Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades doctor medicinae (Dr. med.)

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1 Messung der Sauerstoffsättigung bei Gesunden und Diabetikern mit einer mäßigen nicht-proliferativen diabetischen Retinopathie nach Sauerstoffprovokation Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades doctor medicinae (Dr. med.) vorgelegt dem Rat der Medizinischen Fakultät der Friedrich-Schiller-Universität Jena von Simone van der Vorst geboren am in Wittlich Datum der Abgabe 19. Juli 2005

2 Erster Gutachter: Doz. Dr. habil. D. Schweitzer Zweiter Gutachter: Prof. Dr. med. U.A. Müller Dritter Gutachter: Prof. Dr. med. C. Erb Tag der öffentlichen Verteidigung:

3 Abkürzungsverzeichnis Abkürzungsverzeichnis ADA American Diabetes Association AGE Advanced glycation end products DPG Diphosphoglyzerat c Hb d DDG Hämoglobinkonzentration Gefäßdurchmesser / Schichtdicke Deutsche Diabetes-Gesellschaft d. h. das heisst DMP Diabetische Makulopathie DOS Arterio-venöse Sauerstoffsättigungsdifferenz E Extinktion ETDRS Early Treatment Diabetic Retinopathy Study Hb Hämoglobin HbO 2 Oxyhämoglobin I Lichtintensität ICCD Intensified Charged Coupled Device IFDA Initiativgruppe Früherkennung diabetischer Augenerkrankungen I LED IGF IRMA NPDR NVD NVE O 2 OGTT OS OSA OSV p PDR PKC po 2 Q Lichtemittierende Diode Insulin-like growth factor Intraretinale mikrovaskuläre Anomalien Nicht-proliferative diabetische Retinopathie Neovascularization from the disc Neovascularization elsewhere Sauerstoff Oraler Glukosetoleranztest Sauerstoffsättigung Arterielle Sauerstoffsättigung Venöse Sauerstoffsättigung Signifikanzniveau Proliferative diabetische Retinopathie Proteinkinase Sauerstoffpartialdruck Blutvolumendurchfluss R Reflexionsspektren I

4 Abkürzungsverzeichnis R 2 T UKPDS VEGF V,W,N w WHO _ Bestimmtheitsmaß Transmission United Kingdom Prospective Diabetes Study vascular endothelial groth factor vor, während, nach Wichtungsfaktoren World Health Organisation Extinktionskoeffizient _ Transportwirkungsgrad _ Blutgeschwindigkeit II

5 Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis Abkürzungsverzeichnis...I Inhaltsverzeichnis...III Zusammenfassung...V 1. Einleitung Physiologische Grundlagen und Definition der diabetischen Retinopathie Sauerstofftransport Verschiedene Methoden der Sauerstoffsättigungsmessung Pulsoxymetrie Sauerstoffsättigungsmessung am Auge Dual-wavelength Imaging Jenaer-Imaging-Spektrometrie Leitlinien der deutschen Diabetes-Gesellschaft zur Untersuchung und Behandlung der diabetischen Retinopathie Zielstellung Material und Methoden Physikalische Grundlagen der Spektrometrie Modelle für die Messung der Sauerstoffsättigung am Augenhintergrund Jena-Imaging-Spektrometrie mit der 76-Wellenlängenmethode Jena-Imaging-Spektrometrie mit der Vier-Wellenlängenmethode Experimentelle Anordnung Auswahl der Probanden Ablauf der Sauerstoffsättigungsmessung bei Normalprobanden und Diabetikern Statistische Auswertung Ergebnisse Reflexionsspektren als Primärdaten zur Bestimmung der Sauerstoffsättigung Änderung der retinalen Sauerstoffsättigung bei Normalpersonen und Diabetikern vor, während und nach Provokation der Mikrozirkulation durch Atmung von 100% Sauerstoff Ergebnisse der mittleren arteriellen und venösen Sauerstoffsättigung sowie der mittleren arterio-venösen Sauerstoffsättigungsdifferenz bei Normalprobanden Änderung der retinalen Sauerstoffsättigung bei Diabetikern insgesamt vor, während und nach Provokation der Mikrozirkulation durch Atmung von 100% Sauerstoff Änderung der retinalen Sauerstoffsättigung bei TypI-Diabetikern vor, während und nach Provokation der Mikrozirkulation durch Atmung von 100% Sauerstoff Änderung der retinalen Sauerstoffsättigung bei TypII-Diabetikern vor, während und nach Provokation der Mikrozirkulation durch Atmung von 100% Sauerstoff Zusammenfassung der Ergebnisse der Sauerstoffsättigung von Normalprobanden und Diabetikern vor, während und nach Sauerstoffatmung Untersuchung der Reaktion der Mikrozirkulation auf eine Sauerstoffprovokation in Abhängigkeit von verschiedenen Einflussgrößen und Lebensgewohnheiten Untersuchung des Alterseinflusses auf die Änderung der Sauerstoffsättigung Untersuchung der Abhängigkeit der Sauerstoffsättigung vom Geschlecht der Probanden Einfluss der Diabetesdauer auf die Sauerstoffsättigung Einfluss des Blutzuckers auf die Sauerstoffsättigung vor, während und nach Sauerstoffprovokation bei Diabetikern...53 III

6 Inhaltsverzeichnis Untersuchung der Abhängigkeit der Sauerstoffsättigung vom HbA 1c -Wert Vergleich der Sauerstoffsättigung bei Rauchern und Nichtrauchern mit Diabetes mellitus Einfluss des Blutdrucks auf die Sauerstoffsättigung Einfluss von sportlicher Betätigung auf die Sauerstoffsättigung bei Diabetiker Diskussion Diskussion der Methode Diskussion der Ergebnisse Änderung der arteriellen und venösen Sauerstoffsättigung sowie der arteriovenösen Sauerstoffsättigungsdifferenz bei Normalpersonen Änderung der arteriellen und venösen Sauerstoffsättigung sowie der arteriovenösen Sauerstoffsättigungsdifferenz bei Diabetikern Änderung der arteriellen und venösen Sauerstoffsättigung sowie der arteriovenösen Sauerstoffsättigungsdifferenz unter verschiedenen Einflussgrößen und Lebensgewohnheiten bei Diabetikern Vergleich der Ergebnisse von Normalpersonen und Diabetikern Schlussfolgerungen Literaturverzeichnis Anhang...84 IV

