다. 도 19B는 제72주에 제2 폐쇄 부위를 둘러싸도록 넓힌 세포의 저산소성 면적을 도시하지만, 이는 여전히 제한되고 세동맥-세정맥 섹터에 공간적으로 한정된다. 도 19C는 제124주에 세정맥 근처의 말단 모세혈관을 파괴하도록 전파되고 이웃하는 AV 섹터로 확장된 저산소증에 의한 국부 손상을 도시한다. 도 19D는 제152주에 관찰된 저산소증의 큰 면적을 도시한다. 색상은 산소 분압의 크기를 반영한다. 색상이 더 붉을수록 산소 분압이 더 높다. 산소 분압에 대한 단위는 mmHg이다. 도면에서 "FAZ"는 중심와 무혈관 존을 지칭하고, 적색의 "A"는 세동맥을 지칭하고, "V"는 세정맥을 지칭한다.
이제 도 20A-20D를 참조하면, 도 20은 제0주에 저산소증에 반응하여 뮐러 세포에 의한 VEGF의 국재화된 합성을 나타내는 VEGF 수준 맵을 도시한다. 도 20B-20D는 제72주, 제124주 및 제152주에 VEGF를 활발하게 생산하는 증가하는 수의 뮐러 세포를 도시하며, 여기서 높은 VEGF를 갖는 영역의 패턴은 낮은 산소 분압을 갖는 면적의 것을 재현하였다. 색상은 VEGF 수준의 크기를 반영한다. 색상이 더 붉을수록 VEGF 수준이 더 높다. VEGF 수준은 임의적 단위 (A.U.)를 갖는다. 도면에서 "FAZ"는 중심와 무혈관 존을 지칭하고, 적색의 "A"는 세동맥을 지칭하고, "V"는 세정맥을 지칭한다.
제0주에, 모세혈관은 폐쇄되었고 (도 18A), 결과적으로 이를 둘러싸는 조직은 불량하게 산소화되게 되었다 (도 19A). 모델 내에서, 첫 번째 모세혈관 폐쇄의 날짜는 항상 제0주에 있다. 이것은 당뇨병의 개시의 날짜가 아니다. 특정 뮐러 세포가 이 모세혈관 폐쇄로 인해 허혈성이 되고 이들 저산소성 뮐러 세포는 VEGF를 생산하고 방출하며, 이는 이어서 국부 농도 피크를 발생시킨다 (도 20A). 인접한 모세혈관은 VEGF의 상승된 농도에 반응하며, 이는 모델에서 개별적으로 다루지 않은 ICAM 매개된 백혈구울혈 메카니즘을 통해 그의 폐쇄 위험을 증가시켰다. VEGF의 제한된 확산 길이로 인해, 원위 모세혈관은 이러한 국재화된 변화에 비감수성이다. 제72주에, 2차 폐쇄가 일어났고 유동망은 점점 더 손상되었다 (도 18B). 결과적으로, 더 많은 뮐러 세포는 불충분한 산소 공급을 가졌고 증가된 수준의 VEGF를 생산하였다 (도 19B 및 20B). 이 시점에서 모세혈관 손상은 경계가 잘 정해지고 하나의 세동맥-세정맥 섹터에 국한되는 것으로 나타났다. 두드러지게, 이웃하는 면적 내의 여러 세포는 저산소성이 되고 상승된 VEGF를 생성했으며, 이는 가능성 있게도 그들의 가장 근처의 혈관이 닫힘 전에 상당한 산소 공급을 운반했던 중요한 상류 분지를 상실했기 때문이다. 그러나, 인접 섹터 사이의 건강한 세포 및 모세혈관으로 구성된 장벽이 여전히 존재했다. 이어서, 총 부피 유입량의 약한 증진을 갖는 일련의 모세혈관 폐쇄가, 초기 손상의 발병 이후에 처음으로 유입량의 하락을 발생시킨 제124주의 손상 시까지 이어졌다.
