[論文レビュー] Spatially-resolved Brillouin spectroscopy reveals biomechanical changes in early ectatic corneal disease and post-crosslinking in vivo

Peng Shao, Amira M. Eltony+6 more|arXiv (Cornell University)|Feb 4, 2018

Corneal surgery and disorders参考文献 1被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、空間分解能のあるブリルーリン分光法を用いて、臨床的診断以前に角膜の生物学的力学的特性の早期不均一性および変性疾患の兆候となる左右の角膜の非対称性を非侵襲的かつ生体で評価した。本研究は、初めて生体で角膜クロスリンク治療後の硬化を測定した。ブリルーリン顕微鏡法は、変性性角膜疾患の早期発見および治療経過観察に感受性の高いツールであると示した。

ABSTRACT

Mounting evidence connects the biomechanical properties of tissues to the development of eye diseases such as keratoconus, a common disease in which the cornea thins and bulges into a conical shape. However, measuring biomechanical changes in vivo with sufficient sensitivity for disease detection has proved challenging. Here, we present a first large-scale study (~200 subjects, including normal and keratoconus patients) using Brillouin light-scattering microscopy to measure longitudinal modulus in corneal tissues with high sensitivity and spatial resolution. Our results in vivo provide evidence of biomechanical inhomogeneity at the onset of keratoconus and suggest that biomechanical asymmetry between the left and right eyes may presage disease development. We additionally measure the stiffening effect of corneal crosslinking treatment in vivo for the first time. Our results demonstrate the promise of Brillouin microscopy for diagnosis and treatment of keratoconus, and potentially other diseases.

研究の動機と目的

• 変性性疾患の発症に伴う角膜組織の生物学的力学的変化を早期に検出すること。特に、角膜変性症（ケラトコンジア）を対象とする。
• 空間分解能のあるブリルーリン分光法が生体で非侵襲的かつ角膜の生物学的力学的特性を測定する可能性を評価すること。
• 疾患発症の前触れとしての予後的バイオマーカーとなる可能性を有する、左右の角膜間の生物学的力学的非対称性を調査すること。
• ブリルーリン分光法を用いて、生体で角膜クロスリンク治療による硬化効果を定量的に測定すること。
• 角膜の生物学的力学的障害の診断および経過観察のための定量的かつ空間分解能のある手法を確立すること。

提案手法

• 空間分解能のあるブリルーリン分光法を用いて、複数の位置で角膜基質の縦弾性率を生体で測定した。
• 角膜中心からのさまざまな距離（エクシセントリシティ）で角膜組織をプローブするための独自開発の非侵襲的レーザーシステムを用いた。
• 非弾性散乱光からのブリルーリン周波数シフトを測定し、これが組織の縦弾性率と直接関連していることを確認した。
• 健康な被験者および早期ケラトコンジアを有する患者を含む約200名の被験者からデータを収集した。
• 統計解析により、正常群、早期変性群、クロスリンク治療後群の間での生物学的力学的パラメータを比較した。
• 本手法は、高い空間分解能（0.5 mm未満）と微小な生物学的力学的変化に対する感受性を達成した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 空間分解能のあるブリルーリン分光法は、変性疾患の初期段階における角膜の生物学的力学的不均一性を検出できるか？
• RQ2 将来的にケラトコンジアを発症する個体において、左眼と右眼の間で測定可能な生物学的力学的非対称性が存在するか？
• RQ3 ブリルーリン分光法を用いて、生体で角膜クロスリンク治療が誘発する明確で定量可能な硬化反応を検出できるか？
• RQ4 ブリルーリン分光法は、生物学的力学的パラメータに基づいて、正常角膜と早期ケラトコンジア角膜を区別できるか？
• RQ5 変性疾患の初期段階における角膜の生物学的力学的変化の空間的分布はどのようになっているか？

主な発見

• 臨床的診断以前に、早期ケラトコンジア患者の角膜で生物学的力学的不均一性が検出された。
• 早期変性疾患を有する個体において、左眼と右眼の間で顕著な生物学的力学的非対称性が観察され、疾患発症の予測バイオマーカーとしての可能性が示された。
• 本研究は、ブリルーリン分光法を用いた角膜クロスリンク治療後の生体での最初の硬化測定を実施した。
• クロスリンク治療後、角膜の剛性が顕著に上昇し、複数の角膜領域で縦弾性率に測定可能な変化が認められた。
• 空間分解能のあるマッピングにより、生物学的力学的特性の領域的ばらつきが明らかになった。特に中心部および周辺中心部で最も顕著な変化が観察された。
• 本手法は、生体のヒト角膜における微小で初期段階の生物学的力学的変化を検出するのに十分な感受性と空間分解能を示した。