Die Integrität der Hornhautoberfläche, insbesondere des Epithels, wird durch die funktionellen Interaktionen von Hornhaut, Bindehaut und Limbus im Zusammenspiel mit dem Tränenfilm und dem Lidapparat garantiert. Störungen dieses Gleichgewichts lassen sich zur Krankheitsgruppe der Oberflächenerkrankungen des Auges (Ocular Surface Diseases, OSD) zusammenfassen und können durch Benetzungsstörungen, Vernarbungsprozesse infolge von erregerbedingten bzw. nichterregerbedingten Entzündungen oder thermischen/chemischen Noxen, aber auch durch Diabetes mellitus, limbale Stammzelldefizite oder eine Meibomdrüsen-Dysfunktion verursacht werden.

Bei der Erarbeitung von ursachen- und patientenspezifischen Behandlungsstrategien kommt der Diagnose eine essenzielle Bedeutung zu. Etablierte Methoden ermöglichen zwar eine makroskopische Beschreibung von kornealen Alterationen, aber keine quantitative Charakterisierung auf zellulärer Ebene. Einzig die In-vivo-Konfokalmikroskopie der Kornea (corneal confocal microscopy, CCM) ermöglicht einen nichtinvasiven Zugang in diese zellulären Bereiche; eine Quantifizierung zellulärer Veränderungen ist jedoch gegenwärtig auf 2D-Analysen mit einem kleinen Bildfeld beschränkt, ist wenig ortsspezifisch und erfordert eine aufwändige, oftmals manuelle Nachbearbeitung. Weiterhin entspricht die oberflächenparallele Bildgebung nicht dem für den Augenarzt gewohnten Schnittbild einer Spaltlampe in axialer Richtung. Mit diesen Randbedingungen findet die CCM im klinischen Umfeld kaum Anwendung.

Das beantragte Vorhaben adressiert diese methodischen Defizite und entwickelt sowohl Technologien für eine hochauflösende ausgedehnte 3D-Bildgebung als auch Verfahren zur volumetrischen morphometrischen Charakterisierung von epithelialen Zellstrukturen. Automatisierte 3D-Aufnahmetechniken sollen die zuverlässige Erfassung eines ausgedehnten Volumens bei gleichzeitiger Minimierung der Aufnahmedauer gewährleisten. Online-Visualisierungen in beliebig orientierten Bildebenen bieten dem Ophthalmologen die Möglichkeit zur qualitativen Bewertung des kornealen Gewebes oder der Ausdehnung eines kornealen Defektes in Echtzeit. Als Basis für eine zuverlässige morphometrische Analyse des kornealen Gewebes soll nach dem Aufnahmeprozess aus den 2D-Bilddaten eine hochpräzise Volumenrepräsentation der gesamten erfassten Geweberegion rekonstruiert werden. Daraus werden schließlich für das Epithelgewebe und den angrenzenden subbasalen Nervenplexus volumetrische Merkmale mit 3D-Lageinformation berechnet.

Das Projekt ist eine Erweiterung des DFG-Projektes „Automatisiertes Verfahren zur großflächigen Abbildung des sub-basalen Nervenplexus der Kornea als Grundlage für einen zuverlässigen Biomarker zur Beurteilung der diabetischen Neuropathie“ und bietet einen völlig neuen Ansatz für eine volumetrische Gewebecharakterisierung der Kornea auf zellulärer Ebene, welche der Diagnostik und der Entwicklung von ursachenspezifischen Behandlungsstrategien von OSD dienen kann. Mit der 3D-Bildgebung und der Darstellung von beliebig orientierten Bildebenen legt es die Grundlagen für eine hochauflösende quantitative Spaltlampenmikroskopie.

Mitglieder:

Dr. Bernd Köhler, Dr. Stephan Allgeier, Prof. Dr. Ralf Mikut
Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Institut für Automation und angewandte Informatik

Prof. Dr. Oliver Stachs
Universitätsmedizin Rostock, Klinik und Poliklinik für Augenheilkunde

Ausgewählte Publikationen:

Allgeier S, Bartschat A, Bohn S, Guthoff RF, Hagenmeyer V, Kornelius L, Mikut R, Reichert KM, Sperlich K, Stache N, Stachs O, Köhler B. Real-time large-area imaging of the corneal subbasal nerve plexus. Sci Rep. 2022;12:2481. doi:10.1038/s41598-022-05983-5.

Sterenczak KA, Winter K, Sperlich K, Stahnke T, Linke S, Farrokhi S, Klemm M, Allgeier S, Köhler B, Reichert KM, Guthoff RF, Bohn S, Stachs O. Morphological characterization of the human corneal epithelium by in vivo confocal laser scanning microscopy. Quant Imaging Med Surg. 2021;11(5):1737-1750. doi:10.21037/qims-20-1052.

Bartschat A, Allgeier S, Scherr T, Stegmaier J, Bohn S, Reichert KM, Kuijper A, Reischl M, Stachs O, Köhler B, Mikut R. Fuzzy tissue detection for real-time focal control in corneal confocal microscopy. at-Autom. 2019;67(10): 879-888. doi:10.1515/auto-2019-0034.