총 유동의 하락에 수반하여, 2개 섹터 사이의 말단 세정맥이 손상되었고 (도 18C, 영상의 상단) 조직의 보다 큰 분획은 이제 저산소성이 되었다 (도 19C). 제152주에, FAZ 근처의 모세혈관 및 말단 세정맥은 더 이상 개존성이지 않았고 (도 18D), FAZ는 상당히 확대되고, 조직의 대략 3분의 1은 저산소성이었고 상승된 VEGF 환경을 가졌다 (도 19D 및 20D). 사카타(Sakata) 등 (Ophthalmology. 2006;113(8):1385-91)은 중심와주위 모세혈관 혈액 속도를 측정하기 위해 플루오레세인 혈관조영 기술을 사용하여 부종 없는 당뇨병 환자에서 모세혈관 혈류 속도와 중심와 무혈관 존의 크기 사이에서의 유의한 음성 상관관계를 보여줄 수 있었음에 유의한다. 본 발명의 모델에서, 무혈관 존에 접경하는 모세혈관은 사카타 등과 일치하는 느려진 유동을 나타낸다.
부종 형성
부종 형성의 메카니즘에 대한 단순한 가정에 기초하여 (모델의 상세한 설명 섹션에서 부종 형성 섹션에 상술됨) 현재 모델은 국부 망막 비후를 보여주었다 (도 21A-21D). 도 21A-21D를 참조하면, 망막 층의 두께는 제0.5년 (도 21A), 제1년 (도 21B), 제2년 (도 21C) 및 제3년 (도 21D)의 종료 시에 색상 맵에 의해 제시된다. 색상은 Z축의 크기를 나타낸다. 색이 더 푸를수록, 국부 망막 면적은 더 두껍다. 유체는 제1년과 제2년 사이에, 폐쇄의 면적의 정맥 가장자리에서 나타났다. 유동망은 관찰의 시점에서 개존성인 유동 경로를 제시하기 위해 색상 맵 상에 오버레이되었다. 색상 막대는 유속이 아닌, 단지 조직의 두께만을 나타낸다. 도면에서 "FAZ"는 중심와 무혈관 존을 지칭하고, 적색의 "A"는 세동맥을 지칭하고, "V"는 세정맥을 지칭한다.
유체의 상당한 부피는 초기 모세혈관 폐쇄의 발병 3년 후에 관찰되었다 (도 21D). 혈관외액은 망막 두께의 증가를 담당하였다. 더욱이, 유체가 존재했던 자리는 허혈 영역의 경계와 상관관계가 있었다. 현행 연구는 망막 비후가 어떻게 뮐러 세포에 의한 비정상적 VEGF 합성에 기인할 수 있는지에 대한 정성적 예증으로 제한된다. 이는 모세혈관으로부터 누출을 생성하는 VEGF의 정규 기능이다. 모델에서, 부종은 단지 역치 VEGF 수준의 함수이며 국부 스탈링(Starling)-유형 관계의 척도가 아니다. 이는, 또한 특정한 역치를 초과하는 상승된 VEGF를 갖는 무손상의 폐쇄되지 않은 모세혈관의 부위에서 활성 누출의 장소를 모델 내에 반영한다. 모델 내의 부종은 안구 간섭 단층촬영 상에서 임상적으로 나타난 바와 같이 망막 비후의 또는 망막 낭포성 구조의 예상된 위치의 예견이다. 모델은 낭종의 실제 범위를 다루지 않으며, 이는 낭종이 종종 플루오레세인 혈관조영에 의해 활성 누출이 결핍된 망막 허혈의 면적에 존재할 수 있고 따라서 활성 누출 이외의 과정, 예컨대 세포성 괴사 또는 손상된 망막 색소 상피 펌핑을 나타낼 수 있기 때문이다. 모델은, 모세혈관이 누출하였지만 이어서 후속적으로 임상적으로 발생한 것에 유사하게 폐쇄된 면적에 존재하는 낭종을 남겨둔다.
