Two-photon imaging of the cornea using femtosecond laser microscopes and tomographs

Abstract

The cornea plays a crucial role on visual acuity. Diseases affecting this tissue are the second major cause of blindness worldwide. In clinical practice, it is commonly examined using methods that focus on the morphological analysis while the structural organization of the stroma and the cell’s metabolism are disregarded. Two-photon imaging (TPI) can provide these data. In this study, I demonstrate the advantages of TPI as a new imaging modality for the examination of the cornea. Two systems optimized for corneal imaging were used: a custom-built two-photon laser scanning microscope and a commercial multiphoton tomograph. Both systems were equipped with ultra-short near-infrared Ti:sapphire lasers. I show that TPI can provide a more complete assessment of the corneal state than the current clinical devices. Moreover, the potential of TPI for the following three clinical applications is shown: 1) it allows a better evaluation of human corneas in cornea banks which could improve sample selection prior to transplantation, 2) it enables the discrimination between non-pathological and diseased corneas based on the combined analysis of the tissue morphology, metabolism, and structural organization, and 3) it provides a faster evaluation of the outcome of corneal collagen crosslinking. The results indicate that, the multimodal analysis of function and morphology using a novel medical device based on TPI can lead to an improved corneal examination, thus improving diagnosis and care.

Die Cornea spielt für die Sehschärfe eine entscheidende Rolle. Krankheiten, die dieses Gewebe befallen sind weltweit die zweitwichtigste Ursache für Blindheit. In der klinischen Praxis wird die Cornea gewöhnlich nur morphologisch untersucht, wobei strukturelle Zusammensetzung des Stromas und Zellmetabolismus nicht erfasst werden. Diese Informationen liefert die Zweiphotonen-Bildgebung (TPI). In der vorliegenden Arbeit zeige ich die Vorteile der TPI als neues bildgebendes Verfahren zur Cornea-Untersuchung. Dazu wurden zwei für die Korneabildgebung optimierte Systeme eingesetzt: Ein speziell angefertigtes Zwei-Photonen-Laserscanningmikroskop and ein kommerzieller Multiphotonen-Tomograph. Beide Systeme waren mit ultrakurzen-nahinfraroten Ti:Saphir-Lasern ausgestattet. Ich zeige, dass TPI eine vollständigere Beurteilung des Corneazustandes ermöglicht als herkömmliche klinische Geräte. Außerdem wird das TPI-Potential für drei klinische Anwendungen dargestellt: TPI ermöglicht 1) eine verbesserte Beurteilung humaner Spender-Corneae, was die Auswahl vor eine Transplantation verbessern könnte, 2) die Unterscheidung von gesunden und pathologischen Corneae basierend auf einer kombinierten Analyse von Morphologie, Metabolismus und strukturellem Aufbau, 3) eine schnellere Beurteilung des Effectes von Kollagen-Crosslinkings. Die Ergebnisse zeigen, dass eine multimodale Auswertung von Funktion und Morphologie zu einer verbesserten Cornea-Untersuchung und dadurch verbesserter Diagnose und Behandlung führen kann.