7 Zusammenfassung Zusammenfassung Es bestand die Aufgabe die vereinfachte Vier-Wellenlängenmethode (Hammer et al. 2002) zur Messung der Sauerstoffsättigung an retinalen Gefäßen zu evaluieren und zu untersuchen, ob im Rahmen der bei diabetischer Retinopathie geschädigten Mikrozirkulation auch die Sauerstoffsättigung Veränderungen zeigt. Hierfür wurde bei 28 Patienten mit dem Stadium der mäßigen nicht-proliferativen diabetischen Retinopathie die Sauerstoffsättigung vor, sechs Minuten nach Beginn und 10 Minuten nach Ende der Atmung von 100% Sauerstoff in retinalen Venolen und Arteriolen gemessen. Diese Ergebnisse wurden mit den von Lasch (Lasch 2002) ermittelten Werten für Normalpersonen verglichen, um zu untersuchen ob sich gesunde Probanden von Diabetikern mit mäßiger nicht-proliferativer diabetischer Retinopathie hinsichtlich der Änderung der Sauerstoffsättigung infolge Sauerstoffprovokation unterscheiden. Bestimmte physiologische Einflussfaktoren wie der Blutdruck, der Blutzuckerwert und der HbA 1c -Wert wurden ebenfalls erfragt und auf ihren Einfluss auf die Sauerstoffsättigung untersucht. Als Messeinheit diente das Jenaer-Imaging-Fundusspektrometer. Zur Berechnung der Sauerstoffsättigung wurde die Vier-Wellenlängenmethode angewendet. Mit dem verwendeten spektrometrischen Verfahren ist es möglich, nichtinvasiv die Sauerstoffsättigung in retinalen Gefäßen zu messen. Zur Berechnung der Sauerstoffsättigung werden die unterschiedlichen Transmissionsspektren von oxygeniertem (HbO 2 ) Vollblut und reduziertem (Hb) Vollblut genutzt. Es wurden die arterielle und die venöse Sauerstoffsättigung sowie die arterio-venöse Sauerstoffsättigungsdifferenz vor, während und nach der Provokation mit 100% Sauerstoff bei Normalprobanden und Diabetikern mit einer mäßigen nicht-proliferativen diabetischen Retinopathie verglichen. Beim Vergleich der Ergebnisse von Gesunden und Diabetikern mit einer mäßigen nichtproliferativen diabetischen Retinopathie waren signifikante Unterschiede der Sauerstoffsättigung nachweisbar. Beim Vergleich der Normalpersonen mit den TypI-Diabetikern fanden sich keine signifikanten Unterschiede in der arteriellen Sauerstoffsättigung. Die Untersuchung der Normalpersonen, verglichen mit den TypII-Diabetikern, zeigte eine signifikant höhere arterielle Sauerstoffsättigung bei Normalpersonen vor und während der Sauerstoffatmung als bei TypII-Diabetikern. Der Vergleich von Normalpersonen und Diabetikern insgesamt ergab keine signifikanten Unterschiede für die arterielle Sauerstoffsättigung. V

8 Zusammenfassung Bei der Untersuchung von Normalpersonen verglichen mit TypI-Diabetikern war eine signifikant niedrigere venöse Sauerstoffsättigung der Normalpersonen gegenüber den TypI- Diabetikern vor und nach der Provokation nachweisbar, jedoch bestand während der Sauerstoffatmung kein signifikanter Unterschied. Bei TypII-Diabetikern zeigte sich zu jedem Messzeitpunkt eine signifikant höhere venöse Sauerstoffsättigung als bei Normalpersonen. Auch für die gesamte Gruppe der Diabetiker (TypI- und TypII-Diabetiker zusammengefasst) zeigte sich zu jedem Messzeitpunkt eine signifikant höhere venöse Sauerstoffsättigung als bei Normalpersonen. Beim Vergleich von Normalpersonen und TypI-Diabetikern ergab sich eine signifikant höhere arterio-venöse Sauerstoffsättigungsdifferenz für Normalpersonen vor und nach der Provokation. Während der Atmung von 100% Sauerstoff wurde kein signifikanter Unterschied zwischen der arterio-venösen Sauerstoffsättigungsdifferenz von Normalprobanden und TypI-Diabetikern festgestellt. TypII-Diabetiker, verglichen mit Normalpersonen, zeigten zu allen drei Messzeitpunkten eine signifikant niedrigere arterio-venöse Sauerstoffsättigungsdifferenz. Diabetiker insgesamt zeigten gegenüber Normalpersonen ebenfalls zu allen Messzeitpunkten eine signifikant niedrigere arterio-venöse Sauerstoffsättigungsdifferenz. Besonders auffallend sind bei diesen Ergebnissen die erhöhten venösen Sauerstoffsättigungswerte bei Diabetikern gegenüber Normalpersonen und die daraus resultierende verminderte arterio-venöse Sauerstoffsättigungsdifferenz. Diese erhöhte venöse Sauerstoffsättigung ist ein Hinweis auf die gestörten Sauerstoffdiffusionsverhältnisse bei Diabetikern mit mäßiger nicht-proliferativer diabetischer Retinopathie. Für weiter fortgeschrittene Stadien der diabetischen Retinopathie sind noch stärkere Störungen der Sauerstoffdiffusion und des Sauerstoffverbrauches zu erwarten. Es konnte bewiesen werden, dass die Vier-Wellenlängenmethode zu vergleichbaren Ergebnissen führt wie die von Kraft (Kraft 2001) verwendete und von Schweitzer et al. entwickelte 76-Wellenlängenmethode(Schweitzer et al. 1999). Da es gelungen ist, weitgehend vergleichbare Werte mit vergleichbarer Streuung für die Sauerstoffsättigung zu bestimmen, kann in Zukunft auf ein derart rechenaufwendiges Verfahren, wie es die Anpassung einer Modellfunktion an gemessenen Spektren bei der 76-Wellenlängenmethode darstellt, verzichtet werden. Somit ist mit der Vier-Wellenlängenmethode ein Ansatz für ein zweidimensionales Verfahren zur Messung der Sauerstoffsättigung in retinalen Gefäßen gegeben. VI

9 Einleitung 1. Einleitung In Deutschland leben 4,1 Millionen Menschen mit der Diagnose Diabetes mellitus. Die Weltgesundheitsorganisation geht davon aus, dass sich die Zahl der Diabetiker bis zum Jahre 2025 verdoppeln wird. Trotz aller Bemühungen um eine optimale Stoffwechseleinstellung stellen diabetische mikrovaskuläre Folgeerkrankungen wie die diabetische Retinopathie, die diabetische Neuropathie und die diabetische Nephropathie mit ihren Endstadien Erblindung, Amputation und Dialyse ein schwerwiegendes Problem dar. Die häufigste diabetische Mikroangiopathie ist die diabetische Retinopathie. In Deutschland sind rund 20% der Erblindungen auf diese Erkrankung zurückzuführen (von der Eltz und Kazda 2002, Lang 2005). Mit zunehmendem Alter der Bevölkerung kommt es zu einem raschen Anstieg der Diabetesprävalenz. Ab dem 6. Lebensjahrzehnt und insbesondere nach dem 7. Lebensjahrzehnt nimmt die Zahl der Erkrankten sehr stark zu. Hier sind besonders Frauen betroffen. Jede 4. bis 5. Frau ist in diesem Lebensalter zuckerkrank (Bruns 2000). Bislang wurde die Diagnose Diabetes mellitus anhand der Kriterien und der Klassifikation der WHO gestellt. Heute kommen die Kriterien der American Diabetes Association (ADA) zum Einsatz. Nach diesen Kriterien ist der Indikator für die Diagnose eines Diabetes mellitus ein Nüchtern-Blutglukosewert im venösen Plasma von 7,0 mmol/l. Bei typischen Symptomen (ausgeprägter Durst und Pollakisurie) ist die Diagnose anhand einer einzigen Blutuntersuchung möglich, wenn in diesen Fällen der Blutglukosespiegel über 11,1 mmol/l liegt. Der orale Glukosetoleranztest (OGTT) wird nach den ADA-Kriterien als Routineuntersuchung nicht empfohlen. Als Begründung wird eine bessere Reproduzierbarkeit des Nüchtern-Blutglukosewertes angegeben (Alberti und Zimmet 1998b). Die deutsche Diabetesgesellschaft hat die Kriterien der ADA übernommen. Ein Verzicht auf den oralen Glukosetoleranztest-Routineeinsatz wurde jedoch nicht befürwortet, da bei einer ausschließlichen Anwendung der neuen Kriterien ohne den routinemäßigen OGTT eine nicht unerhebliche Anzahl an Diabetikern übersehen werden kann. Die allgemeine Definition lautet heute: Unter Diabetes mellitus versteht man eine Gruppe von metabolischen Störungen, denen allen eine Hyperglykämie gemeinsam ist und die aus einer unzureichenden Insulinsekretion und/oder Insulinwirkung resultieren. Die chronische Hyperglykämie ist mit Langzeitschäden an verschiedenen Organen verbunden, insbesondere an Augen, Niere, Nerven, Herz und Blutgefäßen (DDG 2003). 1