질환 진행의 정량적 전반적 측정
모세혈관 닫힘의 발병 이후에, 거의 모든 추가의 폐쇄가 세포 내 평균 산소 분압을 하락시키도록 유발하였다 (도 22A). 저산소성 뮐러 세포의 분율은 제72주에서 제152주까지 거의 선형으로 올라갔다 (도 22B). 평균 산소 분압 및 저산소성 분율의 단조로운 변화와는 다르게, 총 부피 유입량은 단조롭지 않았고, 계속되는 상승 이후에 제124주에서 및 한 번 더 제152주에서 급격한 감소를 나타냈다 (도 22C). 증가된 유입량의 초기 단계는 혈류 경로의 선택된 군의 상실에 대한 생리학적 반응에 기인했을 수 있다. 산소 분압은 생리학상 예상되는 바와 같이, 유입구 모세혈관 블록 내에서 일정할 것으로 가정되기 때문에, 보다 높은 부피 유입량이 주어진 시간 기간 내에 보다 많은 산소가 시스템 내로 운반되도록 제공한다. 이는 모세혈관 닫힘이 거의 없는 질환의 초기 단계에, 시스템이 혈류를 증가시킴으로써 산소 부족을 보상할 것임을 시사할 수 있다. 대조적으로, 세동맥을 세정맥에 연결하는 많은 모세혈관이 폐쇄되었을 질환의 보다 이후 단계에서, 총 유동은 감소했고 폐쇄는 더 빈번하게 발생하는 것으로 보였다. 모델을 임상적으로 관찰된 증상에 더 잘 맵핑하기 위해, 본 발명의 모델은 공간적으로 질환 진행을 정량화하기 위해 스케일된 최소 세포-혈관 거리 d min / a MC 를 측정기준으로 사용했으며, 여기서 a MC 는 뮐러 세포의 전형적 크기이다 (도 22D). 이는 기본적으로 개존성인 또는 폐쇄되지 않은 혈관에 대한 뮐러 세포 직경의 수이다. d min / a MC 는 각각의 추가의 모세혈관 닫힘과 함께 단조적으로 증가했다. 흥미롭게도, 제124주에 총 부피 유입의 신속한 하락을 촉발한 모세혈관 폐쇄는 d min / a MC 에 대해서는 가벼운 영향을 가졌다. 이는 모세혈관 분절의 위상 위치가 공간상-기반 측정기준에서 무시될 수 있었던 시스템 혈류 공급에 대한 영향력이 컸다는 것을 암시했다.
모든 세포 내에 산소 분압의 분포는 대부분의 세포가 10 내지 25 mmHg의 산소 분압을 가졌고, 혈관 근처에 위치한 작은 부분의 세포는 35 내지 40 mmHg의 범위인 더 높은 수준을 가졌고 (도 23), 어느 세포도 4 mmHg O2 미만의 산소 분압을 갖지 않는, 즉 어느 세포도 허혈성이지 않은, 정상 조건 하의 본질적으로 단일모드 형상을 나타냈다. VEGF의 상승에 의해 유발된 모세혈관 폐쇄는 점진적으로 분포를 변경하였다. 증가하는 수의 세포는 저산소성으로 바뀌었다. 산소가 중간 수준인 세포의 넓은 피크는 낮은 산소 수준의 더 많은 세포 및 약 25-30 mmHg로부터의 더 많은 세포 둘 다와 함께 감소하고 넓어졌다. 이는 이 조직 절편의 저산소성 영역의 크기가 더 크게 성장하고 있었던 동안, 더 많은 세포가 이중모드 산소화 분포를 생성하는 높은 산소화에 노출되었다는 것을 시사한다.
