Aqueous Humor Outflow Structure and Function Imaging At the Bench and Bedside: A Review.

Anterior segment glaucoma clinical care and research has recently gained new focus because of novel imaging modalities and the advent of angle-based surgical treatments. Traditional investigation drawn to the trabecular meshwork now emphasizes the entire conventional aqueous humor outflow (AHO) pathway from the anterior chamber to the episcleral vein. AHO investigation can be divided into structural and functional assessments using different methods. The historical basis for studying the anterior segment of the eye and AHO in glaucoma is discussed. Structural studies of AHO are reviewed and include traditional pathological approaches to modern tools such as multi-model two-photon microscopy and optical coherence tomography. Functional assessment focuses on visualizing AHO itself through a variety of non-real-time and real-time techniques such as aqueous angiography. Implications of distal outflow resistance and segmental AHO are discussed with an emphasis on melding bench-side research to viable clinical applications. Through the development of an improved structure: function relationship for AHO in the anterior segment of the normal and diseased eye, a better understanding of the eye with improved therapeutics may be developed

SPECTRAL DOMAIN OCT DOPPLER ASSESSES AQUEOUS OUTFLOW

Glaucoma is the second leading cause of blindness worldwide, affecting approximately 67 million people and costing the US healthcare system an estimated $2.5 billion annually. The greatest risk factor for the diagnosis and progression of glaucoma is high eye pressure. All glaucoma medications and procedures are designed to reduce eye pressure, slowing disease progression and preserving vision. The eye’s aqueous humor nourishes avascular tissues in the anterior segment. It also maintains the eye’s geometry by pressurizing the globe, facilitating its ability to focus light on the retina. The balance between aqueous humor production and uptake is responsible for the pressure within the eye. Most glaucoma medications are designed to reduce pressure by increasing aqueous humor outflow, and surgeries are designed to enhance or bypass exiting outflow pathways. But, the effects of medications and procedures on a patient by patient basis on outflow remain speculative. Here, techniques for the non-invasive direct mapping and measurement of aqueous humor outflow in the living human eye are proposed. Mapping provides morphometric insights and measurements of the components of the outflow system, while the flow technique is the first to provide direct measurements of outflow, free of the assumptions plaguing other modalities. “Virtual casting” of the outflow system yields 3D maps from which terminal branches are identified. Doppler measurements quantify velocity within those branches. Total aqueous humor outflow is determined by integrating calculated flow across all identified terminal branches. These technologies can be adapted to existing FDA approved OCT clinical scanners. Clinical application of these technologies may improve the management of glaucoma by reducing the time needed to determine and implement optimal therapeutic strategies, thereby preserving vision in glaucoma patients

Visualization of conventional outflow tissue responses to netarsudil in living mouse eyes

AbstractVisual impairment due to glaucoma currently impacts 70 million people worldwide. While disease progression can be slowed or stopped with effective lowering of intraocular pressure, current medical treatments are often inadequate. Fortunately, three new classes of therapeutics that target the diseased conventional outflow tissue responsible for ocular hypertension are in the final stages of human testing. The rho kinase inhibitors have proven particularly efficacious and additive to current therapies. Unfortunately, non-contact technology that monitors the health of outflow tissue and its response to conventional outflow therapy is not available clinically. Using optical coherence tomographic (OCT) imaging and novel segmentation software, we present the first demonstration of drug effects on conventional outflow tissues in living eyes. Topical netarsudil (formerly AR-13324), a rho kinase/ norepinephrine transporter inhibitor, affected both proximal (trabecular meshwork and Schlemm’s Canal) and distal portions (intrascleral vessels) of the mouse conventional outflow tract. Hence, increased perfusion of outflow tissues was reliably resolved by OCT as widening of the trabecular meshwork and significant increases in cross-sectional area of Schlemm’s canal following netarsudil treatment. These changes occurred in conjunction with increased outflow facility, increased speckle variance intensity of outflow vessels, increased tracer deposition in conventional outflow tissues and decreased intraocular pressure. This is the first report using live imaging to show real-time drug effects on conventional outflow tissues and specifically the mechanism of action of netarsudil in mouse eyes. Advancements here pave the way for development of a clinic-friendly OCT platform for monitoring glaucoma therapy

Glaucoma

This book addresses the basic and clinical science of glaucomas, a group of diseases that affect the optic nerve and visual fields and is usually accompanied by increased intraocular pressure. The book incorporates the latest development as well as future perspectives in glaucoma, since it has expedited publication. It is aimed for specialists in glaucoma, researchers, general ophthalmologists and trainees to increase knowledge and encourage further progress in understanding and managing these complicated diseases

Molecular screening of myocilin gene in patients with positive family history of glaucoma.

