Forscher von ELZA, der ETH Zürich, der Universität Zürich und der University of South Florida untersuchen die Biomechanik der Hornhaut in einem Mausmodell für Ehlers-Danlos

Eine schwache Hornhaut kann sich negativ auf die Sehkraft auswirken - und letztlich zur Erblindung führen. Deshalb wird intensiv daran geforscht, warum manche Hornhäute schwach werden und andere nicht. Aber es gibt ein Problem. Bei den meisten anderen Krankheiten können transgene Mausmodelle verwendet werden, um die Krankheiten besser zu verstehen, aber die Beurteilung der Hornhautfestigkeit - oder "Biomechanik" - in Mausaugen ist eine große Herausforderung. Methoden zur Messung der Hornhautfestigkeit wie die Dehnungsmessung, bei der ein Stück aus der Hornhaut herausgeschnitten und zweidimensional gedehnt wird, sind bei Mäuseaugen – wegen der kleinen Dimensionen des Auges – ungleich schwieriger als bei Augen von größeren Tieren wie Schweinen.

Forscher der ETH Zürich (www.ethz.ch), der Universität Zürich (www.cabmm.uzh.ch), der University of South Florida und des ELZA-Instituts in Zürich (www.elza-institute.com) haben diesen Ansatz jedoch bereits früher für die Dimensionen des kleinen Auges angepasst1und nun um eine innovative Technik, die optische Kohärenzelastographie (OCE), und eine fortschrittliche Bildgebungsmethode, die Second Harmonic Generation Microscopy (SHG), ergänzt, um Mäuse mit einem genetischen Kollagen-V-Mangel zu vergleichen 2Dies ist ein ähnlicher Gendefekt, wie er auch bei Patienen mit Ehlers-Danlos-Syndrom auftritt. Kollagen V ist ein wichtiger Bestandteil der Hornhaut, des so genannten Stromas, aber transgene Mäuse, bei denen beide Kopien des Col5a1 -Gens ausgeschaltet sind, entwickeln sich nicht über den Embryonal-Tag 10 hinaus. Heterozygote Mäuse (Col5a1+/-überleben jedoch, wobei die Hornhaut dieser Mäuse weniger Kollagenfibrillen aufweist als die ihrer Wildtyp (wt)-Geschwister.

Mit den eingesetzten, experimentellen Techniken können die Forscher die Dehnung der Hornhaut messen, d. h. wie stark und wie schnell sich die Form und Größe der Hornhaut als Reaktion auf eine auf sie ausgeübte Kraft verändert. Bei den Dehnungsexperimenten zeigten sich Unterschiede zwischen den beiden Gruppen. Im Vergleich zu wt-Hornhäuten war die Wahrscheinlichkeit, dass die Heterozygoten-Hornhäute während der Dehnungsexperimente rissen, um 25-30 % höher - ein Phänomen, das auch in der Klinik beobachtet wird, wo etwa 35 % der Patienten mit Ehlers-Danlos-Syndrom (das denselben genetischen Defekt wie die transgenen Mäuse aufweist) entweder spontan 3 oder als Reaktion auf ein minimales Trauma Hornhautrisse erleiden, ein Zustand, der als "oculus fragilis" bezeichnet wird  4Darüber hinaus entspannten sich die Hornhäute deutlich stärker, nachdem eine Belastung aufgebracht wurde. Für die Elastografie befand sich der gesamte Versuchsaufbau in einer versiegelten Druckkammer, und die aufgebrachte Kraft war eine Änderung des Kammerdrucks. Die OCE-Experimente zeigten, dass die Heterozygoten-Hornhäute deutlich dünner waren als wt-Hornhäute, aber die gleiche axiale Belastung aushalten konnten wie Wildtyp-Hornhäute. Nach Anpassung an die Hornhautdicke bedeutete dies, dass die heterozygoten Hornhäute eine höhere mechanische Steifigkeit aufwiesen als die Wildtyp-Hornhäute. Die SHG-Bildgebung zeigte, dass die heterozygoten Hornhäute im Vergleich zu Wildtyp-Hornhäuten "eine Desorganisation der Fibrillen, eine erhöhte Fibrillendichte und Abnormalitäten in der hierarchischen Organisation" aufwiesen.

Die Erstautorin der Studie, Dr. Sabine Kling von der ETH Zürich, erklärt die Bedeutung ihrer Arbeit: "Wir haben gezeigt, dass Gewebe je nach Art und Geschwindigkeit der Belastung ein unterschiedliches Verformungsverhalten zeigen kann. Daher hätte ein einzelner Charakterisierungstest nicht diese Erkenntnisse über die mechanischen Auswirkungen von col5 auf das Hornhautgewebe liefern können, wie wir sie hier gewonnen haben."

Prof. Farhad Hafezi erklärt, dass "unsere Ergebnisse weitere Erkenntnisse liefern und zur Entwicklung therapeutischer Ansätze für biomechanisch schwache Hornhäute beitragen könnten".

Der vollständige Text des Artikels ist hier verfügbar: https://rdcu.be/cwlU1

 

Quellen

  1. Hammer A, Kling S, Boldi M-O, et al. Establishing corneal cross-linking with riboflavin and uv-a in the mouse cornea in vivo: biomechanical analysis. Invest Ophthalmol Vis Sci. 56(11):6581-6590 (2015).
  2. Kling S, Torres-Netto EA, Abdshahzadeh H, Espana EM, Hafezi F. Collagen V insufficiency in a mouse model for Ehlers Danlos‑syndrome affects viscoelastic biomechanical properties explaining thin and brittle corneas. Sci Rep 11(1):17362. (2021).
  3. Cameron, J. A. Corneal abnormalities in Ehlers–Danlos syndrome type VI. Cornea 12, 54–59 (1993).