Näköpurppurat, opsiinit. Taustaa

Springer- yhtiön katsauskirjassa Macular Degeneration , jonka toimittivat Philip L. Penfold ja Jan M. Provis vuonna 2005, on seuraavat aihepiirit käsitelty:
1. Organization of the adult primate fovea
2. Immunology and age -related macular degeneration (AMD)
3. Photoreceptor degeneration in aging and age-related maculopathy
4. Genes and age-related macular degeneration
5. Epidemiology of age-related macular degeneration
6. Prevalence and risk factors for age-related macular degeneration (”Wet” and ”Dry” AMD) in China
7. Experimental models of macular degeneration ( aging; laser-induced CNV; Growth-factor induced CNV; genetically defined animal models)
8. Transporters and oxidative stress in AMD
9. Photoreceptor stability and degeneration in mammalian retina; lesson from the edge
10. Clinical strategies for diagnosis and treatment of AMD. Implication from research; Dry AMD, Wet AMD

Otan kirjan sivuilta (3-9) alusta ensimmäisestä artikkelista kappaleesta 1.1.2. tekstin suomennettavaksi. General anatomy. Photoreceptor distribution, types and numbers in the human retina. Ihmisen verkkokalvon fotoreseptorien asettuminen, tyypit ja lukumäärät.

Tämä asia on tärkeä kun luetaan UV-valosta , ja laserista, sillä tässä käsitellään valonabsorptiota näköpigmenteihin ja ihmisedlle vitaalia tarkan näön keskusta, foveaa.

Yleistä anatomiasta

Fovea centralis sijaitsee verkkokalvon keskellä (area centralis) eli macula-alueessa.

Aivojen primäärisestä näköcortex-alueesta 40 % käytetään näkökentän keskuksen 5 % alueen prosessoimiseen, mikä vastaa juuri fovean kuopan kohtaa.

Päätehtävänä aivoratojen colliculus superior-kohdalla, pretectum–kohdalla ja III. IV. ja VI. aivohermon tumakkeella ja niiden assosiaatiokeskuksilla on integroida kortikaalinen (aivokuoriperäinen) informaatio ja verkkokalvoon syöttynyt (ihmisen ulkopuolelta tuleva) informaatio sillä tavalla, että silmän liikkeet puolestaan pitävät avaruudellista pistettä fokusoituna molempien silmien foveaan, mikä tehostaa binokulaarista hyvin tarkkaa näkemistä.

HUOM: Tässä funktiossa linssin taittovika-asia on helposti (helpoimmin) korjattavissa oleva ja sillä voidaan saada avuksi näön kohteen fokusoiminen verkkokalvolle, mistä sitten aivoradat jatkossa suorittavat tarkistusfokusoinnit. Minimaalisinta silmien hoitoa on katsoa, että taittovikaiset saavat silmälasit).

Macula-alueessa on keltaista pigmenttiä ja eniten fovean ympärilllä. Fovea tunnistetaan myös fovean kuopasta, joka tekee syventymän verkkokalvon lasiaisen puoleiselle pinnalle.

Ihmisen keltainen täplä, macula lutea, tunnistettiin verkkokalvosta 18. vuosisadan loppupuolella.

Verkkokalvon rakenteesta, anatomiasta ja yhteyksistä, alettiin saada käsitystä Golgin impregnaatiomenetelmällä (Cajall 1892). Vuoden 1941 jälkeen (Polyak, Boycott, Dowling) alettiin ymmärtää, miten verkkokalvon, kuten fovean, neuronit ja gliasolut ovat keskenään anatomisesti järjestäytyneet. Elektronimikroskoopilla saatiin sitten lisätietoa (1965- 1991).

Ihmisellä fovea centralis sijaitsee näköhermon (nervus opticus) päädyn (papillan. The optic disc) keskipisteestä 4 mm ohimoon päin ja 0.8 mm alaspäin. ( HUOM. Näköhermon pääty ei voi ”nähdä”, koska se on hermokaapeleita,josta verkkokalvo lähettää yhteyden aivoja kohden, ja sen takia on näkökentissä sokea piste olemassa, mutta binokulaarinäöllä voidaan korvata paljon tätä sokeaa pistettä. Sen olemassa olo on hyvä tietää. Siihen voi nimittäin sivusilmässä mahtua

”kokonainen auto”) .Fovea on tarkan näkemisen kohta macula- täplässä ja siinä on runsaasti tappisoluja. Makulan alueessa olevaa keltaista pigmenttiä on eniten foveassa.

Koko retinasta eli verkkokalvosta fovea edustaa vain 0.02 %:n aluetta ja tappisolumäärästä se käsittää 0.3 %, mutta verkkokalvon hermojärjestelmän gangliosoluista sen osuudelle tulee 25 %, mikä selittää fovean tärkeän osuuden primäärinäkemisessä.