10 Einleitung Nach der Literatur gelten folgende Kriterien für die Diagnose des Diabetes mellitus (DDG 2003): 1. Symptome des Diabetes + Plasmaglukose _ 11,1 mmol/l zu irgendeinem Zeitpunkt des Tages oder 2. Nüchtern-Plasmaglukose _ 7,0 mmol/l (nüchtern bedeutet keine Kalorienzufuhr über mindestens 8 Stunden) oder 3. 2 Stunden Plasmaglukose im OGTT _ 11,1 mmol/l. Testdurchführung nach WHO- Kriterien mit 75g Glukose. Ätiologische Klassifizierung des Diabetes mellitus (DDG 2003): 1. Typ-1-Diabetes Zerstörung der β-zellen, assoziiert mit absolutem Insulinmangel A: vermittelt durch einen Autoimmunprozess B: idiopathisch 2. Typ-2-Diabetes Insulinresistenz mit relativem Insulinmangel und/oder Sekretionsdefekt mit Insulinresistenz 3. Andere Diabetesformen (Alberti und Zimmet 1998b) Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich speziell mit den Folgeerkrankungen des Diabetes mellitus am Augenhintergrund. Unter der Zielstellung der Bestimmung von Mittelwerten für die retinale arterielle und venöse Sauerstoffsättigung sowie der arterio-venösen Sauerstoffsättigungsdifferenz war die Sauerstoffsättigung an Netzhautgefäßen von Diabetikern zu messen. Hierzu wurde die Sauerstoffsättigung unter pathologischen Bedingungen festgestellt und mit aus der Literatur bekannten Normalwerten verglichen. Zur Bestimmung der Sauerstoffsättigung wurde ein nichtinvasives, spektrometrisches Verfahren verwendet, dessen Messprinzip auf den unterschiedlichen optischen Eigenschaften von oxygeniertem und desoxygeniertem Hämoglobin basiert. Siehe hierzu Kapitel Physiologische Grundlagen und Definition der diabetischen Retinopathie Bei der diabetischen Retinopathie handelt es sich um die häufigste Manifestationsform der diabetischen Mikroangiopathie, sie betrifft vornehmlich die präkapillären Arteriolen, die Kapillaren und Venolen der Retina. Auch größere Gefäße können beteiligt sein. Es finden sich nebeneinander sowohl Verschlüsse als auch eine abnorme Permeabilität von Gefäßen (Standl 1983, Standl 1987, Lang 2005). In jahrelanger intensiver Forschungsarbeit zur 2

11 Einleitung Aufklärung der Pathogenese der diabetischen Retinopathie konnte der genaue Pathomechanismus bis heute nicht geklärt werden. Gesichert ist jedoch, dass es sich um ein kompliziertes multifaktorielles Geschehen handelt. Grundsätzlich sind drei verschieden Ursachen zur Entstehung der diabetischen Retinopathie bekannt: Biochemische Ursachen Hämodynamische Ursachen Endokrine Ursachen Die zentrale Rolle für die Entstehung der charakteristischen Veränderungen am Augenhintergrund spielt die Hyperglykämie. Sie begünstigt die non-enzymatische Bildung zuckerhaltiger Plasmaproteine wie Fibrinogen, Haptoglobin, α2-makroglobulin sowie der Gerinnungsfaktoren V und VIII (Ulbig et al. 1993). Auf diese Weise können u.a. die Gerinnungsbereitschaft und die Viskosität des Blutes und damit das Thromboserisiko erhöht werden. Durch Bindung der Glukose an freie Aminogruppen der Proteine und darauf folgende irreversible Umlagerungen entstehen die advanced glycation end products (AGE), die auch im Alter vermehrt auftreten. Die AGE binden an Rezeptoren der Zellmembran und können dadurch u.a. die Ablagerung von Kollagen in den Basalmembranen der Gefäße fördern. Darüber hinaus können die Kollagenfasern durch Glykosylierung verändert werden. Beide Veränderungen bewirken eine Verdickung der Basalmembranen, vermindern die Durchlässigkeit und führen zu einer Einengung des Lumens, woraus eine Mikroangiopathie resultiert (Williamson und Kilo 1992, Brownlee et al. 1988). Als Folge der Mikroangiopathie treten Veränderungen auf, wie z.b. Versorgungsdefizite und eine Ischämie der betroffenen Netzhautabschnitte, die letztlich zur Erblindung führen können. Der anhaltende Insulinmangel führt des weiteren zu einem Abfall der erythrozytären Konzentration an 2,3-Diphosphoglyzerat (DPG), das als allosterischer Regulator des Hämoglobins dessen Sauerstoffaffinität senkt. Der DPG-Mangel führt also zu einer erhöhten Affinität des HbA zu Sauerstoff, welcher deshalb schlechter an die Netzhaut abgegeben wird (Ditzel 1975b). Glukose kann schließlich mit Hämoglobin direkt reagieren und es entsteht HbA 1c. Der Nachweis einer erhöhten Konzentration von HbA 1c im Blut weist auf eine bereits länger bestehende bzw. wiederholte Hyperglykämie hin. HbA 1c zeigt eine stärkere Affinität zu Sauerstoff als HbA und gibt daher in der Peripherie schlechter Sauerstoff ab, was ebenfalls zu hypoxischen Schäden führt (Ditzel et al. 1979). Es wird außerdem angenommen, dass es durch die chronische hyperglykäme Stoffwechsellage zur Bildung von Superoxiden kommt, diese inhibieren wiederum Enzyme der Glykolyse, wodurch vermehrt Metabolite in den 3

12 Einleitung Polyol- und Hexosaminstoffwechsel gelangen. Dadurch wird die Proteinkinase C aktiviert und es fallen vermehrt AGEs an. Es kommt zum oxidativen Stress, zu Veränderungen des Blutflusses (u. a. über NO), zu einer proinflammatorischen Genexpression, zu Störungen der Zellinteraktion und zu einem Anstieg von VEGF (Vascular Endothelial Growth Factor) (Ulbig et al. 1993, Joussen et al. 2003). VEGF ist somit direkt von der Glukosekonzentration abhängig. Es ist als Mediator von ischämieassoziierten Neovaskularisationen bekannt und sowohl bei der nicht-proliferativen als auch bei der proliferatven Form der diabetischen Retinopathie als pathogenetischer Faktor nachgewiesen. VEGF ist bei Patienten mit diabetesbedingten Störungen der Blut-Retina-Schranke und Neovaskularisationen erhöht und steigert hier die Gefäßpermeabilität der Netzhautgefäße. Aus allen Veränderungen resultiert eine Hyperviskosität des Blutes, ein proinfammatorisches Milieu, eine verminderte Verformbarkeit der weißen und roten Blutzellen sowie eine vermehrte Erythrozytenadhäsion was letztlich zu den typischen diabetischen Augenveränderungen im Bereich der Retina und der Iris führt (Lang 2004). Die diabetische Retinopathie lässt sich nach der Schwere und Anzahl der Veränderungen in verschiedene Stadien unterteilen. Zur Einteilung der diabetischen Retinopathie hat sich eine modifizierte Version der Airlie-House-Klassifikation durchgesetzt, wie sie von der Early Treatment Diabetic Retinopathy Study Group (ETDRS) verwendet wurde. Man unterscheidet prinzipiell die nicht-proliferative diabetische Retinopathie mit Veränderungen innerhalb der Retina von der proliferativen Form mit fibrozellulären Gefäßneubildungen, die aus dem Niveau der Netzhaut in den Glaskörper hervorwachsen (ETDRS report number b, ETDRS report number , ETDRS report number ). Zur weiteren Vereinfachung wurden die Stadien der nicht-proliferativen diabetischen Retinopathie von der IFDA wie folgt unterteilt (Kroll 1997): Diabetische Retinopathie: 1. Nicht-proliferativ: Mild: Mikroaneurysmen Mäßig: Mikroaneurysmen, einzelne intraretinale Blutungen, perlschnurartige Venolen Schwer (früher: präproliferativ): "4-2-1"-Regel: Mikroaneurysmen und intraretinale Blutungen in 4 Quadranten oder: perlschnurartige Venolen in mindestens 2 Quadranten oder: intraretinale mikrovaskuläre Anomalien (IRMA) in mindestens 1 Quadrant 4

13 Einleitung 2. Proliferativ: Gefäßneubildungen auf oder innerhalb eines Papillendurchmessers von der Papille ohne Glaskörperblutung (= neovascularization from the disc, NVD) Periphere Gefäßneubildungen (= neovascularization elsewhere, NVE) Präretinale Blutungen Komplikationen im Stadium der proliferativen diabetischen Retinopathie sind durch morphologische Veränderungen des Glaskörpers bedingt. Es kann beispielsweise durch Schrumpfungsprozesse zu Traktionen an der Netzhaut und so zu traktiven Netzhautablösungen mit Glaskörperblutungen und präretinalen Blutungen kommen (Kroll 1997). Die diabetische Retinopathie kann von einer diabetischen Makulopathie begleitet werden, die ebenfalls in verschiedene Stadien eingeteilt wird (Fauser 2003, Lemmen 1993): Diabetische Makulopathie: 1. Fokales Makulaödem: Die fokale Makulopathie ist gekennzeichnet durch einen fluoreszenzangiographisch lokalisierbaren Flüssigkeitsaustritt aus undichten Mikroaneurysmen. Im Fundus sind umschriebene retinale Ödeme abgrenzbar, die Gruppen von Mikroaneurysmen oder dilatierten Kapillaren zugeordnet werden können. Die beschriebenen Veränderungen liegen ganz oder teilweise innerhalb eines Papillendurchmessers von der Foveola entfernt. 2. Diffuses Makulaödem: Der diffusen Makulaopathie liegt ein generalisierter Zusammenbruch der Blut-Retina- Schranke zugrunde. Sie steht deshalb oft im Zusammenhang mit systemischen Krankheitsfaktoren, wie beispielsweise einer Hypertonie. Ophthalmoskopisch und fluoreszenzangiographisch findet sich ein diffus dilatiertes Kapillarbett am gesamten hinteren Augenpol, oftmals ohne harte Exsudate oder retinale Mikroaneurysmen. 3. Ischämische Makulopathie: Diese Form der Makulopathie ist durch den Untergang des perifovealen Kapillarnetzes charakterisiert. Funduskopisch ist die ischämische Makulopathie nur schwer oder gar nicht zu erkennen, die Diagnose muss deshalb fluoreszenzangiographisch gestellt werden. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich speziell mit dem Stadium der mäßigen nichtproliferativen diabetischen Retinopathie. Ausschließlich Patienten mit diesem Stadium der diabetischen Retinopathie wurden in die Studie aufgenommen. 5

14 Einleitung Es wurde das Regelverhalten der Mikrozirkulation bei Diabetikern vor, während und nach Sauerstoffprovokation untersucht und mit aus der Literatur bekannten Normalwerten verglichen (Kraft 2001). Trotz intensiver Forschungsarbeit ist der genaue Pathomechanismus der diabetischen Retinopathie bis heute noch nicht aufgeklärt. Sicher ist, dass Mikrozirkulationsstörungen eine sehr wichtige Rolle in der Pathogenese der diabetischen Retinopathie spielen. Bisher konzentrierte sich die Forschung auf diesem Gebiet hauptsächlich auf die Quantifizierung des okularen Blutvolumendurchflusses und dessen Änderung unter pathologischen Bedingungen, z.b. bei Diabetikern (Grunwald et al. 1998, Grunwald et al. 1995, Grunwald et al. 1996, Oswald et al. 1983, Oswald et al. 1985) sowie die Gefäßweitenänderung bei Gesunden und Diabetikern unter Sauerstoffprovokation (Blum 2003). Neben der Bestimmung des retinalen Blutvolumendurchflusses und der Gefäßweitenänderung ist die Messung der Stoffwechselmetabolite Sauerstoff und Glukose eine wichtige Voraussetzung zur Erlangung objektiver Informationen über den Stoffwechsel der Netzhaut. Während die retinale Blutfluss- und Gefäßweitenmessung in ihrer Entwicklung schon weit fortgeschritten sind (Blair et al. 1982, Cunha-Vaz und Lima 1978, Harris et al. 1998, Hill und Young 1976, Niesel 1975, Oswald et al. 1983, Vilser et al. 1979, Blum et al. 2000), befindet sich die Bestimmung der retinalen Sauerstoffsättigung noch im Forschungsstadium, und es finden sich nach wie vor nur sehr wenige Literaturhinweise zu diesem Thema Sauerstofftransport Die Retina, eines der stoffwechselaktivsten Gewebe des Körpers, ist in besonderem Maße auf eine ausreichende Sauerstoffversorgung angewiesen. Sie zeigt eine hohe Sensitivität gegenüber hypoxischen Bedingungen. Sauerstoff ist somit ein essentieller Bestandteil des Netzhautmetabolismus. Sauerstoff (O 2 ) wird im Blut überwiegend an Hämoglobin (Hb) gebunden transportiert. Bedingt durch seinen tetrameren Molekülaufbau ist ein Mol Hämoglobin in der Lage, maximal vier Mol O 2 zu binden. Berücksichtigt man das Molvolumen für ideale Gase von 22,4l, so ergibt sich, dass 1g Hb 1,39ml O 2 binden kann. Die maximale Bindungskapazität des Blutes lässt sich nun mittels der Hüfner-Zahl (Zander und Mertzlufft 1988) und der Hb- Konzentration berechnen: [O 2 ]max=1,39(ml O 2 /g Hb) _ 150(g Hb/l Blut)=0,21(l O 2 /l Blut) ( 1 ) 6

15 Einleitung Der Konzentrationsanteil des Oxyhämoglobins (c HbO2 ) an der zur Sauerstoffaufnahme befähigten Hämoglobinkonzentration wird als Sauerstoffsättigung (OS) bezeichnet und in Prozent angegeben. OS 2 ( c + c ) Hb c HbO = ( 2 ) HbO 2 Der Sauerstoffaustausch aus dem Blut zur Zelle wird vom Diffusionsgradienten zwischen Blut und Zelle bestimmt. Der Sauerstoff erreicht die Zelle in physikalisch gelöster Form und ist hier als Partialdruck po 2 messbar. Zwischen arteriellem (95mmHg) und intrazellulärem (ca. 10mmHg) Sauerstoffpartialdruck besteht ein großes Partialdruckgefälle (Schenkman et al. 1997). Unter physiologischen Bedingungen hängt die Sauerstoffsättigung vom jeweiligen Sauerstoffpartialdruck ab. Sauerstoffsättigung und Partialdruck korrelieren in einem sigmoiden Verhältnis, welches bei der Interpretation der spektrometrisch gemessenen, intravasalen Sauerstoffsättigungswerte berücksichtigt werden muss. (Siehe hierzu auch Kapitel 5.1.) Betrachtet man nun die messbaren Größen der Mikrozirkulation, die zur Erfassung des Sauerstofftransportes in den retinalen Gefäßen geeignet sind, so ergibt sich, dass das Angebot an Sauerstoff, das einem Gewebebezirk am Fundus zur Verfügung gestellt wird, durch nachstehende Gleichung berechnet werden kann. Angebot: Q OS art η c ( 3 ) Hb Q: Blutvolumendurchfluss OS art : arterielle Sauerstoffsättigung _ : Transportwirkungsgrad c Hb : Hämoglobinkonzentration (Schweitzer et al. 1995) Danach kann das Angebot an Sauerstoff aus dem Produkt des Blutvolumendurchflusses mit der arteriellen Sauerstoffsättigung, dem Transportwirkungsgrad _ und der absoluten Hämoglobinkonzentration c Hb berechnet werden. Dabei ist Q aus der Messung der Gefäßweite (d) und der Blutgeschwindigkeit (v) zu bestimmen: 7

16 v π d Q = 4 2 m 2 in m ( 4 ) s Einleitung Die Blutgeschwindigkeit kann mit Hilfe der Laser-Doppler Anemometrie eichungsfrei bestimmt werden. Weitere Möglichkeiten zur Messung der Blutgeschwindigkeit sind Speckle-Verfahren und die Zwei-Punkte-Fluorometrie. Wird in Arteriolen und Venolen derselbe Blutvolumendurchfluss angenommen, so lässt sich mittels obenstehender Gleichung der Sauerstoffverbrauch in dem versorgten Areal angeben, wenn die arterio-venöse Differenz der Sauerstoffsättigung gemessen wird (Schweitzer et al. 1995) Verschiedene Methoden der Sauerstoffsättigungsmessung Pulsoxymetrie Die Pulsoxymetrie ist ein nichtinvasives Verfahren zur kontinuierlichen Messung der arteriellen Sauerstoffsättigung. Sie wird als eine dem Basismonitoring zuzurechnende Methode in der Anästhesie eingesetzt. Das Pulsoxymeter enthält einen elektrooptischen Sensor mit zwei Leuchtdioden als Lichtquelle und eine Photodiode als Strahlungsempfänger. Eine der Dioden sendet Rotlicht (ca. 660nm), die andere Infrarotlicht (ca. 920nm) aus. Die Strahlenintensität der lichtemittierenden Diode (I LED ) beider Wellenlängen wird beim Durchtritt durch Konstantgewebe (Binde-, Fettgewebe, venöses Blut) vermindert. Da die Lichtabsorption auch vom Herzzyklus beeinflusst wird, führt die arterielle Pulsation zu einer pulsabhängigen Lichtintensitätsschwankung zwischen I max und I min. Desoxygenierung des arteriellen Blutes verursacht einen geringeren Intensitätsverlust im Infrarotbereich (920nm) und einen stärkeren im Rotbereich (660nm, I min desox ) (van Assendelft 1970). Während der Diastole wird das Licht von venösem Blut, Gewebe, Knochen und Pigment absorbiert, während der Systole hingegen von dem in die Gewebe einströmenden arterialisierten Blut. Das Pulsoxymeter misst die Differenz zwischen der Hintergrund-Absorption (bedingt durch Konstantgewebe ) in Diastole und der maximalen Absorption während der Systole bei den beiden genannten (rote und infrarote) Wellenlängen. Grenzen der Methode: Das Pulsoxymeter misst global die Sauerstoffsättigung im Kapillargewebe. Es sind keine getrennten Aussagen zur arteriellen und venösen Sauerstoffsättigung möglich. Damit ist es für die Anwendung zur Untersuchung von Angebot und Verbrauch an Sauerstoff nicht geeignet. Es kann nur zwischen reduziertem (desoxygeniertem) und anderem Hämoglobin 8

17 Einleitung unterschieden werden. Zu letzterem zählt man Oxyhämoglobin, Carboxyhämoglobin und Methämoglobin. Liegen also signifikante Konzentrationen von Carboxyhämoglobin (z.b. bei Vergiftung) oder Methämoglobin (z.b. bei starken Rauchern) vor, so wird eine falsch hohe Sauerstoffsättigung gemessen. Des weiteren ist die Methode störanfällig für Bewegungsartefakte und ebenfalls nicht sinnvoll bei schlechter peripherer Durchblutung, Blutverlust oder peripherer Vasokonstriktion (z.b. im Schock) Sauerstoffsättigungsmessung am Auge De Kock et al. entwickelten eine Technik zur Messung der Sauerstoffsättigung am Auge. Die Methode befindet sich noch im klinischen Forschungsstadium. Das Prinzip beruht auf der seit langem in der Anästhesie und Intensivmedizin eingesetzten Pulsoxymetrie. Es wurde eine mittels Pulsoxymeter modifizierte Kontaktlinse für ein kontinuierliches Monitoring der arteriellen Sauerstoffsättigung eingesetzt. Das Verfahren wurde bei anästhesierten Patienten während chirurgischen Eingriffen verwendet (de Kock et al. 1993) Dual-wavelength Imaging Beach et al. beschrieben eine Methode, bei der simultan zwei Bilder der Retina aufgenommen werden. Im Gegensatz zum Jenaer-Imaging-Spektrometer werden bei diesem Verfahren nur zwei Wellenlängen benötigt, eine bei 600 nm und die zweite bei 569 nm. Letztere ist ein isosbestischer Punkt von Hb und HbO 2. Ansatz dieses Verfahrens ist der umgekehrt proportionale Zusammenhang von optischer Dichte und Sauerstoffsättigung, der mit den Gleichungen 5 bis 8 erklärt werden soll. Bei diesem Verfahren wurde unter anderem auch der störende Einfluss der retinalen Pigmentierung berücksichtigt (Beach et al. 1999). OD 600 ODR = ( 5 ) OD 569 ( 6 ) 9

