A Comparative Study of Age-Related Level of Sclera Collagen Crosslinking in Patients with Different Stages of Primary Open Angle Glaucoma
https://doi.org/10.21516/2072-0076-2016-9-1-19-26
Abstract
Age-related levels of sclera collagen crosslinking have been studied in 75 patients aged 50-91 (averagely 69.9 ± 9.2 years) with various degrees of primary open angle glaucoma (POAG), whose sclera samples were obtained during deep nonpenetrating sclerectomy. The patients were divided into three age groups: 50-59 years (21 patients), 60-69 years (22 patients), and over 70 years (32 patients). 19 eyes of these patients had POAG stage I, 24 eyes had POAG stage II, and 32 eyes had stage III. To assess the level of collagen cross-linkage, sclera thermograms obtained by differential scanning calorimetry (Phoenix®, DSC 204, Netzsch, Germany) involving collagen denaturation temperature (Tm) and enthalpy value (∆Hm) measurements were analyzed. The level of collagen cross-linkage of glaucomatous sclera was found to increase with age and the stage of glaucomatous damage. However, the formation of excessive cross links associated with glaucomatous damage seems to play a more important role in damaging its structural and biomechanical properties than crosslinking of collagen complexes caused by natural aging, since the differences in values of thermomechanical parameters Tm and ∆Hm across different age groups (staying, respectively, within 0.8-1.0 оС and 0.3-2.1 J/g of dry residue) proved to be less substantial than the differences associated with the progression of glaucoma (varying, respectively, within 1.9-2.6 оС and 6.7-13.2 J/g of dry residue). The identified structural and biomechanical changes of the corneoscleral eye shell in patients with POAG do not fit into the pattern of natural aging processes; they are most probably based on the metabolic disorder of the connective tissue // Russian Ophthalmological Journal, 2016; 1: 19-26.
Keywords
глаукома,
склера,
старение,
коллаген,
поперечные сшивки,
glaucoma,
sclera,
aging,
collagen,
crosslinking
About the Authors
E. N. Iomdina
Helmholtz Research Institute of Eye Diseases, Moscow, Russia
Russian Federation
Russian Federation
L. L. Arutyunyan
Center “Vostok-Prozrenie” Moscow, Russia
Russian Federation
Russian Federation
N. Yu. Ignatieva
Lomonosov Moscow State University, Russia
Russian Federation
Russian Federation
References
1. Нестеров А.П. Глаукома. Москва: Медицина; 1995.
2. Иомдина Е.Н., Бауэр С.М., Котляр К.Е. Биомеханика глаза: теоретические аспекты и клинические приложения. Москва: Реальное время; 2015.
3. Иомдина Е.Н., Арутюнян Л.Л., Игнатьева Н.Ю. Изучение уровня поперечной связанности коллагена склеры глаукомных глаз в возрастном аспекте. В кн.: VIII Российский общенациональный офтальмологический форум. Сборник научных трудов. Москва; 2015; т. 1: 76-84.
4. Затулина Н.И., Панормова Н.В., Сеннова Л.Г. Концепция патогенеза первичной открытоугольной глаукомы. В кн.: VII съезд офтальмологов России. Москва; 2000; 1: 131.
5. Симановский А.И. Сравнительный анализ изменения биомеханических свойств склеры в процессе естественного старения и при развитии глаукоматозной патологии. Глаукома. 2005; 4: 13-9.
6. Светлова О.В., Кошиц И.Н. Старение оболочек глаза - возможное ключевое звено в патогенезе открытоугольной глаукомы. В кн.: VII съезд офтальмологов России. Москва; 2000; 1: 193.
7. Downs J.C. Optic nerve head biomechanics in aging and disease. Experimental Eye Research 2015; 133: 19-29.
8. Coudrillier B., Tian J., Alexander S., et al. Biomechanics of the human posterior sclera: age- and glaucoma-related changes measured using inflation testing. Invest Ophthalmol Vis Sci. 2012; Apr 2; 53(4): 1714-28.
9. Geraghty B., Jones S.W., Rama P., Akhtar R., Elsheikh A. Age-related variations in the biomechanical properties of human sclera. Journal of the mechanical behavior of biomedical materials. 2012; 16: 181-191.
10. Николаева Т.И., Тиктопуло Е.И., Ильясова Е.Н., Кузнецова С.М. Упаковка коллагеновых фибрилл. Биофизика. 2007; 52: 899-911.
11. Fratzl P. Collagen. Structure and Mechanics. Potsdam: Springer; 2008.
12. Liu J., He X. Corneal stiffness affects IOP elevation during rapid volume change in the eye. Invest. Ophthal. Vis. Sci. 2009; 50(5): 2224-9.
13. Johnson C.S., Mian S.I., Moroi S.et al. Role of corneal elasticity in damping of intraocular pressure. Invest. Ophthal. Vis. Sci. 2007; 48: 2540-4.
14. Albona J., Purslowb P.P., Karwatowskic W.S.S., Eastyd D.L. Age related compliance of the lamina cribrosa in human eyes. Br. J. Ophthalmol. 2000; 84: 318-23.