Ihmisen foveaalinen kuoppa on pyöreä, noin 1000 um ( mikrometriä) leveä ja 200- 240 um syvä, mikä on retinan paksuudesta noin puolet. Yksilölliset erot ovat vähäisiä.

Macula , keskiverkkokalvo ( retina) jaetaan neljään keskiseen vyöhykkeeseen:

(1) Foveola, 250 - 350 um ja vastaa näkökentän 1 kulma-asteesta 20 kulmaminuutista.

Ohuimmalla kohdallaan foveolan soluinen osa on vain hieman yli 100 um ja muodostuu vain tappisolu-soomista, joitten ympärillä on Muellerin gliasolujatkeita.

(Yamada 1969; Burris et al 2002). Kuitenkin foveolalla pisimmät OS ja IS eli ulko ja sisäsegmentit verkkokalvossa, jotka uurtuvat siten, että muodostuu kaarrosta silmän sisäänpäin ja sitä sanotaan fovea externa- osaksi.

Verkkokalvon foveolan sisäkerrokset (IS)ja myös ulompi pleksiforminen ( punos) kerros (OPL) kulkevat lateraalisesti fovean rinnettä (foveal slope), vaikka joskus neuroneita on fovean pohjallakin.

(2) Fovea käsittää foveolan ympärillä olevan 750 um :n vyöhykkeen ja sen fovea-alueen diametri leveys on 1.85 mm ja se vastaa 5.5 kulma-asteesta keskisestä näkökentästä. Foveassa on kaikkia verkkokalvon kerroksia ja sen paksuin kohta on ns ”foveal slope”. Tässä kerroksessa on gangliosoluja kahdeksana syvänä ja hyvin paksuna ulompana punoskerroksena (GCL) . Suurin osa tästä kerroksesta on tappisolujen pitkiä aksoneita eli Henlen säikeitä, ja myös foveolan tappien synaptisia varsia (P). Sauvoja ilmenee vasta foveassa ja niilläkin on pitkittyneet aksonit. Yksittäisessä foveolaarisessa tapissa on nähtävissä näitä pitkiä fotoreseptoriaksoneita

Fovea on tarkan näkemisen kohta macula- täplässä ja siinä on runsaasti tappisoluja.

Koko retinasta eli verkkokalvosta fovea edustaa vain 0.02 %:n aluetta ja tappisolumäärästä se käsittää 0.3 %, mutta verkkokalvon hermojärjestelmän gangliosoluista sen osuudelle tulee 25 %, mikä selittää fovean tärkeän osuuden primäärinäkemisessä.

(3) Parafovea-alueessa GCL (Ganglion cell layer) on paksuimmillaan.

(4) Perifovea on ohuempaa joka puolella, koska sen OS (Outer segment) on lyhempää ja GCL paljon ohuempaa. Sauvasolut ovat hallitsevimpia ONL-kerroksessa ( Outer nuclear layer) Henlens tappiaksoneita on havaittavissa tappisoluista tulevina OPL kerrokseen. (Outer plexiform layer).

Fovea ja foveola yli 70 vuotiaan verkkokalvossa sisältää pitempiä ja ohuempia IS ja OS - tappeja kuin nuorten verkkokalvo, mutta gangliosolukerros on kauttaaltaan ohuempaa (GCL) kuin teini-ikäisen verkkokalvossa.

Ihmisen verkkokalvon fotoreseptorien asettuminen, tyypit ja lukumäärät.

Fovea on verkkokalvon fotoreseptorien topografian monimutkainen rakennnelma.

Vuonna 1935 analysoitiin ihmisen fotoreseptoreita ensi kerran ( Osterberg). Sitemmin pioneerityö on suuresti edistynyt tekniikan kehittyessä.

Vuonna 1990 (Curcio et al) arvioivat keskimääräisen fotoreseptorimäärän silmää kohti seitsemästä ihmisverkkokalvosta, joita oli 27- 44 vuotiaiten kudoksista saatu. Tappeja oli 4.6 miljoonaa ja sauvoja 92 miljoonaa, mikä oli vähemmän kuin vuodelta 1935 Osterbergin arvioima tappiluku 6 miljoonaa tappisolua- (mikä luku annettiin esim silmatautien luennoissa minun opiskeluaikanani)

Tapit (cones) ja sauvat(rods) voidaan erottaa toisistaan koon perusteella, jolloin voidaan luoda värikoodattuja tietokoneellisia karttoja tapeilleja sauvoille ihmisverkkokalvosta. Jokaisella fotoreseptorilla on oma opsiiniproteiininsa, joka kombinoituu 11-cis-retinaaliin (A.-vitamiini) muodostaen fototransduktiomolekyylin OS -kerroksessa (outer segment). Opsiinin aminohapposekvenssi määrää aallonpituusselektiivisyyden näissä kolmessa tappityyppisessä ja yhdessä sauvatyyppisessä opsiinissa. (Nathans et all 1986; Jacobs 1998; Sharpe et al 1999).