이 모델의 결과는 임상적으로 나타난 것과 눈에 띄게 닮은 생성된 영상의 관점에서, 뿐만 아니라 또한 구체적인 초기 모세혈관 닫힘에 대한 모델의 단일 구동에서 시간 경과에 따라 변화가 발생한다는 것을 나타내는 그래프에 요약된 바와 같이 중요하다 (도 18-23). 시간 경과에 따라 확장된 FAZ 근처의 모세혈관 상실의 패턴은 당뇨병 환자에서 나타난 것과 매우 유사하다. 중심와주위 면적에서 허혈과 부종이 혼합된 패턴은 또한 통상적으로 임상적으로 나타나는 것이다. 도 22C의 곡선은 유동이 일정 기간 동안 기준선 수준에서 13%만큼까지 오르고, 이어서 감소한다는 점에서 가장 흥미롭다. 전체 모세혈관망이 폐쇄된 말기 당뇨병성 망막병증에서, 유동은 명백하게 떨어질 것이다. 모세혈관망의 상실의 더 이른 단계가 증가된 총 유동을 생성할 것인지는 덜 분명하다. 이는 모델이 유동을 증가시켰을 적합화 모듈의 결과로서 및 또한 부분적으로 망 구조의 변화로 인해 모세혈관의 약간의 확장을 갖기 때문에 발생한다. 당뇨병의 혈류에 대한 문헌은 질환의 상이한 단계에 있는 당뇨병 환자에 대해 유동을 영상화하는 수많은 상이한 기술을 사용하여 상이한 위치에서 측정하기 때문에 일관성이 없었다 (문헌 [Burgansky-Eliash et al., Retina. 2012;32(1):112-9] 참조). 망막 기능 이미저 (RFI)로부터의 데이터는 작은 중심와주위 혈관에서 유속을 측정하고, 모델에서 혈관 크기에 대부분의 비슷한 것처럼 보인다. 이 데이터는 그것이 임상적으로 나타난 형태학적 변화 없이 당뇨병 환자에서 상승된 망막 혈류 속도를 나타낸다는 점에서 모델과 일치한다 (Burgansky-Eliash et al.,, 2012). 이것은 시뮬레이션 제1년 또는 2년 (대략 100 주)의 환자와 유사할 것이다. 대조군에 비한 혈류의 퍼센트 증가는, 문헌 [Burgansky-Eliash et al., 2012]에서 약 15%였고, 모델의 결과와 정량적으로 유사하였다. 생리학상, 이것은 가능성 있게는 조직 저산소증 (Gardiner et al., Microcirculation. 2007;14(1):25-38) 및 증가된 산화질소 신타제 (do Carmo et al., Gen Pharmacol. 1998;30(3):319-24)로 인한 상승된 혈관확장제 메카니즘에 부차적이고, 가능성 있게는 환자가 임상적으로 가시적 변화를 갖지 않았음에도 불구하고 발생할 수 있었던 망 변화이다. 모델은 그것이 명백하게 임의의 유사한 메카니즘을 이용하지 않을지라도 이 효과를 복제한다. 부종을 동반한 증가된 황반 혈류의 이 패턴 (도 21)은 문헌 [Skov et al., Graefes Arch Clin Exp Ophthalmol. 2011;249(3):407-12]에 의해 강조된 당뇨병성 병변의 영역상 분포와 일치한다. 부르간스키-엘리아쉬(Burgansky-Eliash)는 2010년에 (Retina. 2010;30(5):765-73) 임상적 망막병증의 이 단계에서 이 시뮬레이션의 보다 이후의 주수에서 나타난 혈류 감소와 비슷한 감소된 혈류를 나타내는 비-증식성 당뇨병성 망막병증을 가진 환자에 대한 RFI 데이터를 가지고 있다. 당뇨병에서의 정맥 산소 포화가 정상에서 나타나는 것보다 상승된다는 것을 보여주는 당뇨병에서의 정맥 산소 포화에 대한 임상 데이터가 또한 존재한다 (Hammer et al., Graefes Arch Clin Exp Ophthalmol. 2009;247(8):1025-30). 이 모델은 정맥 산소 수준을 특이적으로 취급하지 않았지만, 혈류가 일정한 입력 산소 포화에 따라 오르고 있었고 이는 저산소성 망막 세포에서의 상승을 동시에 발생시켰기 때문에, 망막 산소 추출은 상승된 정맥 산소 포화를 생성하는 더 낮은 것이어야 한다. 산소 맵은 세정맥 주위에서 상승된 산소 포화의 확장된 적색의 조직 면적 ("V" 근처의 상단 우측 모서리 도 9C vs 9A)으로서 이를 정성적으로 나타낸다. 해머(Hammer) 등은 정맥 산소 수준의 이 상승을 감소된 산소 추출을 생성하는 단축된 동맥-정맥 통과 시간으로 인한 것으로 해석한다.
