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In der modernen Augenheilkunde werden Injektionen und Implantate in periokulare Regionen oder direkt in den Glaskörper injiziert. Bei der Entwicklung neuer ophthalmologischer Implantate und Injektionen ist die In vitro-Testung der Wirkstofffreigabe und -verteilung von großer Bedeutung. Dabei stellen viele Testmethoden die In vivo-Situation nicht ausreichend dar. Einerseits bilden die Gewebe des Auges wie beispielsweise die Konjunktiva oder die Sklera Barrieren für den Transport des Arzneistoffes zum Wirkort. Andererseits ist der Einfluss der Gefäßsysteme von Konjunktiva und Choroidea auf die Verteilung und Elimination des Arzneistoffes zu berücksichtigen. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden verschiedene Gewebe des Auges hinsichtlich ihrer Permeabilitätseigenschaften untersucht. Als Ergebnis wurden die Permeabilitätskoeffizienten von Ciprofloxacin, Lidocain, Timolol und Dexamethason für die Sklera, Konjunktiva, Kornea, den Retina-Choroidea-Komplex sowie für Kombinationen der aufgezählten Gewebe des Schweineauges erhalten. Als weitere Tiermodelle finden Gewebe von Rinder- und vor allem Kaninchenaugen in der ophthalmologischen Forschung Anwendung. Aus diesem Grund wurden die Permeabilitätsstudien um die Membranen dieser zwei Spezies erweitert. Der Interspezies-Vergleich zeigte sehr große Unterschiede in den Permeabilitäten der Wirkstoffe durch die Gewebe auf, sodass die direkte Übertragbarkeit von Ergebnissen zwischen den Tieren und auf den Menschen nicht gewährleistet ist. Um die Barriere-Eigenschaften der Augengewebe in ein In vitro-Modell zu integrieren wurden synthetische Membranen, die mit den Permeabilitätseigenschaften der Gewebe des Schweineauges übereinstimmen, identifiziert. Diese Membranen wurden zur Simulation der natürlichen Gewebe des Auges in den Mittelteil der neu entwickelten Zwei-Kanal-Durchflusszelle eingespannt. Die Zwei-Kanal-Durchflusszelle besteht aus drei Teilen, wobei die zwei äußeren Akzeptor-Kompartimente je einen Flusskanal, der mit Ringer-Puffer perfundiert wird, enthalten. Durch Etablierung physiologischer Flussraten entlang der korrespondierenden Membranen wurde der konjunktivale und choroidale Blutfluss und somit die Permeabilitäten der Gewebe als auch der Einfluss der Blutgefäße zusammen in einem In vitro-Modell berücksichtigt. Um den Einfluss der Strömungsgeschwindigkeit in den Flusskanälen und des osmotischen Verhältnis zwischen Probe und Perfusionsmedium auf die Wirkstoffverteilung im System zu untersuchen, wurde eines der zwei Akzeptor-Kompartimente durch eine für Puffer und Wirkstoff undurchlässige Scheibe dicht verschlossen, sodass der Stofftransport nur in eine Richtung sattfinden konnte. Die Ergebnisse zeigten einen bedeutenden Einfluss dieser beiden Parameter auf die Wirkstoffverteilung. Bei Zuschaltung des zweiten perfundierten Akzeptor-Kompartiments der Zwei-Kanal-Durchflusszelle treten zwischen den Kompartimenten vermutlich Kräfte wie zum Beispiel Querströmungen und hydrostatische Druckgefälle auf. Basierend auf den erhaltenen Verteilungskurven der Wirkstoffe in der Zwei-Kanal-Durchflusszelle kann reine konzentrationsgesteuerte Diffusion durch die Membranen als alleiniger Transportmechanismus ausgeschlossen werden. Die beschriebenen Effekte müssen vor der Etablierung der Zwei-Kanal-Durchflusszelle als biorelevante In vitro-Methode für die Charakterisierung von periokularen Injektionen und Implantaten in weiteren Arbeiten durch Änderungen des Modelldesigns behoben werden. Neben den peripheren Geweben des Auges dient der Glaskörper als Applikationsort für Injektionen makromolekularer Arzneistoffe und Implantate, die den inkorporierten Arzneistoff über einen längeren Zeitraum freigeben. Die intravitreale Freisetzung und Verteilung des Wirkstoffes ist für den therapeutischen