Kartierung der Lamellenstruktur menschlicher Hornhäute mittels polarisationsaufgelöster SHG

Eine wesentliche Aufgabe der Hornhaut besteht darin, zur Fokussierung des Lichts auf der Netzhaut beizutragen. Seine gebogene Form und damit seine Fähigkeit, Licht zu fokussieren, müssen absolut stabil sein, um trotz der verschiedenen Stöße und Reibungen im Laufe eines Tages ein scharfes Bild zu gewährleisten. Die Hornhaut besteht somit aus mehreren hundert übereinander gestapelten Kollagenlamellen mit unterschiedlicher Ausrichtung in der Ebene.

Doch die für die Sehschärfe wesentliche Transparenz dieses Gewebes stellt ein Hindernis für die optische Abbildung seiner Struktur mit herkömmlichen Lichtmikroskopen dar. Infolgedessen schränkt die unzureichende Charakterisierung der Lamellenstruktur der Hornhaut heute unser Verständnis des Zusammenhangs zwischen Struktur und Funktion dieses Gewebes, insbesondere im Hinblick auf seine mechanischen Eigenschaften, ein. Eine weitere Einschränkung betrifft das Verständnis bestimmter Pathologien, die mit einer defekten Struktur wie Keratokonus verbunden sind.

In einem neuen Artikel veröffentlicht in Licht: Wissenschaft und Anwendungenhat ein Team von Wissenschaftlern unter der Leitung von Professor Marie-Claire Schanne-Klein vom Labor für Optik und Biowissenschaften an der Ecole Polytechnique, CNRS, Inserm und dem Institut Polytechnique de Paris, Palaiseau, Frankreich, eine aktuelle dreidimensionale (3D) Optik verwendet Bildgebungstechnik: Mikroskopie der zweiten harmonischen Generation (SHG), die eine spezifische Visualisierung von Kollagen ohne vorherige Markierung ermöglicht.

Die Originalität ihres Ansatzes besteht darin, mit der Polarisation des Lichts zu spielen, um die Richtung der Kollagenfibrillen aufzudecken, aus denen die Lamellen der Hornhaut bestehen. Diese Bildgebung wird in Reflexion mittels Epidetektion durchgeführt und kann weiterentwickelt werden, um schließlich eine In-vivo-Diagnose zu ermöglichen. Ein weiterer Vorteil dieser Konfiguration besteht darin, dass sie weitaus genauere Ergebnisse liefert als die Übertragung.

Dies liegt daran, dass die Kohärenzlänge von SHG-Prozessen in Rückwärtsrichtung kürzer ist als in Vorwärtsrichtung, was in der Praxis eine bessere räumliche Auflösung gewährleistet. Auf diese Weise wurden zehn intakte menschliche Hornhäute charakterisiert. Eine sorgfältige Validierung wurde mit zwei selbstreferenzierten Methoden durchgeführt, da die SHG-Polarimetrie noch nie an Gewebe dieser Dicke (ca. 600 µm) durchgeführt wurde.

Insbesondere haben die Autoren bestätigt, dass die gleiche Struktur durch die Abbildung der Hornhaut in zwei unterschiedlichen Ausrichtungen erhalten wird. Diese Studie hat somit zum ersten Mal gezeigt, dass die Lamellen der menschlichen Hornhaut zwar global in zwei senkrechten Richtungen ausgerichtet sind, ihre Hauptrichtung sich jedoch mit der Tiefe ändert.

Diese Studie ebnet den Weg für vielversprechende neue Charakterisierungen der Hornhaut: Kartierung der Größe und Verteilung von Lamellen als Funktion der Tiefe, aber auch als Funktion der Position (Zentrum gegenüber Peripherie des Gewebes). Diese Informationen fließen in die mechanische Modellierung des Hornhautverhaltens als Reaktion auf Schwankungen des Augeninnendrucks oder Heilungsprozesse ein. Schließlich wird die Untersuchung pathologischer Gewebe es ermöglichen, die Rolle der Hornhautstruktur bei bestimmten Krankheiten festzustellen.