반복 시뮬레이션
황반 모세혈관 섹터 시뮬레이션의 362회 반복은 상이한 초기 폐쇄 부위의 결과를 추적하기 위해 슈퍼컴퓨터에서 실행되었고, 유동-산소 상 다이어그램에서 진행 상태의 발생을 연구하였다 (도 24A-24B). 모세혈관 폐쇄의 확률론적 측면은 모델의 반복된 구동이 동일한 패턴의 모세혈관 상실을 생성하지 않을 것이지만, 반복의 유사성이 망 구조에 의해 강하게 영향을 받을 것이라는 것을 의미한다. 유동-산소 상 다이어그램에서, 정상 조건 (암청색 원)은 국한된 범위에서 클러스터링되었으며, 이는 모든 시뮬레이션이 예상된 바와 같이 초기에 유사한 평형 산소 분압 및 총 유입량을 가졌다는 것을 나타냈다 (도 24A). 원은 점진적으로 산재되었는데, 이는 여러 시뮬레이션이 상이한 질환 진행 궤적을 생성하는 여러 폐쇄 부위를 무작위로 골랐기 때문이다. 제156주에, 대부분의 시뮬레이션은 초기 산소-유동 상태에서 멀지 않게 이르렀으며, 이는 파생된 폐쇄가 없는 상황에 상응했다. 대조적으로, 일부 시뮬레이션은 주로 저산소 영역에 위치한 원위 종료-지점 상태를 나타냈으며, 이는 진행성 모세혈관 폐쇄의 악화를 나타냈다. 모든 이러한 시뮬레이션의 일시적 궤적은 시뮬레이션이 제3년에서 75% 미만의 총 유입량 또는 산소 분압을 보여준 경우에 시각화되었다 (도 24B). 대부분의 이러한 시뮬레이션은 평형 상태에서 시작하여, 저-산소 및 고-유동 존을 통해 통과하고, 모세혈관망의 심각하게 손상된 종료-지점을 나타내는 상 다이어그램의 저-산소 및 저-유동 영역에서 끝나는 시간적으로 시계 방향 궤적을 따랐다. 나머지는 일시적 발생 패턴을 추적하는 것으로 보였지만 여전히 전이 단계에 남아있었다. 이들 그래프는 모델의 전형적 구동의 결과를 나타낸다. 이것은 망막병증이 어떻게 시스템 산소화 및 총 혈액 공급의 관점에서 진행되는지의 일반적 사진을 설명할 수 있다. 임상적으로, 많은 당뇨병 환자에서 임상적으로 유의한 망막병증이 발생하지 않는 반면, 소수는 모세혈관 닫힘의 유의한 전파를 가진다는 것에 유의한다. 이 모델은 진행의 이러한 가변성이 당뇨병성 관리의 다른 측면 및 유전/후성 인자 이외에, 어느 모세혈관이 처음에 폐쇄되었는지의 관점에서의 확률, '불운'의 상당한 요소를 가졌을 수 있다는 것을 나타낼 것이다.