Effekt von entscheidender Bedeutung. Um diese Prozesse in vitro zu charakterisieren wurde das Glaskörper-Modell entwickelt. Die Form und das Volumen des kugelförmigen Glaskorpus sind an die Geometrie des menschlichen Glaskörpers angepasst. Als Substitut für den natürlichen Glaskörper wurde ein Polyacrylamid-Gel modifiziert, sodass dieses in ausgewählten physiko-chemischen Eigenschaften dem natürlichen Glaskörper entspricht. Nach der Applikation des Wirkstoffes direkt in den Glaskörper muss dieser durch passive oder aktive Transportprozesse an den Wirkort im hinteren Augenabschnitt gelangen. Dabei wird die Wirkstoffverteilung im Glaskörper durch die Augenbewegung maßgeblich beeinflusst. Die Simulation verschiedener Augenbewegungen wurde mit der Entwicklung des Eye Movement Systems in ein In vitro-Modell umgesetzt. Das System ist in der Lage Geschwindigkeiten und Amplituden von langsamen bis schnellen Folgebewegungen, Sakkaden und Mikrosakkaden des Auges nachzuahmen. In die zentrale Halterung des Eye Movement Systems kann das Glaskörper-Modell integriert werden. Die Kombination aus Eye Movement System und Glaskörper-Modell bietet die Möglichkeit den Einfluss der verschiedenen Augenbewegungen auf das Freisetzungs- und Verteilungsverhalten von intravitrealen Injektionen und Implantaten zu untersuchen. Nach erfolgreicher Inbetriebnahme der beiden Systeme wurden Verteilungsstudien mit Modellarzneistoffen verschiedener Molekularmassen durchgeführt. Die Ergebnisse der Studien zeigten, dass das Molekulargewicht im vollständig mit Gel gefüllten Glaskörper-Modell Einfluss auf die Geschwindigkeit der vermuteten Umverteilungsprozesse im Glaskörper-Substitut hat. Mit zunehmendem Anteil der flüssigen Phase im Glaskörper-Modell unterschieden sich die erhaltenen Verteilungen zwischen den Versuchen mit und ohne Bewegung deutlich. Bei der Simulation der hinteren Glaskörperablösung besitzt die Bewegung des Modells einen essentiellen Effekt auf die Konvektions- und Umverteilungsprozesse im Glaskörper-Modell. Durch das Ersetzen prozentualer Anteile des Gels durch Ringer-Puffer konnten Bedingungen der hinteren Glaskörperablösung simuliert werden. Die Simulation des Alterungsprozesses bewirkte eine Zunahme der Konvektion im Glaskörper-Modell. Als Folge resultierte eine deutlich schnellere Umverteilung der injizierten Modellarzneistoffe. Die hintere Glaskörperablösung besitzt demzufolge einen großen Einfluss auf die Verteilung und darf in In vivo- und In vitro-Studien nicht vernachlässigt werden. Mit der Zwei-Kanal-Durchflusszelle und der Kombination aus Eye Movement System und Glaskörper-Modell sind Konzepte für die Charakterisierung von periokularen und intravitrealen Arzneiformen entwickelt worden. In den Modellen wurde besonderer Wert auf die Anlehnung an die In vivo-Situation gelegt. Durch die Berücksichtigung der okularen Blutflüsse, die Simulation der Permeabilitätseigenschaften bestimmter Gewebe des Auges durch entsprechende synthetische Membranen, die Etablierung verschiedener Arten der Augenbewegung und der Simulation des Glaskörpers durch das Polyacrylamid-Gel wurden biorelevante Voraussetzungen geschaffen, die bisher in keinen anderen In vitro- Modellen zu finden sind. Vor der Etablierung der Zwei-Kammer-Durchflusszelle sind weitere Maßnahmen zur Unterbindung der physikalischen Störfaktoren nötig. Der theoretische Ansatz der Zwei-Kammer-Durchflusszelle konnte noch nicht in die Praxis umgesetzt werden. Unter Verwendung des Eye Movement Systems und des Glaskörper-Modells wird eine kostengünstige, einfache und schnelle Charakterisierung neuartiger intravitrealer Injektionen und Implantate unter In vitro- Bedingungen möglich. Die methodische Etablierung des Eye Movement Systems ist erfolgt. Durch weitere Modifikationen kann das System in Zukunft noch näher an die In vivo-Situation herangeführt werden.