18 Einleitung I out 569 OD = vessel log I in569 ( 7 ) I out 600 OD = vessel log I in600 ( 8 ) I out log 10 I in I 569 out I = 569 in600 OS = log 10 ( 9 ) I I in I out 569 out600 log 10 I in 600 ODR: OD 600 : OD 569 : OD vessel : OS: I out : I in : Quotient der optischen Dichten Optische Dichte bei 600nm Optische Dichte bei 569nm Optische Dichte im Gefäß Sauerstoffsättigung Intensität außerhalb des Gefäßes Intensität im Gefäß In dieser einfachen Grundbeziehung wurden von Beach Korrekturglieder zur Kompensation der Funduspigmentierung und des Einflusses der Gefäßweite eingeführt. Um den Einfluss der Pigmentierung zu kompensieren, wurde in dem Ausdruck für OD (7) die außerhalb des Gefäßes gemessene Intensität I durch den vessel569 out569 Ausdruck η.i ersetzt. out600 OD corr,569 = log( η I out600 I int 569 ) ( 10 ) Dabei ist η ein Gerätefaktor, der die Unterschiede in der Transmission beider Detektionskanäle berücksichtigt und I out600 ist die bei 600 nm gemessene Reflexionsintensität neben dem Gefäß. Durch diese Korrektur wird näherungsweise die bei 569 nm einfallende Intensität berechnet, auf die die innerhalb des Gefäßes gemessene Intensität bezogen wird. Für die weiteren Berechnungen wird dann ein korrigiertes Verhältnis ODR cor der bei 569 und 600 nm gemessenen optischen Dichten berechnet: 10

19 Einleitung ODR cor = OD 600 OD cor,569 ( 11 ) Zur Berechnung der venösen Sauerstoffsättigung, auf die dieses Verfahren konzentriert ist, wurde Gleichung (12) angegeben, in der auch der Einfluss unterschiedlicher Gefäßweiten berücksichtigt ist: OS vene = 100% [ODR cor,arterie ODR cor,vene (ΔD C)] / K ( 12 ) Darin ist ΔD die Differenz der Gefäßdurchmesser von zugehöriger Vene und Arterie. C ist der Anstieg der Beziehungen zwischen dem arteriellen ODR und den Änderungen der cor Gefäßweite, bestimmt bei 100% Sauerstoffsättigung und K ist die Empfindlichkeit des Gasamtausdrucks gegenüber Änderungen der Sauerstoffsättigung Jenaer-Imaging-Spektrometrie Ein anderes nichtinvasives spektrometrisches Verfahren ist die in der vorliegenden Arbeit verwendete Jenaer-Imaging-Spektrometrie (siehe hierzu Kapitel 3.2.) Leitlinien der deutschen Diabetes-Gesellschaft zur Untersuchung und Behandlung der diabetischen Retinopathie Allgemein kann man sagen, dass die Untersuchung des Augenhintergrundes bei Diabetikern zu selten durchgeführt wird. Nur etwa 19-32% der Patienten lassen sich jährlich kontrollieren (Bertram 1998), (Hauner et al. 1994). Qualitätsgesichertes Screening und Behandlung der diabetischen Retino- und Makulopathie senken das Risiko von Erblindungen und führen langfristig zu Kosteneinsparungen (Javitt et al. 1990, Javitt et al. 1994). Ebenso wird die Lebensqualität des Patienten gesteigert (CDC 1998). Die diabetische Retinopathie und Makulopathie verläuft lange Zeit symptomlos, kann aber bereits therapiebedürftig sein (Klein et al. 1995b). Erst fortgeschrittene Netzhautveränderungen verursachen Symptome und haben trotz Laserkoagulation eine signifikant schlechtere Prognose als die Frühstadien. Die Laserkoagulation kann nur das Fortschreiten des Visusverlustes mindern, jedoch keine Visusverbesserung herbeiführen (ETDRS report number , 1991a). Folgende augenärztliche Kontrollintervalle für Patienten mit Diabetes mellitus werden empfohlen [Härtegrad A]: 11

20 Einleitung Typ-I-Diabetes mellitus Ab dem 5. Erkrankungsjahr (Klein et al. 1989a) oder ab dem 11. Lebensjahr (Danne et al. 1998) ein Mal jährlich (Dasbach et al. 1991). Bei schlecht eingestellten Patienten mit Diabetes mellitus sind nicht behandlungsbedürftige Veränderungen schon vor dem 5. Erkrankungsjahr möglich. Nachdem die Retinopathie festgestellt wurde, Kontrollintervalle nach Maßgabe des Augenarztes. Typ-II-Diabetes mellitus sofort bei Diagnosestellung (UKPDS Group a) dann ein Mal jährlich (Dasbach et al. 1991). bei Retinopathie Kontrollintervalle nach Maßgaben des Augenarztes Bei Schwangerschaft wenn möglich vor der geplanten Konzeption (Klein et al. 1988), ansonsten sofort bei Erstdiagnose (Klein et al. 1990), anschließend alle 3 Monate präpartal. bei schon bestehender diabetischer Retinopathie monatlich. Falls während der Schwangerschaft eine Manifestation und /oder Progression der diabetischen Retinopathie auftritt, Kontrollen nach Absprache mit dem Augenarzt. Diabetologische Behandlung 1. Blutzuckerregulation: Die wirksamste Prävention der diabetischen Retinopathie ist die normnahe Blutzuckereinstellung [Härtegrad A]. Bei Patienten mit Typ-I-Diabetes mellitus wird das Risiko einer Retinopathie durch normnahe Blutzuckerwerte um 76% gesenkt (HbA 1c -Senkung von 9,1 auf 7,1%). Liegt bereits eine milde bis mäßige nicht-proliferative Retinopathie vor, kann die normnahe Blutzuckereinstellung (HbA 1c -Senkung von 9,1 auf 7,1%) das Risiko des Fortschreitens langfristig maximal um 54% reduzieren. Der Effekt wird erst nach 4-5 Jahren klinisch sichtbar (DCCT Research Group 1993). Somit führt eine langfristige HbA 1c -Senkung zu einer Senkung des Risikos einer Retinopathie. Bei Patienten mit Typ-II-Diabetes führt eine intensivierte Blutzuckereinstellung (HbA 1c - Senkung von 7,9 auf 7,1%) zu einer signifikanten Senkung der Notwendigkeit der Laserkoagulation (UKPDS Group a). Allgemein kann man sagen, dass das Risiko für Folgeerkrankungen bei einem HbA 1c unter 7% sehr gering ist und ab einem HbA 1c über 8% sehr schnell ansteigt (Müller 2005). 12

21 Einleitung 2. Arterielle Hypertonie: Bei Patienten mit Typ-I-Diabetes ist Bluthochdruck mit der Entwicklung und Progression der diabetischen Retinopthie assoziiert (Klein et al. 1989b). Bei Patienten mit Typ-II-Diabetes mellitus führt eine intensive Blutdruckeinstellung (von 154/87 auf 144/82 mmhg) zu einer 35%igen Senkung der Notwendigkeit einer Laserkoagulation (UKPDS Group b). Zur Verhinderung der Progression einer diabetischen Retinopathie wird eine Senkung des Blutdrucks unter 140/80 mmhg empfohlen [Härtegrad A]. 3. Hyperlipidämie: Patienten mit Typ-I- oder Typ-II-Diabetes und Dyslipidämie haben ein erhöhtes Risiko, harte Exsudate, eine diabetische Makulopathie und einen Visusverlust zu entwickeln (Chew et al. 1996). Außerdem ist das Risiko für eine proliferative diabetische Retinopathie erhöht (Davis et al. 1998). 4. Rauchen: Bei jedem Patienten mit Diabetes mellitus muss auf Nikotinkarenz gedrungen werden, da Nikotin mit der Entwicklung (Chaturvedi N et al. 1995) und Progression (Mühlhauser et al. 1996, Chase et al. 1991) einer Retinopathie assoziiert ist [Härtegrad C]. Hyperglykämie führt zu einer vermehrten Bildung von Superoxiden, wodurch verschiedene Stoffwechselwege aktiviert werden, die als Folge zu einem erhöhten oxidativen Stress, proinflammatorischer Genexpression, Blutflussveränderungen, einer gestörten Zellinteraktion sowie zur Bildung von VEGF führen. Die hier aufgezählten Mechanismen führen zu einer Ischämie des Netzhautgewebes und begünstigen somit die Entstehung der diabetischen Retinopathie und Makulopathie (Krohne 2003, Fauser 2003). In der aktuellen Literatur finden sich neue pharmakologische Behandlungsansätze, die sich aus der Kenntnis dieser Pathomechanismen ergeben. Die Therapieansätze befinden sich jedoch derzeit noch in Studien. Einige Behandlungsansätze erzielten schon vielversprechende Ergebnisse. Somatostatinanaloga, wie das synthetische Octreotid, zielen einerseits auf die Stabilisierung der Blut-Netzhautschranke bei Gefäßleckagen im Rahmen eines diabetischen Makulaödems und andererseits auf die Hemmung der Neoangiogenese. Octreotid hemmt die im Rahmen der diabetischen Retinopathie auftretende Überexpression der proangiogenen Faktoren GH, IGF- 1 und VEGF (Lang 2004, Krohne 2003). Die Hyperglykämie führt zu einer Erhöhung von DAG (Diazylglyzerol), was wiederum die Protein-Kinase-C-_ aktiviert (Nishizuka 1988, Krohne 2003). PKC führt über verschiedene Mechanismen zu einer erhöhten Gefäßpermeabilität. Sie hemmt die NO-vermittelte Vasodilatation, was zu Störungen der retinalen vaskulären Hämodynamik führt. Die PKC ist ebenfalls verantwortlich für die verstärkte Adhäsion von Monozyten an der endothelialen 13

22 Einleitung Gefäßwand etc. Durch Verabreichung des selektiven und oral applizierbaren PKC-Inhibitors, Ruboxystaurinmesylat, ist es gelungen, eine Verbesserung des retinalen Blutflusses und eine Reduzierung der retinalen PKC-Aktivität zu erzielen (Lang 2004). Derzeit laufende Studien befassen sich mit der intravitrealen Injektion von Steroiden zur Therapie des diabetischen Makulaödems. Das diffuse Makulaödem ist die Folge eines generalisierten Zusammenbruchs der Blut-Retina-Schranke. Durch die intravitreale Injektion von Triamcinolon soll die Synthese von Prostaglandinen im Arachidonsäurestoffwechsel gehemmt werden. So soll die Migration von Leukozyten und die Ausschüttung von Entzündungsmediatoren vermindert werden. Durch Erhöhung der Anzahl von Tight junctions sind Steroide in der Lage, Gefäßschranken zu stabilisieren und die diabetische Makulopathie zu reduzieren. Ophthalmologische Behandlung 1. Laserkoagulation: Als wichtigste Therapiemöglichkeit der diabetischen Retinopathie gilt die Lasertherapie. Erst ab dem Stadium der schweren nicht-proliferativen Retinopathie ist eine lockere panretinale Laserkoagulation (entspricht: 1000 Herden mit 500µm Durchmesser innerhalb von 2-3 Wochen) zu empfehlen, bei proliferativer Retinopathie eine panretinale Koagulation (entspricht 2000 Herden mit 500µm Durchmesser innerhalb von 4-6 Wochen). Bei kombiniertem Auftreten einer fokalen diabetischen Makulopathie und laserbedürftigen Retinopathie wird empfohlen, zunächst die Makulopathie gezielt zu lasern und dann die proliferative Retinopathie panretinal zu behandeln. Indikationen zur Lasertherapie bei nicht-proliferativer diabetischer Retinopathie (NPDR) (ETDRS report number a) NPDR-Stadium Laser-Indikation Mild keine Laserkoagulation Mäßig keine Laserkoagulation Schwer Laserkoagulation zu erwägen, insbesondere bei Patienten mit mangelnder Compliance Typ-I-Diabetes beginnender Katarakt mit erschwertem Funduseinblick Risiko-Allgemeinerkrankungen, speziell: arterielle Hypertonie Schwangerschaft Indikationen zur Lasertherapie bei proliferativer diabetischer Retinopathie (PDR) (Diabetic Retinopathy Study Research Group 1987) 14

23 Einleitung PDR-Stadium Laser-Indikation Neovaskularisation an der Papille periphere Neovaskularisation > _ Papillendurchmesser präretinale Blutung Rubeosis iridis Indikationen zur Lasertherapie bei diabetischer Makulopathie (DMP) Fokale DMP (ETDRS report number a, ETDRS report number b) [Härtegrad A] Gezielte Laserkoagulation bei Vorliegen eines visusbedrohenden, klinisch signifikanten Makulaödems: umschriebene Ödemzone(n), kombiniert mit Mikroaneurysmen, intraretinalen Blutungen und harten Exsudaten, die ganz oder teilweise innerhalb eines Papillendurchmessers von der Fovea entfernt liegen; unabhängig vom Visus Diffuse DMP (ETDRS report number a, ETDRS report number b)(Vergleiche Lee et Olk (Lee und Olk 1991), mit Ladas et Theodossiadis, (Ladas und Theodossiadis 1993) Gitterförmige ( grid -)Laserkoagulation optional, da Studienergebnisse nicht eindeutig sind. Ischämische DMP Laserkoagulation kontraindiziert (Lemmen 1993) 2. Vitrektomie: Bei schweren Spätkomplikationen der proliferativen diabetischen Retinopathie (z.b. Glaskörperblutung, Netzhautablösung, etc) ist eine Vitrektomie indiziert (Helbig et al. 1998, Diabetic Retinopathy Vitrectomy Study Research Group 1990, Ulbig und Kampik 1993, Gandorfer und Kampik 2000). Dabei werden Glaskörperblutungen und fibrovaskuläre Proliferationen entfernt die eventuell abgehobene Netzhaut wieder angelegt, und mit dem Endo-Laser eine panretinale Laserkoagulation durchgeführt. Indikationen zur Vitrektomie bei proliferativer diabetischer Retinopathie (Gandorfer und Kampik 2000, Ulbig und Kampik 1993) schwere nicht resorbierende Glaskörperblutung (keine Aufhellung innerhalb von drei Monaten bei Patienten mit Typ-I-Diabetes mellitus, innerhalb von 3-6 Monaten bei Patienten mit Typ-II-Diabetes mellitus), in Einzelfällen bereits früher traktionsbedingte oder kombiniert traktiv/rhegmatogene Netzhautablösung mit relativ frischer Beteiligung der Makula 15