특정 초기 폐쇄 부위가 주어진 모세혈관망의 취약성이 추가로 요약되었다 (도 25A-25B). 상대적으로 느린 혈류를 운반하는 모든 모세혈관 분절 중에서, FAZ 근처의 2개의 모세혈관의 초기 폐쇄는 파생된 폐쇄를 촉발시키는 것에 있어 가장 영향력이 있는 것으로 보였고, 반면에 다른 것의 폐쇄는 덜 상당한 영향을 가졌다. 두 사례는 초기 폐쇄 부위에 더 근접한 모세혈관이 더 높은 빈도의 폐쇄를 보유하는, 공간적으로 관련된 개존성 분포를 나타냈다. 드물지 않게, 말단 FAZ 세정맥 및 세동맥 근처의 모세혈관은 또한 폐쇄의 후보였다. 이들 모세혈관의 닫힘은 이웃하는 중심와 세동맥-세정맥 섹터에 손상을 전파할 가능성이 있었다. 이들 구동은 유사한 결과를 나타내고, 이 대상체의 모세혈관망의 특정 부분은 폐쇄에 취약한 것으로 나타난 반면, 다른 것은 더 회복력이 있는 것으로 보인다. 이러한 보다 회복력이 있는 면적은 보다 조밀하게 위치한 모세혈관을 소유하는 경향이 있었고, 이에 따라 모세혈관 폐쇄에 의해 생성된 허혈의 면적이 작고 결과적으로 생성된 국부 VEGF 생산의 증가 및 전파의 확률도 그러하다. 모세혈관의 폐쇄 또는 생존은 국부 모세혈관망 구조에 의해 대단히 영향을 받는다. 이들 결과에서 나타난 이러한 현상은 추가로 혈관 불투명성의 결과로 생기는 시각적 장애가 덜 중요한, 어쩌면 보다 밀접하게 이격된 모세혈관을 허용하는 중심와에서의 보다 조밀한 모세혈관망의 결과일 수 있다. 임상적으로 FAZ의 확대로 불리는, 중심와주위 모세혈관의 이러한 상실의 패턴은 일반적으로 황반 허혈 발생의 임상적 패턴으로 보여진다.
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Claims (35)
- 광응고 화상 패턴의 경계 내에서 망막 조직의 산소화를 유지하기에 충분한 간격을 갖는 광응고 화상 패턴을 대상체의 망막 상에 생성시키는 것을 포함하는, 대상체에서 허혈성 망막 혈관 질환을 치료하거나, 또는 망막 허혈의 발병 또는 진행을 예방 또는 최소화하는 방법.
- 제1항에 있어서, 광응고 화상의 간격이 (a) 광응고 화상 패턴의 한 쌍의 개별 광응고 화상; 및 (b) 광응고 화상 패턴의 개별 광응고 화상 및 세동맥 또는 세정맥 중 적어도 1개의 사이에 약 140 마이크로미터 이하의 갭을 생성하는 것인 방법.
- 제1항에 있어서, 광응고 화상의 간격이 또 다른 광응고 화상, 세동맥 또는 세정맥으로부터 약 140 마이크로미터보다 더 멀리 있지 않는 광응고 화상 패턴의 개별 광응고 화상을 생성하는 것인 방법.
- 제1항에 있어서, 광응고 화상 패턴의 개별 광응고 화상이 약 50 마이크로미터 내지 약 300 마이크로미터의 길이 및 약 20 마이크로미터 내지 약 100 마이크로미터의 폭을 갖는 밴드 형상을 가지며, 여기서 밴드 형상의 길이는 폭보다 더 큰 것인 방법.
- 제1항에 있어서, 광응고 화상 패턴의 개별 광응고 화상이 약 300 마이크로미터의 길이 및 약 100 마이크로미터의 폭, 또는 약 52 마이크로미터의 길이 및 약 20 마이크로미터의 폭의 치수를 갖는 밴드 형상을 갖는 것인 방법.
- 제4항 또는 제5항에 있어서, 광응고 화상 패턴의 밴드 형상의 개별 광응고 화상이 망막의 세동맥과 세정맥 사이의 대략 중앙에 배치되는 것인 방법.