Ihmisen verkkokalvo käsittää lyhyt-(S), keskipitkä-(M), ja pitkä- (L) aaltopituusselektiivisiä tappeja ja sauvoja. S-, M- ja L-tapit ovat vastaavasti sinistä, vihreää ja punaista väriä tunnistavia tappisoluja ( siniselle, vihreälle ja punaiselle reagoivia näköpurppuoita). . S-opsiinin ja sauva-opsiinin aminohapposekvenssissä on riittävästi erilaisuutta, jotta ne ovat erotettavissa toisistaan ja myöskin M- ja L- opsiineista, joten on voitu kehittää sekä ribo-koettimia että vasta-aineita, joilla voidaan merkata sauvat, S- tapit ja M/L-tapit histologisissa valmisteissa.

Nykyään voidaan esittää verkkokalvoa kartoitettuna , esim S- tappien sijainti foveassa. Mutta M- ja L- opsiinit eroavat vain harvan aminohapon suhteen, joten ei ole voitu tehdä niistä ribo-luotainta tai vasta-aineita, joilla ne voisi erottaa toisistaan. Mutta adaptatiivisella optiikalla ja elektroretinografisin keinoin fotometrialla (2002) on kyetty kuitenkin jo observoimaan elävältä henkilötä suoraan tappifunktiota siten, että M- ja L- suhde voidaan in vivo määrittää (Carrol et al 2002). In vitro on käytettävissä Rt-PCR molekulaarinen tekniikka (1998 Hagström).

Tappitiheys periferiassa on 2000- 4000 tappia neliömillimetrillä ja siinä on S-tappien osuus 6 - 12 % kaikista tapeista. Tappitiheys on myös korkeinta pitkin horisontaalista meridiaania nenän puolella, joten sama eksentrisyys nasaaliretinalla( nenän puoleislla verkkokalvoalueellal) tekee 2-3 kertaisen tappimäärän verrattuna ohimonpuoliseen retinaan.

Yksittäiset S- tapit ovat tyypillisesti erillään toisistaan muitten fotoreseptoreitten erottamina ja muodostavat eräänlaista perifeerisen retinan mosaiikkia. Mosaiikkaa analysoitaessa se vaikuttaa randomly arranged, satunnaisesti järjestäytyneeltä. (Curcio et al 1991, Martin et al. 2000, Roorda et al 2001).

M- ja L- tapit puolestaan muodostavat pieniä rykelmiä, jotka nekin vaikuttavat satunnaisesti järjestäytyneiltä (Roorda et all 2001). PCR- tutkimuksissa on havaittu, että useimmiten ihmisverkkokalvossa M-tapit vähenevät periferian suuntaan ja monilla on hyvin vähän M-tappeja perifeerisimmin laitamilla) (Hagström et al. 1998)

Fovea-alueen ulkopuolella on hallitsevina fotoreseptoreina sauvat ja niiden suhde tappien määrään on 20:1 keskimäärin (Curcio et Hendrickson 1991).

Sauvasolujen tiheys verkkokalvolla on suhteellisen tasaista useimmissa kohdissa, mutta niitä on tiheimmin vyöhykkeellä, joka vastaa 20 kulma-asteen rengasta verkkokalvolla. Suurin sauvasolutiheys on havaittu optisen kiekon yläpuolella useimmissa verkkokalvoissa, missä tämä sauvojen ”hot spot” käsittää 176 000 sauvaa neliömetrillä.

Macula-alueessa tappitiehys nousee ja sauvatiheys laskee, kunnes keskisellä 500- 600 um alueella foveassa fotoreseptoritopografia muuttuu hyvin selvästi 500 mikrometrin kohdalla, jossa tappien ja sauvojen suhde on 1:1 ja niitä on molempia 40 000 neliömillimetrillä.

Viimeinen merkitsevä sauvapitoisuus havaitaan 300 um kohdalla ja vain muutamia sauvoja 100 um päässä foveolasta. Foveolan keskeltä sauvat puuttuvat.

S-tappeja esiintyy merkitsevissä lukumäärissä 100 mikrometriin, mutta ne puuttuvat keskisestä foveolasta. Tämä S- tappivajeinen alue ei useinkaan keskity samaan kuin suurimman tappitiheyden alue ja sen muoto, koko ja foveolaan liittyvien s-tappien määrä on yksilöllinen.

S-tappien huipputiheys on 5 100 S-tappia neliömillimetrissä foveolan vieressä, missä S-tappien tiheys on 3 % kaikista tapeista. Koska S-tappien tiheys vähenee hitaammin kuin M- ja L-tappien tiheys foveassa, niin parafoveassa on S-tappien prosentuaalisuus varsinaisesti jo kohonnut 6- 7 prosenttiin tapeista.

Foveolan keskinen 100 um keskittyy foveolakuopan syvimpään kohtaan ja siinä on vain M ja L-tappeja. Adaptatiivisen optiikan avulla on havaittu huomattava suhde M- ja L-tappien kesken foveassa: 2L: 1M keskimäärin, mutta niillä yksilöillä, joilla on normaali värinäkö, voi tämä suhde vaihdella 8M:1L ja 8L:1M välillä ( Roorda et Willams 1999; Carrol et al. 2002).

Sentraalinen foveola sisältää retinan suurimman tappitiheyden, mikä nuorilla aikuisilla on 99 000 - 324 000 tappia neliömillimetrillä, keskimäärin 199 000 tai 208 000 neliömillillä eri tutkijoitten mukaan. Kuitenkin tappien varsinainen lukumäärä, mikä muodostaa tämän korkean tiheyden (neliö millimetreissä) , on pieni murto-osa tappien kokonaismäärästä ja vain 7 000- 10 000 tappia on keskisimmän 300 um kohdalla ja 90 000 tappia retinan 2 mm:n sentraalissa.

Sen takia suurin näkötarkkuus riippuu viiden miljoonan tapin joukosta alle 100 000 tapin funktionaalisesta integroitumisesta, mikä painottaa fovean merkitystä koko elämän aikaiselle hyvälle näkökyvylle.

Yksittäisten foveaalisten tappien halkaisija vaihtuu selvästi keskisen 5 mm (5 000 um) jälkeen. Foveolan tapit ovat verkkokalvon pisimmät ja ohuimmat ja tiiveimmin pakkautuneet. Niitten ulkosegmentti (OS) ovat foveolassa, mutta niiten solusoomat ovat sijoittautuneena lateraalisesti (ulkosivulle) foveaan. Foveolaarisilla tapeilla on hyvin pitkät aksonit tai Henlen säikeet, jotka ulottuvat synaptiseen ulokkeeseen foveaan. Tämä aksoni on muodostunut kuopan kehittymisvaiheessa ja se pitää yllä synaptista kontaktia retinan sisemmän osan (IS) neuroneihin, jotka asettautuvat perifeerisemmin.

Foveaalisten tappien kokonaispituus on 500 - 700 um. Aikuisen foveaalisten tappien mitat ovat: OS 1.2 um leveys ja 40- 50 um pituus, kun taas sisäsegmentit (IS) 2-3 um leveitä ja 30- 35 um pitkiä. Tapin pituus siis vähenee ja leveys kasvaa nopeasti, kun tulee etäisyyttä (distanssia) fovean keskipisteeseen.

Esim. 400 um:iä foveolan keskuksesta sisäsegmentti (IS) on 6 um leveä ja 24 um pitkä ja ulkosegmentti ( OS) on samaa levyttä, mutta pituus on vähentynyt 27 um (mikrometriin). Tämä koon muutos heijastuu tappitiheyden laskuna 200 000/mm2:sta 100 000/mm2:een vain 150 mikrometrin päässä ja 15 000/mm2:een 1.5 mm:n päässä.

Tutkimukset ovat osoittaneet, että ihmisen fovean fotoreseptorien topografia käsittää sarjan toisiaan tiheästi lähellä olevia keskisiä renkaita. Keskuksen tiiveimmässä tiheydessä on vain M- ja L-tappeja. Seuraava rengas alkaa 100 um kohdalta ja siinä tulee kuvioihin S-tappeja ja lopulta lisäytyy joukkoon sauvoja 300 mikrometrin kohdalta.

Rengas renkaalta M-, L- ja S- tappimäärät alkavat sitten vähentyä ja sauvamäärät nousta, niin että sauvojen suhde tappeihin on 1:1 kun on 500 um:n rengas kyseessä. Fovean kehityksen aikana, on vastaavia konsentrisia renkaita havaittavissa sikiössä jo viikolta 15 - 16, kun kaikkia fotoreseptoriopsiineita ( näköpurppuralaatuja) jo ilmenee. ( 1999 Bumsted et Hendrickson). Miltei mitään ei tiedetä siitä molekulaarisesta kontrollista, mikä vastaa tästä kompleksisen topografian kehityksesta.

(Vuosi 2004).