In vivo Histology of the Cornea – from the “Rostock Cornea Module” to the “Rostock Electronic Slit Lamp” – a Clinical “Proof of Concept” Study - Bohn, Sebastian; Stahnke, Thomas; Sperlich, Karsten; Linke, Stephan J.; Farrokhi, Sanaz; Klemm, Maren; Allgeier, Stephan; Köhler, Bernd; Reichert, Klaus-Martin; Witt, Martin; Stachs, Oliver; Guthoff, Rudolf F. (Klinische Monatsblätter für Augenheilkunde, 2020)
Introduction Confocal in vivo microscopy is an established method in ophthalmology research. As it requires contact coupling and calibration of the instruments is suboptimal, this method has been only rarely used in clinical routine work. As a result of close collaboration between physicists, information scientists and ophthalmologists, confocal laser scanning microscopy (CLSM) of the eye has been developed in recent years and a prototype can now be used in patients. The present study evaluates possible clinical uses of this method.Material and Methods The essential innovations in CLSM are (1) a newly designed coupling element with superficial adaptation to corneal curvature and (2) the use of a dual computerised piezo drive for rapid and precise focusing. In post-processing and after elastic imaging registration of the individual images parallel to the surface, it is also possible to produce sagittal sections resembling a split lamp and with resolution in the micrometer range. The concept was tested on enucleated pig bulbi and tested on normal volunteers and selected patients with diseases of the cornea.Results Simultaneous imaging in planes parallel to the surface and in sagittal planes provided additional information that can help us to understand the processes of wound healing in all substructures of the cornea and the role of immune competent cells. Possible clinical uses were demonstrated in a volunteer with healthy eyes and several groups of patients (keratoconus after CXL, recurrent keratitis, status after PRK). These show that this new approach can be used in morphological studies at cellular level in any desired and appropriate test plane.Conclusions It could be shown that this new concept of CLSM can be used clinically. It can provide valuable and novel information to both preclinical researchers and to ophthalmologists interested in corneal disease, e.g. density of Langerhans cells and epithelial stratification in ocular surface diseases.Hintergrund Die konfokale In-vivo-Mikroskopie hat sich in der Augenheilkunde als Forschungsmethode etabliert. Wegen der Notwendigkeit einer Kontaktankopplung bei suboptimalen Justierungshilfen der Geräte wird die Methode bisher wenig im klinischen Routinebetrieb eingesetzt. Die konfokale Laserscanning-Mikroskopie (CLSM) des Auges konnte in den letzten Jahren durch die enge Zusammenarbeit von Physikern, Informatikern und Augenärzten weiterentwickelt werden und steht nun als ein am Patienten einsetzbarer Prototyp zur Verfügung. Im Rahmen dieser Studie wurden die Möglichkeiten der Methode im klinischen Einsatz evaluiert.Material und Methoden Wesentliche Neuerungen der CLSM stellen (1) ein neugestaltetes Koppelelement mit einer der Hornhautkrümmung angepassten Oberfläche und (2) der Einsatz eines dualen computergestützen Piezoantriebs für eine schnelle präzise Fokusführung dar. Im Postprocessing und nach einer elastischen Bildregistrierung der oberflächenparallelen Einzelbilder gelingt es auch, sagittale, spaltlampenähnliche Schnitte mit einer Auflösung im Mikrometerbereich zu erzeugen. Die an enukleierten Schweinebulbi erprobte Konzeption wird bei Normalprobanden und ausgewählten Patienten mit Hornhauterkrankungen eingesetzt.Ergebnisse Durch die simultane Darstellung von oberflächenparallelen und sagittalen Untersuchungsebenen können Zusatzinformationen zum Verständnis von Wundheilungsvorgängen aller Hornhautsubstrukturen und die Rolle von immunkompetenten Zellen zur Verfügung gestellt werden. Die klinischen Einsatzmöglichkeiten werden an einem Augengesunden und mehreren Beispielen (Keratokonus nach CXL, rezidivierende Keratitis, Zustand nach PRK) demonstriert. Diese zeigen, dass die morphologische Untersuchung der Hornhaut mit dem neuen Ansatz in jeder gewünschten und der Fragestellung angepassten Untersuchungsebene bei zellulärer Auflösung möglich ist.Schlussfolgerungen Es konnte gezeigt werden, dass die neue Konzeption der CLSM klinisch einsetzbar ist und sowohl den tierexperimentell arbeitenden Forschenden als auch dem an Hornhauterkrankungen interessierten Augenarzt bisher nicht verfügbare Informationen, wie z. B. die Langerhans-Zelldichte und die Epithelschichtung bei Oberflächenerkrankungen des Auges, zur Verfügung stellen kann.
Keywords: Rostocker electronic slit lamp; confocal in vivo laser scanning microscopes; in vivo histology of the cornea