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Fast Two-Photon Excited Fluorescence Imaging for the Human Retina

La Schiazza, Olivier

German Title: Schnelle Zwei-Photonen-Fluoreszenz-Bildgebung für die Menschliche Netzhaut

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Abstract

In der vorliegenden Doktorarbeit wird ein neuartiges Zwei-Photonen-Mikrosokop, basierend auf einem schnellen ophthalmoskopischen Scanner, zur hochauflösenden strukturellen und funktionellen Abbildung der menschlichen Netzhaut entwickelt und aufgebaut. An menschlichen Spenderaugen werden die Autofluoreszenzeigenschaften der Netzhaut erprobt und auf ihren diagnostischen Wert hin analysiert. Die sich auf dem retinalen Pigmentepithel (RPE) mit Alter und Krankheit ansammelnde Lipofuszingranula können dabei hochauflösend mit Hilfe der Zwei-Photonen-Anregung abgebildet werden. Exzessive Lipofuszinmengen im RPE werden in der Ophthalmologie als mögliche Ursache für die Pathogenese u.a. der altersabhängigen Makulardegeneration (AMD) vermutet und dessen hochauflösende, selektive Anregung mittels Zwei-Photonen-Absorption erscheint besonders interessant. Zudem ist es erstmals möglich, die feinen Photorezeptor Zapfen und Stäbchen sowie die darüberliegenden Ganglionzellen und Nervenfaserschicht der neurosensorischen Netzhaut mittels Zwei-Photonen Autofluoreszenz darzustellen, allerdings sind dazu höhere Anregungsenergien nötig. Desweiteren wird die Abhängigkeit von kurzen Pixelverweilzeiten auf die Fluoreszenzausbeute untersucht. Am RPE Lipofuszin wird experimentell nachgewiesen, dass vermutlich aufgrund von unterdrückter Tripletzustand Ansammlung, durch schnelles Scannen eine Fluoreszenzsignalzunahme erzielt werden kann. Zuletzt wird die potenzielle Anwendung am lebenden menschlichen Auge zur diagnostischen Abbildung der RPE Zellschicht simuliert und diskutiert. Die Anwendung der Zwei-Photonen Scanning-Laser-Ophthalmoskopie erscheint unseren Berechnungen, nach neuesten Lasersicherheitsbestimmungen, zufolge als nichtinvasiv.

Translation of abstract (English)

In the present dissertation, a novel two-photon microscope, based on a fast ophthalmoscopic scanning unit, is designed and developed for high-resolution structural and functional imaging of the human retina. The autofluorescence properties of the retina from human donor eyes are studied for their diagnostic value. It is shown that single lipofuscin granules, which accumulate with age and disease on the retinal pigment epithelium (RPE), can be selectively imaged at high resolution by two-photon exited fluorescence. Excessive levels of lipofuscin within the RPE have been hypothesized to be responsible for the pathogenesis of retinal disorders such as age-related macular degeneration (AMD), and their direct visualization appears particularly attractive to ophthalmology. It is also found possible to image the subtle photoreceptor cones and rods as well as the overlying ganglion cells bodies and nerve fiber layer of the neural retina by two-photon excited autofluorescence, however at the expense of higher excitation energies. Furthermore we probe the influence of short pixel dwell times on fluorescence yield. An increase in two-photon excited fluorescence signal from RPE lipofuscin is experimentally found upon fast scanning, presumably as a result of repressed triplet state build-up. Finally a potential application of the prototype as a diagnostic tool for imaging the RPE layer is simulated and discussed. According to our calculations following the newest laser safety regulations, two-photon scanning laser ophthalmoscopy appears to be non-invasive.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Bille, Prof. Dr. Josef
Date of thesis defense: 18 June 2008
Date Deposited: 04 Jul 2008 06:57
Date: 2008
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Kirchhoff Institute for Physics
Subjects: 530 Physics
Controlled Keywords: Laser-Rastermikroskopie, Laserscan-Ophthalmoskop, Netzhaut
Uncontrolled Keywords: Zwei-Photonen-Fluoreszenz , Retinales Pigmentepithellaser scanning microscopy , laser scanning ophthalmoscope , retina , two-photonen excited fluorescence , retinal pigment epithelium
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