- 제1항에 있어서, 광응고 화상 패턴의 개별 광응고 화상이 대략 원형이고, 약 20 마이크로미터 내지 약 100 마이크로미터의 직경을 갖는 것인 방법.
- 제1항에 있어서, 광응고 화상 패턴의 개별 광응고 화상이 대략 원형이고, 약 60 마이크로미터 또는 약 80 마이크로미터의 직경을 갖는 것인 방법.
- 제7항 또는 제8항에 있어서, 광응고 화상 패턴의 대략 원형의 개별 광응고 화상이 망막의 세동맥과 세정맥 사이의 대략 중앙에 배치되거나, 또는 세동맥 또는 세정맥에 대략 인접하여 배치되는 것인 방법.
- 제1항 내지 제5항, 제7항 및 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 망막 혈관 질환이 당뇨병성 망막병증인 방법.
- 제1항 내지 제5항, 제7항 및 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 망막이 허혈성 망막 조직을 포함하거나, 비-허혈성 망막 조직이거나, 또는 허혈성 및 비-허혈성 망막 조직의 조합인 방법.
- 제1항 내지 제5항, 제7항 및 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 망막이 비-허혈성 망막 조직을 포함하고, 대상체가 망막 혈관 질환의 발생 위험이 있는 것인 방법.
- 제11항에 있어서, 대상체가 망막 혈관 질환을 갖는 것인 방법.
- 제1항 내지 제5항, 제7항 및 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 광응고 화상 패턴이 레이저에 의해 생성된 것인 방법.
- 제14항에 있어서, 광응고 화상 패턴의 생성이 자동화된 것인 방법.
- 제1항 내지 제5항, 제7항 및 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 광응고 화상 패턴을 생성하기 전에 혈관조영상을 수행하는 것을 추가로 포함하는 방법.
- 제6항에 있어서, 방법이 광응고 화상 패턴을 생성하기 전에 혈관조영상을 수행하는 것을 추가로 포함하고, 광응고 화상 패턴이 혈관조영상에 따라 배치되는 것인 방법.
- 제9항에 있어서, 방법이 광응고 화상 패턴을 생성하기 전에 혈관조영상을 수행하는 것을 추가로 포함하고, 광응고 화상 패턴이 혈관조영상에 따라 배치되는 것인 방법.
- 허혈의 진행을 유발하는 것으로 예측되는 황반의 1개 이상의 면적에서의 또는 그 근처에서의 모세혈관 또는 모세혈관 분절의 폐쇄 후에 상기 1개 이상의 면적에 1개 이상의 광응고 화상을 적용하는 것을 포함하는, 대상체에서 황반 부종을 치료 또는 예방하거나, 또는 망막 허혈의 진행을 치료 또는 예방하는 방법.
- 제19항에 있어서, 허혈의 진행을 유발하는 것으로 예측되는 황반의 1개 이상의 면적에서의 또는 그 근처에서의 모세혈관 또는 모세혈관 분절의 폐쇄 후에 상기 1개 이상의 면적이 대상체의 황반 모세혈관 해부학적 구조를 모델링하고, 각각의 모세혈관 또는 모세혈관 분절에 대한 위험 맵을 생성하고, 폐쇄되는 경우 허혈의 진행을 유발하는 것으로 각각의 모세혈관 또는 모세혈관 분절에 대한 위험 맵에 의해 예측되는 1개 이상의 모세혈관 또는 모세혈관 분절을 선택함으로써 확인되는 것인 방법.
- 제20항에 있어서, 1개 이상의 모세혈관 또는 모세혈관 분절이 모세혈관 또는 모세혈관 분절에 대한 위험 맵이 시뮬레이션 후에 약 0.2 이상의 주위 모세혈관의 폐쇄의 빈도를 나타내는 경우에 선택되는 것인 방법.
