A study of structural properties of eyelid connective tissue in patients with primary open-angle glaucoma

PURPOSE: To study collagen structures of periorbital tissues of patients with primary open-angle glaucoma (POAG). METHODS: During the surgeries of 12 patients aged 55-87, 17 samples of various tissues were taken: 13 eyelid skin samples of 8 patients during blepharoplasty, 3 cartilage samples during eyelid eversion surgery, 1 sample of sclera during nonpenetrating deep sclerotomy. In total, 7 samples were obtained from patients with stages II and III of POAG and 10 samples from patients without glaucoma. We measured the endothermic temperature peak (Td) and enthalpy ΔHd) of denaturation process using differential scanning calorimetry (Phoenix DSC 204, «Netzsch», Germany) to estimate the crosslinking level of the examined tissues. RESULTS: ΔHd and Td medians of eyelid skin samples of patients aged 55-60 (median - 57 years) without POAG were equal to 7.03 J/g of dry weight and 66.600С, respectively. In contrast, patients of an older age group - 72-79 years (median - 75 years) revealed higher values of this parameter: 9.12 J/g of dry weight and 67.25°С. Moreover, the patients of the same age group (median - 74 years) with POAG showed even higher values of these parameters: 9.33 J/g of dry weight and 67.35°С, respectively. Thermomechanical parameters of eyelid cartilage of same age patients (71-78 years) were different in POAG/No POAG cases: 8.26 J/g of dry weight and 66.6°С, and 10.106 J/g of dry weight and 67,1°С respectively. A clinical case of a metabolic disorder of eyelid connective tissue and sclera is presented: a 72-year old patient K. with stage II POAG in OD and stage III POAG in OS and initial cataract of OU. ΔHd and Тd of OD eyelid skin (9.97 J/g of dry weight and 66.3°С) were lower than in OS (13.1 J/g of dry weight and 66.4°С). ΔHd and Тd of the OS sclera were 4.8 J/g of dry weight and 65.9°С. After glaucoma surgery in OS, excessive scarring along newly formed outflow paths was noted. CONCLUSION: A clear age-related rising trend of collagen crosslinking level and collagen content increase in eyelid tissues (skin and cartilage) was revealed. Respective parameters in POAG patients were higher than in patients of the same age group without glaucoma.

глаукома, коллаген, старение, поперечные сшивки, соединительная ткань, веки, кожа, рубцевание, фильтрационная подушка, glaucoma, collagen, aging, crosslinks, connective tissue, eyelids, skin, scarring, filtering bleb

1. Иомдина Е.Н., Игнатьева Н.Ю., