• Illustrationsbild Forschung Augenklinik
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Glaukom-Forschung

Inhalt unserer Glaukom-Forschung ist die Identifizierung der Mechanismen, die zu einer post-trabekulären Abflussresistenz führen, um daraus neue Therapiestrategien zur Verbesserung des Abflusses von Kammerwasser zu entwickeln.

 

Hintergrund

Das Glaukom ist eine der Hauptursachen für Erblindung mit steigender Prävalenz. Bis zu drei Prozent der Bevölkerung über 50 Jahre leiden an Glaukom und bis zu 13 Prozent im Alter von 80 Jahren. Es besteht ein dringender Bedarf für bessere Therapien, da die Ursache für den erhöhten Augeninnendruck (IOD) beim Glaukom nur teilweise verstanden wird.

Das Trabekelmaschenwerk (TM), das den Einlass des Drainagesystems des Auges reguliert, wurde lange Zeit als Hauptursache für den verringerten Abfluss beim primären Offenwinkelglaukom angesehen. Unsere TM-Ablationsstudien an über tausend Patientinnen und Patienten legen jedoch den Schluss nahe, dass mindestens 50 Prozent des Widerstands distal des TMs und des Schlemm´schen Kanals (SC) liegen.

Struktur und Funktion des distalen Ausflusstrakts

Entsprechend liegt der distale Abflusswiderstand entweder in den Sammelkanälen (CC), im intraskleralen Plexus (ISP) oder in den Kammerwasservenen (AV), die zusammen als distaler Abflusstrakt (AT) bezeichnet werden. Mikrocomputertomographieanalysen von Sammelkanälen in glaukomatösen Augen ergaben weniger funktionelle Ausflussgefäße als in gesunden Augen. Einblicke in ihre Herkunft und Funktion deuten auf eine Ähnlichkeit mit Blut und Lymphgefäßen hin. Wichtige Mediatoren der Vaskulogenese und Vasodilatation spielen eine Rolle beim Kammerwasserabfluss. Bisher wurden diese jedoch noch nicht therapeutisch genutzt.

Projektbeschreibung

Unsere Forschung zielt darauf ab, den Abflusswiderstand durch eine Erweiterung und Expansion des Drainagesystems zu reduzieren. Dabei wenden wir von uns entwickelte Methoden an, um Moleküle an das Zielgewebe zu liefern.

Umsetzung und Forschungsziele

Um das zu erreichen, haben wir neue Methoden entwickelt, darunter ein Perfusionssystem für Schweinevorderkammersegmente, eine Methode zur Quantifizierung des Kammerwasserabflusses mit hoher örtlicher Auflösung, 3D-Konfokalmikroskopie des AT und Messung der Dilatation der Abflusskanäle. Mit diesen haben wir gezeigt, dass die AT-Dilatation den Abfluss auch nach TM-Ablation erhöht.

Im Fokus der Forschung steht jetzt, Faktoren für die post-TM-Ausflussregulation zu definieren, um neue Behandlungsstrategien zu ermöglichen.

  • Ziel 1: Auswirkungen von Vasodilatatoren auf die AT-Strukturen und die Abflussregulierung
  • Ziel 2: Induktion von AT-Entwicklung mit relevanten Transgenen
  • Ziel 3: AT-Expansion durch Stimulierung einer Unterklasse der Angiogenese

Ergebnisse und Ausblick

Unsere Studien ermöglichen eine erste Analyse der Beziehung zwischen den distalen OT-Strukturen und der Abflussfunktion. Sie erlauben einen Einblick, wie Angiogenese- und Dilatationswege durch Transkriptomanalyse reguliert werden.

Dadurch wird es möglich sein, die AT-Struktur und -Funktion zu manipulieren und den Augeninnendruck zu senken und die Therapie des Glaukoms grundlegend zu verbessern.

Beiträge zur Wissenschaft mit den wichtigsten Veröffentlichungen

Entwicklung eines Minimalen Felinen Immundefizienz Viralen (FIV) Vektorsystems und Großvolumige Produktion

Das Glaukom, eine führende Erblindungsursache, ist eine lebenslange, progressive Sehnervenerkrankung, die durch einen relativ zu hohen Augeninnendruck verursacht wird. Es gab keine effektive Therapie die als Einzelapplikation den chronischen, jahrelangen Verlauf adressiert und die primäre Ursache korrigiert. Als Doktorand in der Molekularen Medizin entwickelte ich daher eine Gentransfermethode mit einem minimalen FIV-Vektorsystem, um das Trabekelmaschenwerk permanent genetisch zu verändern. Das Trabekelmaschenwerk ist das Filtergewebe, das den Kammerwasserausflusstrakt schützt, aber im Glaukom versagt. Ich reduzierte die 1353 Nukleotide des gag-Gens im Transfervektor schrittweise auf nur 311 Nukleotide die für die virale Genomverpackung gebraucht werden. Dies verringerte die Wahrscheinlichkeit von Rekombinationsereignissen mit dem Verpackungsplasmid und erhöhte die Sicherheit. Mehrere in vivo Projekte etablierten eine anhaltende Transgenfunktion und ermöglichten die erste drucksenkende Gentherapie.

  1. Loewen N, Fautsch MP, Peretz M, Bahler CK, Cameron JD, Johnson DH, Poeschla EM. Genetic modification of human trabecular meshwork with lentiviral vectors. Hum Gene Ther. 2001 Nov 20;12(17):2109–2119. PMID: 11747600
  2. Loewen N, Bahler C, Teo W-L, Whitwam T, Peretz M, Xu R, Fautsch MP, Johnson DH, Poeschla EM. Preservation of aqueous outflow facility after second-generation FIV vector-mediated expression of marker genes in anterior segments of human eyes. Invest Ophthalmol Vis Sci. 2002 Dec;43(12):3686–3690. PMID: 12454037
  3. Loewen N, Fautsch MP, Teo W-L, Bahler CK, Johnson DH, Poeschla EM. Long-term, targeted genetic modification of the aqueous humor outflow tract coupled with noninvasive imaging of gene expression in vivo. Invest Ophthalmol Vis Sci. 2004 Sep;45(9):3091–3098. PMID: 15326125
  4. Loewen, R. T., Roy, P., Park, D. B., Jensen, A., Scott, G., Cohen-Karni, D., Fautsch, M.P., Schuman, J.S., Loewen, N. A. A Porcine Anterior Segment Perfusion and Transduction Model With Direct Visualization of the Trabecular Meshwork. Invest Ophthalmol Vis Sci. 2016 Mar;57(3), 1338–1344.

Manipulation des Kammerwasserabflusses

Das Trabekelwerk, ein siebähnliches Gewebe an dem Einlass des Kammerwasserabflusssystems, ist eine der Ursachen des erhöhten intraokularen Drucks beim Glaukom. Mein Labor entwickelte einen konditionellen zytotoxischen Vektor, der das Trabekelmaschenwerk (TM) abträgt, was zu einem Druckabfall führt. Eine Wiederbevölkerung mit TM-Zellen folgt dieser Ablation, was auf ein Reservoir von Vorläuferzellen hindeutet. Die Ergebnisse trugen zu dem wachsenden Wissensstand bei, dass okuläre Stammzellnischen in der Nähe des Trabekelmaschenwerks existieren. Die Zellablation ermöglicht es, die TM-Zellen mit transplantierten Zellen zu ersetzen. Wir entwickelten das erste ex-vivo-Modell für die komplizierte mikroinzisionale Glaukomchirurgie und entwickelten quantitative Kanalogramme, die die Abflussverbesserung mit hoher räumlicher Auflösung messen kann. Wir verwendeten diese Methode, um virale Transduktion und Progenitor-Aussaat in die Ausflusstrakt-Gefäße zu etablieren. Die morphometrischen Analysen mit konfokaler Mikroskopie (ribbon-scanning confocal microscopy) zeigten, dass proximale Ausflussstrukturen nasal größere Durchmesser aufwiesen, während der venöse Plexus im unteren Limbus größer war. Mit spectral-domain optical coherence tomography (SDOCT) entdeckten wir kontrahierende Elemente in den Ausflussgefäßen die durch Stickstoffmonoxid dilatieren.

  1. Zhang Z, Dhaliwal AS, Tseng H, Kim JD, Schuman JS, Weinreb RN, Loewen NA. Outflow tract ablation using a conditionally cytotoxic feline immunodeficiency viral vector. Invest Ophthalmol Vis Sci. 2014 Feb;55(2):935–940. PMCID: PMC3929079
  2. Loewen RT, Brown EN, Scott G, Parikh H, Schuman JS, Loewen NA. Quantification of Focal Outflow Enhancement using Differential Canalograms. Invest Ophthalmol Vis Sci. 2016 May 1;57(6):2831-8. doi: 10.1167/iovs.16-19541. PMID: 27227352
  3. Parikh HA, Loewen RT, Roy P, Schuman JS, Lathrop KL, Loewen NA. Differential canalograms detect outflow changes from trabecular micro-bypassstents and ab interno trabeculectomy. Sci Rep. 2016 Nov 4;6:34705. doi: 10.1038/srep34705. PMID: 27811973
  4. Dang Y, Waxman S, Wang C, Loewen RT, Sun M, Loewen NA. A porcine ex vivo model of pigmentary glaucoma. Sci Rep. 2018 Apr 3;8(1):5468. PMCID: PMC5882895
  5. Waxman S, Loewen RT, Dang Y, Watkins SC, Watson AM, Loewen NA. High-Resolution, Three Dimensional Reconstruction of the Outflow Tract Demonstrates Segmental Differences in Cleared Eyes. Invest Ophthalmol Vis Sci. 2018 May 1;59(6):2371-2380. doi: 10.1167/iovs.17-23075. PMID: 29847643
  6. Waxman S, Wang C, Dang Y, Hong Y, Esfandiari H, Shah P, Lathrop KL, Loewen RT, Loewen NA. Structure-Function Changes of the Porcine Distal Outflow Tract in Response to Nitric Oxide. Invest Ophthalmol Vis Sci. 2018 Oct 1;59(12):4886–4895. PMCID: PMC6181305
  7. Chen S, Waxman S, Wang C, Atta S, Loewen R, Loewen NA. Dose-Dependent Rho-Kinase Inhibitor Effects on the Distal Outflow Tract. Graefes Arch Clin Exp Ophthalmol. 2020 Jun;258(6):1211-1216. doi: 10.1007/s00417-020-04691-y. Epub 2020 May 5.
  8. Loewen RT, Waxman S, Wang C, Chen S, Watkins SC, Watson AM, Loewen NA. 3D-Reconstruction of the Human Conventional Outflow System by Ribbon Scanning Confocal Microscopy. PLoS One. 2020 May 18;15(5):e0232833. doi: 10.1371/journal.pone.0232833. eCollection 2020.
  9. Waxman S, Wang C, Dang Y, Loewen RT, Loewen NA. Tissue-engineered anterior segment eye cultures display intraocular pressure homeostatic response. Preprint. July 2019.