- 제21항에 있어서, 제20항 또는 제21항의 방법에 의해 모델링될 1개 이상의 모세혈관 또는 모세혈관 분절을 선택하는 것을 추가로 포함하며, 여기서 1개 이상의 모세혈관 또는 모세혈관 분절은 대상체의 황반 모세혈관 해부학적 구조의 각각의 모세혈관 또는 모세혈관 분절에서 다음으로 가장 가까운 모세혈관 또는 모세혈관 분절까지의 거리를 결정하고, 다음으로 가장 가까운 모세혈관 또는 모세혈관 분절까지 약 140 마이크로미터 초과의 거리를 갖는 모델링을 위한 1개 이상의 모세혈관 또는 모세혈관 분절을 선택함으로써 선택되는 것인 방법.
- 제19항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서, 대상체의 황반 모세혈관 해부학적 구조를 결정하는 것을 추가로 포함하는 방법.
- 제23항에 있어서, 대상체의 황반 모세혈관 해부학적 구조가 혈관조영, 적응 광학 스캐닝 레이저 검안경검사 또는 광 간섭 단층촬영-혈관조영에 의해 결정되는 것인 방법.
- 제19항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서, 1개 이상의 면적에서의 또는 그 근처에서의 모세혈관 또는 모세혈관 분절의 폐쇄 후에 허혈의 진행을 유발하는 것으로 예측되는 황반의 면적이 컴퓨터 시스템에 의해 확인되는 것인 방법.
- 제19항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서, 1개 이상의 광응고 화상이 약 20 마이크로미터 내지 약 100 마이크로미터의 직경을 갖는 것인 방법.
- 제19항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서, 1개 이상의 광응고 화상이 약 50 마이크로미터의 직경을 갖는 것인 방법.
- 제19항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서, 1개 이상의 광응고 화상이 레이저에 의해 생성된 것인 방법.
- 제28항에 있어서, 1개 이상의 광응고 화상의 생성이 컴퓨터 가이드된 것인 방법.
- 제28항에 있어서, 1개 이상의 광응고 화상의 생성이 자동화된 것인 방법.
- 제19항 내지 제21항 중 어느 한 항에 따른 방법을 수행하도록 구성된 시스템.
- 제31항에 있어서, 프로세서 및 메모리로 구현되는 컴퓨터-실행가능 명령어를 갖는 1개 이상의 컴퓨터-판독가능 매체를 포함하는 프로세서 및 메모리를 포함하며, 여기서 프로세서에 의해 실행되는 경우에, 컴퓨터 실행가능 명령어는 프로세서가 허혈의 진행을 유발하는 것으로 예측되는 황반의 1개 이상의 면적에서의 또는 그 근처에서의 모세혈관 또는 모세혈관 분절의 폐쇄 후에 상기 1개 이상의 면적을 확인하도록 하는 것인 시스템.
- 제31항에 있어서, 프로세서가 대상체의 황반 모세혈관 해부학적 구조의 입력을 수신하도록 구성된 것인 시스템.
- 제31항에 있어서, 허혈의 진행을 유발하는 것으로 예측되는 황반의 1개 이상의 면적에서의 또는 그 근처에서의 모세혈관 또는 모세혈관 분절의 폐쇄 후에 상기 1개 이상의 면적의 확인이 대상체의 황반 모세혈관 해부학적 구조를 모델링하고, 각각의 모세혈관 또는 모세혈관 분절에 대한 위험 맵을 생성하고, 폐쇄되는 경우 허혈의 진행을 유발하는 것으로 각각의 모세혈관 또는 모세혈관 분절에 대한 위험 맵에 의해 예측되는 1개 이상의 모세혈관 또는 모세혈관 분절을 선택하는 것을 포함하는 것인 시스템.
- 제34항에 있어서, 1개 이상 모세혈관 또는 모세혈관 분절이 모세혈관 또는 모세혈관 분절에 대한 위험 맵이 시뮬레이션 후에 약 0.2 이상의 주위 모세혈관의 폐쇄의 빈도를 나타내는 경우에 선택되는 것인 시스템.
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