Untersuchungen zum Einfluss der Netzhautschichtung auf die visuelle Funktion bei Patienten mit ABCA4-Mutationen

Abstract

Das ABCA4-Gen kodiert für das Transmembran-Transportprotein ABCA4, welches die Retinoid-Komponenten vom Disklumen über die Diskmembran in das Zytoplasma der Photorezeptoren transportiert. Bei den ABCA4-vermittelten Netzhautdystrophien kommt es aufgrund von Behinderungen des Transportes zur starken Akkumulation von toxischem A2E und dadurch zu einer Zerstörung der RPE-Zellen und zur Degeneration der Photorezeptoren und der nachgeschalteten Zellen.Biallelische Mutationen des ABCA4-Gens verursachen ein Spektrum autosomal-rezessiv vererbter Netzhauterkrankungen. Die am häufigsten vorkommende Erkrankung davon ist der Morbus Stargardt. Ziel dieser Dissertation war es, die Morphologie der zentralen Netzhaut bei Patienten mit Mutationen im ABCA4-Gen zu charakterisieren und zu systematisieren, um aus der Betrachtung morphologischer Daten und funktioneller Untersuchungen ein besseres Verständnis der Erkrankung zu erarbeiten. Dafür wurden 25 Patienten mit biallelischen Mutationen des ABCA4-Gens untersucht. Die Patienten wurden anhand der Verteilung von Veränderungen der Fundusautofluoreszenz in Anlehnung an die Einteilung von Fishman et al. in drei Gruppen eingeteilt. Diese Gruppen wurden nach Untersuchungen der Morphologie und der Funktion miteinander verglichen. Für die Beurteilung wurden Informationen aus Anamnese, SD-OCT-Aufnahmen, Fundusautofluoreszenz-Aufnahmen, Fundus-photographien, Visusbestimmung, Goldmann-Perimetrie, funduskontrollierter Perimetrie (MP1), Ganzfeld-ERG (Gf-ERG), multifokalem ERG (mf-ERG) und Panel-D15-Farbsehtest nach Lanthony herangezogen.Bei den 25 Patienten wurden zwischen 2008 und 2014 mittels Spectral-Domain-OCT (SD-OCT, Spectralis, Heidelberg Engineering, Heidelberg) Volumenscans der zentralen Netzhaut durchgeführt. Die OCT-Volumenscans wurden mittels der von Ehnes und Kollegen entwickelten DiOCTA-Software (Ehnes et al. 2014) automatisch segmentiert, manuell korrigiert und anschließend sektorbezogen und gruppenbezogen ausgewertet. Es wurden Läsionsgrößen anhand der fehlenden ISe-Schicht ausgemessen und mit Parametern wie Visus, Patientenalter und Erkrankungsdauer verglichen. In der gängigen Literatur wurden oft morphologische Netzhautveränderungen anhand von Einzelscans untersucht. Das Besondere an dieser Arbeit war die Verwendung von Volumenscans, durch die flächenbezogene Analysen der Netzhaut möglich waren.Die durchgeführte Patientenanalyse zeigte gruppenspezifische Unterschiede in den morphologischen und den funktionellen Daten. Die erste Gruppe bildeten Patienten mit den am wenigsten ausgeprägten Veränderungen, die zweite Gruppe Patienten mit ausgeprägteren Schäden, kurzer Erkrankungsdauer und einem frühen Erkrankungsbeginn, die dritte Gruppe bildeten Patienten mit den am stärksten ausgeprägten Netzhautschäden. Die Läsionsgrößen zeigten gruppenbezogene Unterschiede. Die Patienten der Gruppe III wiesen die größten Läsionen auf (>28 mm²). Bei dem Vergleich der Läsionsgröße mit dem Visus zeigte sich, dass bei Läsionsgrößen von mehr als 5 mm² der Visus (gruppenunabhängig) bereits sehr schlecht war. Patienten mit einer noch guten Sehschärfe präsentierten entweder ein foveal sparing -Phänomen oder Läsionsgrößen von weniger als 5 mm². Es zeigte sich eine Tendenz, dass die Patienten der Gruppe II insgesamt jünger waren und eine kürzere Erkrankungsdauer im Vergleich zur Läsionsfläche aufwiesen als die Patienten der Gruppe I. Es zeigte sich außerdem eine Zunahme der Läsionsfläche im zeitlichen Verlauf. Bezüglich der gruppen- und sektorbezogenen Schichtdicken der einzelnen Netzhautschichten zeigte sich im Vergleich zu Normprobanden eine Verdickung der NFL- sowie GCL+IPL-Schichten, eine starke Verdünnung der Schichtgruppe INL+OPL+ONL+ELM+IS, ISe+OS sowie der gesamten Netzhautdicke und eine normale Dicke des RPE.Aufgrund der durch die fortgeschrittene Erkrankung starken Umorganisation der Netzhaut der Patienten der Gruppe III war es anhand der SD-OCT-Technik hier nicht mehr möglich, eine Einteilung in 5 Schichten durchzuführen. Es ist von großer Bedeutung, Patienten mit einer langsameren Krankheitsprogression oder noch nicht weit fortgeschrittenem Erkrankungsprozess zu identifizieren, da bei diesen die Wirksamkeit einer Therapie am vielversprechendsten ist. Das Ziel ist eine Anwendung der Therapie bevor die Zellen der Retina weitgehend zerstört sind. Die in dieser Arbeit erbrachten Analysen könnten für die zukünftige Gentherapie der Erkrankung nützlich sein, um geeignete Patienten für solche Therapieansätze zu identifizieren. The ABCA4 gene encodes the ABCA4 protein, a photoreceptor-specific adenosine triphosphate (ATP)-binding cassette transporter which transports the retinoid components from the disc lumen across the disc membrane to the cytoplasmic leaflet of the photoreceptors. This transport activity is reduced in ABCA4-mediated retinal dystrophies which lead to an excessive accumulation of A2E and thereby to the disfunction of RPE cells, a degeneration of photoreceptors and post-receptor cells. Biallelic mutations in the ABCA4 gene cause a wide spectrum of autosomal recessive retinal diseases. Stargardt disease is the most common macular dystrophy.The aim of this study was to characterize and systemize the morphology of the central retina in patients with mutations in the ABCA4 gene to develop a better understanding of the disease through the analysis of morphological data and functional tests. 25 patients with biallelic mutations of the ABCA4 gene were examined. The patients were categorized in three groups based on the distribution of fundusautofluorescence according to the classification of Fishman et al. These groups were compared with each other according to the morphology and function. The information included the medical history, SD-OCT images, fundusautofluorescence images, fundus photographs, visual acuity, Goldmann perimetry, fundus controlled perimetry (MP1), full-field ERG (ffERG), multifocal ERG (mfERG) and the Panel D15 color vision test.Volume scans of the central retina were acquired from all 25 patients from 2008 to 2014 by Spectral domain OCT (SD-OCT, Spectralis, Heidelberg Engineering, Heidelberg). The OCT volume scans were automatically segmented, manually corrected and then evaluated sector- and group-based using the DiOCTA software developed by Ehnes and colleagues (Ehnes et al. 2014). Lesion sizes of missing ISe layer were measured and compared with parameters such as visual acuity, patient age and disease duration.In previous studies morphological retinal changes were often examined based on single scans while the analyses of the present study were based on volume scans. This provided the possibility to create an area-based analysis of the retina.The analysis of the patients showed group-specific differences in the morphological and functional data. Group I consisted of patients with the least spread changes, group II consisted of patients with advanced damage, a short duration of disease and an early disease onset, group III consisted of patients with the most severe retinal damage.The lesions presented group-related differences. Patients in group III showed the largest lesions (>28mm²). When comparing the size of the lesion with the visual acuity, it could be shown that with lesion sizes of more than 5 mm² visual acuity was very poor (group-independent). Patients with a still good visual acuity presented either a "foveal sparing phenomenon or lesion of less than 5 mm². It could be observed that the patients of group II were younger and had a shorter duration of disease compared by the size of the lesion than the patients of group I. There was rather an increase in size of the lesion area over time. Regarding the group- and sectoral-dependent layer thicknesses of the individual layers of the retina (compared to healthy subjects) an elevated thickness of the NFL and GCL + IPL layers, a strong thinning of the layer group INL + OPL + ONL + ELM + IS, ISE + OS as well as of the entire retinal thickness and a normal thickness of the RPE could be demonstrated.Due to an advanced disease and thereby a strong reorganization of the retina of patients in Group III it was no longer possible to identify the five retinal layers via the SD-OCT technology.It is of great importance to identify patients with a slower disease progression or with not far advanced disease processes as they promise the greatest effectiveness of therapy. The objective is therefore to apply a therapy before most of the cells of the retina are destroyed.The analyses conducted in this study could be useful for future gene therapy of the disease in order to identify appropriate patients for such therapies. This study takes an early step towards this topic.