METHODOLOGY: All patients underwent a thorough ophthalmological examination after obtaining a detailed family history with custom designed questionnaire. On securing informed consent, the blood samples were collected from probands and their available family members and subjected to DNA analysis. DNA was isolated using Phenol-Chloroform-iso amyl alcohol method and amplified using polymerase chain reaction. Purified PCR product was then directly sequenced using forward primer. The sequences were aligned for homology with their respective reference sequences using NCBI BLASTN and analysed for probable sequence variations. RESULTS: A total of 35 subjects were included in this study. Majority of the probands were females in the age group of 50-70 years. DNA analysis was done which showed exonic variations in six of the probands of which three had variations in exon 1, two in exon 3 and one had in both exon 1 and exon 3. All these exonic variations were found to be heterozygous except two that were homozygous. The proband DKEG12A had four exonic variations one in exon 1 viz., R76K which was homozygous and other three were in exon 3 as T325M , L349L, R470R all were heterozygous. The change T325M is a novel variation. The proband DKEG11A had Q368X in heterozygous state which is a truncated mutation. Intronic variations were noted in proband DKEG3A, DKEG4A, DKEG5A, DKEG7A, DKEG9A, DKEG10A, and DKEG12A of which some of them were homozygous and some were of heterozygous. CONCLUSION: The truncated mutation Q368X has been found for the first time in south Indian population, though previous studies have documented this mutation in western as well as in north Indian population. Two novel synonymous variations L349L, R470R are being documented for the first time to be in association with glaucoma. The novel variation T325M has to be functionally characterised. Thus molecular screening may open an exciting frontier in the future to aid in early diagnosis and treatment of glaucoma

Biophysical properties of aqueous humour in ocular pathologies

El limbo corneoescleral contiene estructuras diseñadas para evacuar el humor acuso desde la cámara anterior del ojo hacia la circulación general. Estos elementos se encuentran entre el espolón escleral y la línea de Schwalbe que finalmente se continua con a membrana de Descemet del endotelio corneal. Su composición consta de tejido corneal, escleral, iridiano y del cuerpo ciliar; constituyendo elementos estructurales claves en el drenaje del humor acuoso como son: el canal de Schlemm, los canales colectores y la malla trabecular, y en ella sus tres regiones: uveal, corneoescleral y yuxtacanalicular. El canal Schlemm es un canal venoso circular de 36 µm de circunferencia y 350-500 µm de diámetro en su luz interna. La superficie de la luz está tapizada por células endoteliales que están unidas entre sí por uniones zonula occludens. En la pared interna del canal, a lo largo de su trayecto sinuoso, encontramos vesículas citoplasmáticas o vacuolas de grandes dimensiones de origen pinocítico que pueden llegar a medir 14 µm con aperturas puntuales hacia la luz del canal de 0.3 ¿ 2.0 µm postulandose que pueda ser un drenaje directo desde los espacios trabeculares hacia el canal de Schlemm. Existe controversia con respecto al hallazgo de poros inter y transcelulares en la pared interna del canal de Shlemm; puesto que algunos autores que analizan mediante microscopia electrónica de barrido la monocapa endotelial sostienen que su número aumenta con la elevación de la presión; otros, concluyen que su número se reduce en los ojos glaucomatosos. Donde sí parecen estar de acuerdo las últimas publicaciones es en destacar el dinamismo de este sistema de drenaje, y postulan que los cambios encontrados en su ultraestructura pudieran hablarnos a favor de un sistema sensible y cambiante con los cambios de presión intraocular. En física se denomina tensión superficial de un líquido a la cantidad de energía necesaria para aumentar su superficie por unidad de área. Las fuerzas intermoleculares en los líquidos, junto con las fuerzas existentes entre distintas superficies dan lugar a esta resistencia y condicionan la capacidad de capilaridad del líquido al contactar con una superficie sólida. Las fuerzas que afectan a cada molécula son diferentes en el interior del líquido y en la superficie. Así en el seno de un líquido cada molécula esta sometida a fuerzas de atracción que en promedio se anulan, permitiendo tener una energía bastante baja pero en la superficie existe una fuerza neta hacia el interior. Los agentes surfactantes al colocarse en la interfase entre dos sistemas actúan disminuyendo la tensión superficial y facilitando así la continuidad entre los mismos. Las moléculas más conocidas en este campo son los fosfolípidos y actúan como agentes anfipáticos al constar de una parte hidrófila y otra hidrófoba. Su acción es clave en la superficie alveolar evitando la atelectasia alveolar en la fase final de la espiración, y por el contrario su deficiencia precipita en Síndrome de Distress respiratorio del lactante. La malla trabecular y el tejido conectivo yuxtacanalicular contiene matriz extracelular y es conocido que la composición de glucosaminoglicanos y ácido hialurónico en esta estructura está alterada en el glaucoma. La disminución del contenido en ácido hialurónico tanto en la malla trabecular como en tejido yuxtacanalicular puede dificultar la capacidad de drenaje del humor acuso al elevarse su tensión superficial, incrementándose así las uniones intercelulares en la capa endotelial y finalmente colapsar los espacios trabeculares existentes en condiciones normales. Esto conlleva irremediablemente a la elevación de la presión intraocular; pero paradójicamente, puede elevarse también de forma mecánica tal y como se observa típicamente en la cirugía de la catarata tras la introducción de sustancias viscoelásticas compuestas de ácido hialurónico en cámara anterior que bloquean los espacios trabeculares. El desequilibrio en la proporción de glucosaminoglicanos mediante la inyección exógena sustancias viscoelásticas o de condritin sulfato en cámara anterior puede elevar significativamente la presión intraocular y permite desarrollar así un modelo de glaucoma experimental. El análisis proteómico de humor acuoso de pacientes con glaucoma mediante electroforésis ha demostrado diferencias cualitativas en su composición respecto a controles jugando un papel relevante en el glaucoma pseudoexfoliativo. En el único estudio hasta la fecha que analizan la tensión superficial del humor acuso se ha observado una disminución de la misma en los ojos afectos de glaucoma primario de ángulo abierto respecto a los ojos seleccionados como controles, siendo estos últimos os pacientes sometidos a cirugía de catarata. En este estudio la tensión superficial se analizó mediante la observación del tamaño y ángulo de contacto de una gota en suspensión siguiendo la técnica de Bashford-Adams. Desafortunadamente, al seleccionar un grupo de pacientes afectos de glaucoma excesivamente heterogéneo (tipos distintos de glaucoma y sometidos previamente a diversos fármacos antiglaucomatosos) y errores en la metodología en el diseño del estudio (recogida de material, condiciones biofísicas durante la conservación y posterior análisis) los resultados son contradictorios y no concluyentes. De todos modos, se postula que el humor acuoso de los ojos afectos de glaucoma al tener una menor tensión superficial, esto pueda interferir negativamente en la formación de vacuolas en su vía de drenaje hacia el canal de Schlemm. Estos mismos autores animan a proseguir futuros trabajos en esta misma línea de investigación y enfocarse a su vez en el análisis y la composición lipídica del humor acuoso en el glaucoma, al ser otro de los puntos clave para la formación de vesículas pinocítocas y su posterior drenaje

Computer Vision Based Early Intraocular Pressure Assessment From Frontal Eye Images

Intraocular Pressure (IOP) in general, refers to the pressure in the eyes. Gradual increase of IOP and high IOP are conditions or symptoms that may lead to certain diseases such as glaucoma, and therefore, must be closely monitored. While the pressure in the eye increases, different parts of the eye may become affected until the eye parts are damaged. An effective way to prevent rise in eye pressure is by early detection. Exiting IOP monitoring tools include eye tests at clinical facilities and computer-aided techniques from fundus and optic nerves images. In this work, a new computer vision-based smart healthcare framework is presented to evaluate the intraocular pressure risk from frontal eye images early-on. The framework determines the status of IOP by analyzing frontal eye images using image processing and machine learning techniques. A database of images from the Princess Basma Hospital was used in this work. The database contains 400 eye images; 200 images with normal IOP and 200 high eye pressure case images. This study proposes novel features for IOP determination from two experiments. The first experiment extracts the sclera using circular hough transform, after which four features are extracted from the whole sclera. These features are mean redness level, red area percentage, contour area and contour height. The pupil/iris diameter ratio feature is also extracted from the frontal eye image after a series of pre-processing techniques. The second experiment extracts the sclera and iris segment using a fully conventional neural network technique, after which six features are extracted from only part of the segmented sclera and iris. The features include mean redness level, red area percentage, contour area, contour distance and contour angle along with the pupil/iris diameter ratio. Once the features are extracted, classification techniques are applied in order to train and test the images and features to obtain the status of the patients in terms of eye pressure. For the first experiment, neural network and support vector machine algorithms were adopted in order to detect the status of intraocular pressure. The second experiment adopted support vector machine and decision tree algorithms to detect the status of intraocular pressure. For both experiments, the framework detects the status of IOP (normal or high IOP) with high accuracies. This computer vison-based approach produces evidence of the relationship between the extracted frontal eye image features and IOP, which has not been previously investigated through automated image processing and machine learning techniques from frontal eye images

Use of imaging technology to better understand soft contact lens fit dynamics

The principal theme of this thesis is the identification of additional factors affecting, and consequently to better allow, the prediction of soft contact lens fit. Various models have been put forward in an attempt to predict the parameters that influence soft contact lens fit dynamics; however, the factors that influence variation in soft lens fit are still not fully understood. The investigations in this body of work involved the use of a variety of different imaging techniques to both quantify the anterior ocular topography and assess lens fit. The use of Anterior-Segment Optical Coherence Tomography (AS-OCT) allowed for a more complete characterisation of the cornea and corneoscleral profile (CSP) than either conventional keratometry or videokeratoscopy alone, and for the collection of normative data relating to the CSP for a substantial sample size. The scleral face was identified as being rotationally asymmetric, the mean corneoscleral junction (CSJ) angle being sharpest nasally and becoming progressively flatter at the temporal, inferior and superior limbal junctions. Additionally, 77% of all CSJ angles were within ±50 of 1800, demonstrating an almost tangential extension of the cornea to form the paralimbal sclera. Use of AS-OCT allowed for a more robust determination of corneal diameter than that of white-to-white (WTW) measurement, which is highly variable and dependent on changes in peripheral corneal transparency. Significant differences in ocular topography were found between different ethnicities and sexes, most notably for corneal diameter and corneal sagittal height variables. Lens tightness was found to be significantly correlated with the difference between horizontal CSJ angles (r =+0.40, P =0.0086). Modelling of the CSP data gained allowed for prediction of up to 24% of the variance in contact lens fit; however, it was likely that stronger associations and an increase in the modelled prediction of variance in fit may have occurred had an objective method of lens fit assessment have been made. A subsequent investigation to determine the validity and repeatability of objective contact lens fit assessment using digital video capture showed no significant benefit over subjective evaluation. The technique, however, was employed in the ensuing investigation to show significant changes in lens fit between 8 hours (the longest duration of wear previously examined) and 16 hours, demonstrating that wearing time is an additional factor driving lens fit dynamics. The modelling of data from enhanced videokeratoscopy composite maps alone allowed for up to 77% of the variance in soft contact lens fit, and up to almost 90% to be predicted when used in conjunction with OCT. The investigations provided further insight into the ocular topography and factors affecting soft contact lens fit

Biophysical properties of aqueous humour in ocular pathologies

El limbo corneoescleral contiene estructuras diseñadas para evacuar el humor acuso desde la cámara anterior del ojo hacia la circulación general. Estos elementos se encuentran entre el espolón escleral y la línea de Schwalbe que finalmente se continua con a membrana de Descemet del endotelio corneal. Su composición consta de tejido corneal, escleral, iridiano y del cuerpo ciliar; constituyendo elementos estructurales claves en el drenaje del humor acuoso como son: el canal de Schlemm, los canales colectores y la malla trabecular, y en ella sus tres regiones: uveal, corneoescleral y yuxtacanalicular. El canal Schlemm es un canal venoso circular de 36 µm de circunferencia y 350-500 µm de diámetro en su luz interna. La superficie de la luz está tapizada por células endoteliales que están unidas entre sí por uniones zonula occludens. En la pared interna del canal, a lo largo de su trayecto sinuoso, encontramos vesículas citoplasmáticas o vacuolas de grandes dimensiones de origen pinocítico que pueden llegar a medir 14 µm con aperturas puntuales hacia la luz del canal de 0.3 ¿ 2.0 µm postulandose que pueda ser un drenaje directo desde los espacios trabeculares hacia el canal de Schlemm. Existe controversia con respecto al hallazgo de poros inter y transcelulares en la pared interna del canal de Shlemm; puesto que algunos autores que analizan mediante microscopia electrónica de barrido la monocapa endotelial sostienen que su número aumenta con la elevación de la presión; otros, concluyen que su número se reduce en los ojos glaucomatosos. Donde sí parecen estar de acuerdo las últimas publicaciones es en destacar el dinamismo de este sistema de drenaje, y postulan que los cambios encontrados en su ultraestructura pudieran hablarnos a favor de un sistema sensible y cambiante con los cambios de presión intraocular. En física se denomina tensión superficial de un líquido a la cantidad de energía necesaria para aumentar su superficie por unidad de área. Las fuerzas intermoleculares en los líquidos, junto con las fuerzas existentes entre distintas superficies dan lugar a esta resistencia y condicionan la capacidad de capilaridad del líquido al contactar con una superficie sólida. Las fuerzas que afectan a cada molécula son diferentes en el interior del líquido y en la superficie. Así en el seno de un líquido cada molécula esta sometida a fuerzas de atracción que en promedio se anulan, permitiendo tener una energía bastante baja pero en la superficie existe una fuerza neta hacia el interior. Los agentes surfactantes al colocarse en la interfase entre dos sistemas actúan disminuyendo la tensión superficial y facilitando así la continuidad entre los mismos. Las moléculas más conocidas en este campo son los fosfolípidos y actúan como agentes anfipáticos al constar de una parte hidrófila y otra hidrófoba. Su acción es clave en la superficie alveolar evitando la atelectasia alveolar en la fase final de la espiración, y por el contrario su deficiencia precipita en Síndrome de Distress respiratorio del lactante. La malla trabecular y el tejido conectivo yuxtacanalicular contiene matriz extracelular y es conocido que la composición de glucosaminoglicanos y ácido hialurónico en esta estructura está alterada en el glaucoma. La disminución del contenido en ácido hialurónico tanto en la malla trabecular como en tejido yuxtacanalicular puede dificultar la capacidad de drenaje del humor acuso al elevarse su tensión superficial, incrementándose así las uniones intercelulares en la capa endotelial y finalmente colapsar los espacios trabeculares existentes en condiciones normales. Esto conlleva irremediablemente a la elevación de la presión intraocular; pero paradójicamente, puede elevarse también de forma mecánica tal y como se observa típicamente en la cirugía de la catarata tras la introducción de sustancias viscoelásticas compuestas de ácido hialurónico en cámara anterior que bloquean los espacios trabeculares. El desequilibrio en la proporción de glucosaminoglicanos mediante la inyección exógena sustancias viscoelásticas o de condritin sulfato en cámara anterior puede elevar significativamente la presión intraocular y permite desarrollar así un modelo de glaucoma experimental. El análisis proteómico de humor acuoso de pacientes con glaucoma mediante electroforésis ha demostrado diferencias cualitativas en su composición respecto a controles jugando un papel relevante en el glaucoma pseudoexfoliativo. En el único estudio hasta la fecha que analizan la tensión superficial del humor acuso se ha observado una disminución de la misma en los ojos afectos de glaucoma primario de ángulo abierto respecto a los ojos seleccionados como controles, siendo estos últimos os pacientes sometidos a cirugía de catarata. En este estudio la tensión superficial se analizó mediante la observación del tamaño y ángulo de contacto de una gota en suspensión siguiendo la técnica de Bashford-Adams. Desafortunadamente, al seleccionar un grupo de pacientes afectos de glaucoma excesivamente heterogéneo (tipos distintos de glaucoma y sometidos previamente a diversos fármacos antiglaucomatosos) y errores en la metodología en el diseño del estudio (recogida de material, condiciones biofísicas durante la conservación y posterior análisis) los resultados son contradictorios y no concluyentes. De todos modos, se postula que el humor acuoso de los ojos afectos de glaucoma al tener una menor tensión superficial, esto pueda interferir negativamente en la formación de vacuolas en su vía de drenaje hacia el canal de Schlemm. Estos mismos autores animan a proseguir futuros trabajos en esta misma línea de investigación y enfocarse a su vez en el análisis y la composición lipídica del humor acuoso en el glaucoma, al ser otro de los puntos clave para la formación de vesículas pinocítocas y su posterior drenaje

Morfología y morfometría del ángulo camerular y de la malla trabecular: estudio mediante tomografía de coherencia óptica de segmento anterior Fourier Domain

Tesis inédita de la Universidad Complutense de Madrid, Facultad de Medicina, Departamento de Oftalmología y Otorrinolaringología, leída el 26-03-2014Depto. de Inmunología, Oftalmología y ORLFac. de MedicinaTRUEunpu