Techniken und Ergebnisse von Minimalinvasiver Glaukomchirurgie

Der Fortschritt in der Mikrotechnik hat es ermöglicht, chirurgische Instrumente herzustellen, die klein genug sind, um das glaukomatöse Trabekelmaschenwerk (TM) mit seinem primären Ausflusswiderstand abzutragen. Trotz der Entfernung von bis zu 180° TM tritt frühes Therapieversagen auch in erfahrenen Händen auf, was auf Widerstände im Ausflusstrakt hindeutet, die dem Trabekelmaschenwerk nachgelagert sind und den Fluss regulieren können. Wir identifizierten Risikofaktoren und definierten erweiterte Indikationen für die ab interno Trabekulektomie. Dies ermöglichte auch Glaukome mit relativen Kontraindikation sicher und schonend zu operieren, beispielsweise mit Kammerwinkelverschluss. Ich war der klinische Forschungsleiter dieser Projekte.

  1. Bussel II, Kaplowitz K, Schuman JS, Loewen NA, Group TS, Others. Outcomes of ab interno trabeculectomy with the trabectome after failed trabeculectomy. Br J Ophthalmol. 2014 Aug 28;99(2):258–262. PMID: 25170064
  2. Bussel II, Kaplowitz K, Schuman JS, Loewen NA. Outcomes of ab interno trabeculectomy with the trabectome by degree of angle opening. Br J Ophthalmol. 2015 Jul;99(7):914–919. PMCID: PMC4501175
  3. Parikh HA, Bussel II, Schuman JS, Brown EN, Loewen NA. Coarsened Exact Matching of Phaco-Trabectome to Trabectome in Phakic Patients: Lack of Additional Pressure Reduction from Phacoemulsification. PLoS One. 2016 Feb 19;11(2):e0149384. PMCID: PMC4760733
  4. Loewen RT, Roy P, Parikh HA, Dang Y, Schuman JS, Loewen NA. Impact of a Glaucoma Severity Index on Results of Trabectome Surgery: Larger Pressure Reduction in More Severe Glaucoma. PLoS One. 2016 Mar 23;11(3):e0151926. PMCID: PMC4805208
  5. Esfandiari, H., Shazly, T., Waxman, S., Kola, S., Kaplowitz, K. B., Brown, E. N., Loewen, N. A. (2018). Similar Performance of Trabectome and Ahmed Glaucoma Devices in a Propensity Score Matched Comparison. J Glaucoma. 2018 Jun;27(6):490-495. doi: 10.1097/IJG.0000000000000960. PMID: 29613976
  6. Esfandiari H, Shah P, Torkian P, Conner IP, Schuman JS, Hassanpour K, Loewen NA. Five-year clinical outcomes of combined phacoemulsification and trabectome surgery at a single glaucoma center. Graefes Arch Clin Exp Ophthalmol. 2018 Sep 26; PMID: 30259089
  7. Esfandiari H, Taubenslag K, Shah P, Goyal S, Weiner AJ, Severson ML, Weiner A, Grover DS, Bussel II, Loewen NA. Two-year data comparison of ab interno trabeculectomy and trabecular bypass stenting using exact matching. J Cataract Refract Surg 2019 45:608–614
  8. Al Yousef Y, Strzalkowska A, Hillenkamp J, Rosentreter A, Loewen N. A. Comparison of a second-generation trabecular bypass (iStent inject) to ab interno trabeculectomy (Trabectome) by exact matching. medRxiv peprint. October 2019.

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Univ.-Prof. Dr. med.
Nils A. Loewen

Leitung Sektion Glaukom

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