15. Hernandez M.R., Luo X.X. Andrzejewska W. Age-related changes in the extracellular matrix of the human optic nerve head. Am. J. Ophtahlmol. 1989; 107: 476-84.
16. Kobayashi S., Vidal I., Pena J.D., Hernandez M.R. Expression of neural cell adhesion molecule (NCAM) characterizes a subpopulation of type 1 astrocytes in human optic nerve head. Glia. 1997; 20(3): 262-73.
17. Agapova O.A., Ricard C.S., Salvador-Silva M., Hernandez M.R. Expression of matrix metalloproteinases and tissue inhibitors of metalloproteinases in human optic nerve head astrocytes Glia. 2001; 33(3): 205-16.
18. Иомдина Е.Н., Игнатьева Н.Ю., Данилов Н.А. и др. Биохимические и cтруктурно-биомеханические особенности матрикса склеры человека при первичной открытоугольной глаукоме. Вестник офтальмологии. 2011; 6: 10-4.
19. Иомдина Е.Н., Игнатьева Н.Ю., Арутюнян Л.Л. и др. Изучение коллагеновых и эластических структур склеры глаз при глаукоме с помощью нелинейно-оптической (мультифотонной) микроскопии и гистологии (предварительное сообщение). Российский офтальмологический журнал. 2015; 8(1): 50-56.
20. Игнатьева Н.Ю. Термическая стабильность коллагена в соединительных тканях. Автореф. дис. … докт. хим. наук. Москва; 2011.
21. Flandin F., Buffevant C., Herbage D. A differential scanning calorimetry analysis of the age-related changes in the thermal stability of rat skin collagen. Biochim. Biophys. Acta. 1984; 791: 205-11.
22. Le Lous M., Flandin F., Herbage D., Allain J.C. Influence of collagen denaturation on the chemorheological properties of skin, assessed by differential scanning calorimetry and hydrothermal isometric tension measurement. Biochim. Biophys. Acta. 1982; 717(2): 295-300.
23. Privalov P.L. Stability of proteins. Proteins which do not present a single cooperative system Adv. Protein Chem. 1982; 35: 1104.
24. Wallace D.G., Condell R.A., Donovan J.W. et al. Multiple denaturational transitions in fibrillar collagen. Biopolymers. 1986; 25(10): 1875-93.
25. Ignatieva N.Yu., Lunin V.V., Averkiev S.V. et al. DSC investigation of connective tissues treated by IR-laser radiation. Thermochimica Acta. 2004; 422(2): 43-8.
26. Kronick P., Maleef B., Carroll R. The location of collagens with differential thermal stabilities in fibrils of bovine reticular dermis. Connect. Tissue Res. 1988; 18: 123-34.
27. Miles C.A. Differential scanning calorimetry (DSC): protein structure probe useful for the study of damaged tendons. Equine Vet. J. 1994; 26: 255-6.
28. Арутюнян Л.Л. Роль вязко-эластических свойств глаза в определении давления цели и оценке развития глаукоматозного процесса. Автореф. дис… канд. мед. наук. Москва; 2009.
29. Данилов Н.А., Игнатьева Н.Ю., Иомдина Е.Н. и др. Исследование склеры глаукомных глаз с помощью физико-химического анализа. Биофизика. 2011; 56(3): 520-6.
30. Tezel G., Luo C., Yang X. Accelerated Aging in Glaucoma: Immunohistochemical Assessment of Advanced Glycation End Products in the Human Retina and Optic Nerve Head. Invest. Ophthal. Vis. Sci. 2007; 48(3): 1201-11.
31. Yang H., He Lin, Gardiner S.K. et al. Age-Related Differences in Longitudinal Structural Change by Spectral-Domain Optical Coherence Tomography in Early Experimental Glaucoma. Invest Ophthalmol Vis Sci. 2014; 55: 6409-20.
32. Иомдина Е.Н., Киселева О.А., Назаренко Л.А. и др. Влияние биомеханических свойств корнеосклеральной капсулы глаза на гидродинамику внутриглазной жидкости (экспериментальное исследование). Биомедицина. 2012; 3: 25-34.
33. Данилов Н.А., Игнатьева Н.Ю., Иомдина Е.Н. и др. Увеличение стабильности склерального коллагена в ходе гликозилирования треозой in vitro. Журнал физической химии. 2010; 84(1): 131-7.
34. Welge-Lussen U., May C.A. Induction of tissue transglutaminase in the trabecular meshwork by TGF-beta l and TGF-beta 2. Invest. Ophthal. Vis. Sci. 2000. 41(8): 2229-38.
Review
For citations:
Iomdina E.N., Arutyunyan L.L., Ignatieva N.Yu. A Comparative Study of Age-Related Level of Sclera Collagen Crosslinking in Patients with Different Stages of Primary Open Angle Glaucoma. Russian Ophthalmological Journal. 2016;9(1):19-26. (In Russ.) https://doi.org/10.21516/2072-0076-2016-9-1-19-26
Views:
654
Email this article 