24 Einleitung schwere progressive fibrovaskuläre Proliferationen dichte prämakuläre Blutung (subhyaloidale Blutung) Rubeosis iridis mit Eintrübung des hinteren Augensegmentes Erythroklastisches Glaukom Makulaödem mit prämakulärer Traktion Katarakt, der eine Behandlung der schweren proliferativen diabetischen Retinopathie behindert Bei kombiniertem Auftreten von diabetischer Makulopathie und laserbedürftiger Retinopathie, wird empfohlen, zunächst die Makulopathie gezielt zu lasern und dann panretinal die proliferative Retinopathie, da es sonst zu einer Verschlechterung des Makulabefundes kommen kann. In den letzten Jahren wurde vermehrt auf dem Gebiet der pharmakologischen Therapie der diabetischen Retinopathie geforscht. Hierbei ist besonders die medikamentöse Blutzuckereinstellung, eine effektive Blutdrucksenkung und eine Senkung der Blutfettwerte hervorzuheben (Müller 2005, Schnurrbusch und Wolf 2004). Diese Einteilung der Behandlung der diabetischen Retinopathie ist die zur Zeit gültige Leitlinie für Augenärzte. Auffällig ist, dass der genaue Zeitpunkt für den Beginn der Photokoagulation nicht festgelegt werden konnte. Zu einem gewissen Grad liegt es im Ermessen des Augenarztes, wann zum ersten Mal photokoaguliert wird. Mit den Ergebnissen dieser Arbeit kann unter anderem versucht werden, den Zeitpunkt einer sinnvollen Photokoagulation genauer zu bestimmen. Wie bereits in Kapitel 1.1 beschrieben, kann es bei Diabetikern mit beginnender Mikroangiopathie zur Unterversorgung der Netzhaut mit wichtigen Metaboliten und Sauerstoff kommen, was wiederum einen negativen Einfluss für den weiteren Krankheitsverlauf bedeutet. Mit der in dieser Arbeit verwandten Methode könnte man Veränderungen der Mikrozirkulation und der Sauerstoffversorgung frühzeitig erkennen und daraufhin mit einer für den einzelnen Patienten optimierten Therapie beginnen. Eventuell könnten so die Folgeveränderungen am Auge eingeschränkt oder zumindest verzögert werden. 16

25 Zielstellung 2. Zielstellung Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Erweiterung der strömungsphysikalischen Methoden zur Beurteilung der Mikrozirkulation durch die spektrometrische Bestimmung der Sauerstoffsättigung in retinalen Gefäßen. Hierzu war die Sauerstoffsättigung in Netzhautarteriolen und Netzhautvenolen vor, während und nach Provokation der Mikrozirkulation durch Atmung von 100% Sauerstoff zu messen. Es wurden augengesunde Probanden mit Diabetikern, die an einer mäßigen nicht-proliferativen diabetischen Retinopathie leiden, verglichen. Die Erprobung der relativ neuen Methode (Verwendung von nur vier Wellenlängen) war ebenfalls Ziel der Arbeit. Die folgenden Fragen und Aufgabenstellungen dienten als Leitfaden zur Bearbeitung, Auswertung und Diskussion der Arbeit: Evaluation der Methode spektrometrische Bestimmung der Sauerstoffsättigung in Netzhautgefäßen bei augengesunden Normalpersonen und bei Diabetikern mit einer mäßig nichtproliferativen diabetischen Retinopathie Bestimmung der mittleren arteriellen und venösen Sauerstoffsättigung sowie der arteriovenösen Sauerstoffsättigungsdifferenz mit dem entsprechenden Standardfehler der Mittelwerte für Normalpersonen und Diabetiker mit dem speziellen Stadium der mäßig nicht-proliferativen diabetischen Retinopathie Untersuchung des Alterseinflusses auf die Sauerstoffsättigung Untersuchung auf Abhängigkeit der Sauerstoffsättigung vom Geschlecht des Probanden Untersuchung des Einflusses der Diabetesdauer auf die Sauerstoffsättigung Untersuchung des Einflusses des Blutzuckers auf die Sauerstoffsättigung Untersuchung der Abhängigkeit von Sauerstoffsättigung und HbA 1c -Wert Vergleich der Sauerstoffsättigung bei Rauchern und Nichtrauchern weitere Untersuchungen des Einflusses von Blutdruck und sportlicher Betätigung auf die Sauerstoffsättigung 17

26 Material und Methode 3. Material und Methoden 3.1. Physikalische Grundlagen der Spektrometrie Zur Bestimmung der Sauerstoffsättigung am Jenaer-Imaging-Spektrometer nutzt man die unterschiedlichen Extinktionsspektren von oxygeniertem (HbO 2 ) und desoxygeniertem (Hb) Hämoglobin (van Assendelft 1970). Sowohl im sichtbaren als auch im NIR-Spektralbereich zeigen die Spektren von oxygeniertem und desoxygeniertem Hämoglobin unterschiedliche Verläufe (van Assendelft 1970). Es wäre denkbar, die Unterschiede in diesen Bereichen zu nutzen. Hierbei ergeben sich jedoch zwei Probleme. Im kurzwelligen Spektralbereich für Wellenlängen kleiner 450 nm verhindert die geringe Transmission der Okularmedien die Ausführung von spektralen Reflexionsmessungen mit einem ausreichenden Signal-/ Rauschverhältnis. Im langwelligen infraroten Spektralbereich sind die Extinktionskoeffizienten von HbO 2 und Hb so gering, dass unterschiedliche Extinktionen von Arterien und Venen nur bei sehr großen Schichtdicken, d.h. bei großen Gefäßdurchmessern gemessen werden könnten. Aus diesen Gründen ergab sich für die Messungen in der vorliegenden Arbeit eine Beschränkung auf den sichtbaren Spektralbereich um 550 nm. Das Extinktionsspektrum von oxygeniertem Hämoglobin zeigt einen doppelgipfligen Verlauf mit zwei Maxima bei 542 und 577nm. Das Extinktionsmaximum von desoxygeniertem Hämoglobin liegt zwischen den beiden Gipfeln des oxygenierten Hämoglobins bei 555nm. Die Schnittpunkte der Extinktionskurven sind die isosbestischen Punkte. Hier findet sich für beide Substanzen bei der dazugehörigen Wellenlänge die gleiche Lichtabsorption (Zander und Mertzlufft 1988). Für die spektrometrische Messung der Sauerstoffsättigung des Hämoglobins verwendet man deshalb Wellenlängen, bei denen sich das Absorptionsverhalten von oxygeniertem und desoxygeniertem Hämoglobin besonders stark unterscheiden. In der folgenden Abbildung werden die Spektren der Extinktionskoeffizienten von oxygeniertem und desoxygeniertem Hämoglobin in hämolysiertem Blut, gemessen in einer Küvette, (Schweitzer et al. 1995) dargestellt. Der Extinktionskoeffizient errechnet sich aus dem Quotienten Extinktion / Schichtdickeneinheit. 18

27 Material und Methode HbO 2 -Lösung Hb-Lösung Extinktionskoeffizient in cm Abbildung 1: Verläufe der Extinktionsspektren von Oxyhämoglobin (HbO 2 ) und desoxygeniertem Hämoglobin (Hb) in hämolysiertem Blut, gemessen in einer Küvette (Schweitzer et al. 1995) Das Gesetz von Lambert und Beer beschreibt genau diesen Zusammenhang zwischen Extinktion, durchstrahlter Schichtdicke und Konzentration. E = ε c d ( 13 ) Die Extinktion (E) einer Lösung ist proportional der Schichtdicke der Lösung (d), ihrem molaren Extinktionskoeffizienten (ε) und der Konzentration (c) der darin gelösten lichtabsorbierenden Substanz. Nach Delori (Delori 1988, Delori et al. 1982) ergibt sich bei Anwendung des Lambert- Beer Gesetzes zur Bestimmung der Sauerstoffsättigung im Blut: [ ε + O Sat ( ε ( λ) ε ( ))] E( ) ctotal d Hb ) 2 HbO2 λ ( λ Hb λ = ( 14 ) c total d = Gesamthämoglobinkonzentration = Gefäßdurchmesser ε Hb,HbO2 = Extinktionskoeffizient (Stoffkonstante (van Assendelft 1970)) 19