Im Rahmen eines assoziierten Projektes zur Study of Health in Pomerania wurde die Lage des Auges in der Orbita bestimmt. Wir arbeiteten dabei mit der Probandenkohorte SHIP-Trend. Insgesamt standen MRT-Datensätze von 2152 Probanden zu Verfügung. Die Daten lagen im DICOM-Format vor. Für die Bildauswertung nutzten wir den DICOM-Betrachter OsiriX (v3.9.2, 32-bit). Da eine große Achsenlänge des Sehorgans einen Exophthalmus vortäuschen kann, bestimmten wir neben der Lage des Bulbus oculi jeweils auch die Bulbusachsenlänge. Die Messung der Bulbusachsenlänge erfolgte ebenfalls anhand der MRT-Aufnahmen. Anschließend konnten die Messwerte auf eine Assoziation mit diversen weiteren gesundheitsbezogenen Parametern überprüft werden. Die transversale T1-gewichtete MRT-Serie mit einer Voxelgröße von 1mm x 1mm x 1mm erwies sich für die Datenerhebung als am besten geeignet. Die Messungen wurden an derjenigen Bildebene durchgeführt, in der das Auge die größte Ausdehnung aufwies und sowohl der Hornhautscheitel als auch der Sehnervenkopf am Bulbus oculi dargestellt waren. Da es sich bei geschlossenen Augenlidern oftmals schwierig gestaltete, den äußeren Rand der Hornhaut auf den radiologischen Schnittbildern zweifelsfrei zu erkennen, nutzten wir die Rückseite der Kornea als Bezugspunkt für unsere Messungen. Die Bulbusachsenlänge war durch eine Strecke definiert, die von der Rückseite der Kornea bis zum Krümmungsmittelpunkt am posterioren Pol des Bulbus oculi reichte. Für die Lageermittlung des Sehorgans wurden zwei verschiedenen Vorgehensweisen angewandt. Zunächst führten wir eine Verbindungslinie zwischen den seitlichen Begrenzungen beider Augenhöhlen (interzygomatische Linie) ein. Die vordere Exophthalmometrie beschrieb die Lage des Augapfels durch den senkrechten Abstand der interzygomatischen Linie von der Rückseite der Hornhaut. Die Messstrecke musste dabei auf Höhe des Hornhautapex liegen. Die hintere Exophthalmometrie war durch eine Strecke definiert, die sich zwischen der interzygomatischen Linie und dem posterioren Augenpol ausdehnte.
Insgesamt konnten die Messdaten von 1808 Probanden in die darauffolgende statistische Analyse übernommen werden. Das Durchschnittsalter betrug 51,5 Jahre. In der vorderen Exophthalmometrie unterschieden sich die Mittelwerte beider Geschlechter signifikant (m.: r.: 16,4mm, l.: 16,3mm/w.: r.: 15,2mm, l.: 15,0mm). Auch bei der hinteren Exophthalmometrie ergaben sich geschlechtsspezifische Unterschiede (m.: rechts: 6,7mm, links: 6,8mm / w.: rechts: 7,3mm, links 7,4mm). Zwischen dem rechten und linken Auge war für keinen Parameter ein statistisch signifikanter Unterschied zu beobachten. Demgegenüber beeinflusst die Bulbusachsenlänge das Hervorstehen der Augen sehr wohl (p<0,001). Um einen Pseudoexophthalmus zukünftig sicher von einem Exophthalmus mit Krankheitswert unterscheiden zu können, führten wir einen Quotient aus dem Ergebnis der vorderen Exophthalmometrie und der Bulbusachsenlänge eines Auges ein (Quotient Ex/Al). Darüber hinaus besteht ein signifikanter Zusammenhang zwischen dem BMI eines Menschen und der individuellen Position des Auges innerhalb der Orbita. Studienteilnehmer mit einem BMI >30kg/m² wiesen im Vergleich zu Studienteilnehmern mit einem BMI <25kg/m² im Mittel eine rund 2 mm höhere Protrusion des Bulbus oculi auf. Mit dem gewählten Auswertungsalgorithmus konnte erstmals veranschaulicht werden, dass der Einfluss des BMI unabhängig von der Bulbusachsenlänge, dem Alter und Geschlecht besteht. Ebenso fand sich ein statistisch signifikanter Zusammenhang zwischen Taillen- bzw. Hüftumfang und der Augenposition. Steigt der Taillen- bzw. Hüftumfang um einen Zentimeter geht das mit einer Vorverlagerung des Bulbus oculi um 0,05 Millimeter einher. Die Körpergröße hatte innerhalb unserer Untersuchung keine Auswirkung auf die Position des Augapfels. Vielmehr war die Körpergröße mit der Bulbusachsenlänge der Probanden assoziiert. Die Zunahme der Körpergröße um einen Zentimeter ging mit einer rund 0,03 mm höheren Achsenlänge des Sehorgans einher. Innerhalb der Kohorte war eine gewisse Altersabhängigkeit der Bulbusachsenlänge zu beobachten. Im hohen Probandenalter nahm die Achsenlänge ab (0,008 mm/Jahr). Auch die Exophthalmometrie ließ Alterskorrelationen erkennen. Das Hervorstehen der Augen nahm bis zu einem Probandenalter von 50 Jahren zu, um anschließend auf einem Plateau zu verweilen. Als besondere Beobachtung fällt jedoch auf, dass die Resultate der hinteren Exophthalmometrie bei den über 70-Jährigen wieder ansteigen, während die Ergebnisse der vorderen Exophthalmometrie nahezu unverändert bleiben. Die statistische Analyse konnte keinen signifikanten Zusammenhang zwischen Schilddrüsenparametern und der Lage des Sehorgans aufzeigen. Für diesen Zweck wurden Interviewdaten, Sonografiebefunde der Schilddrüse sowie die TSH- und Anti-TPO-Konzentration im Blutplasma ausgewertet.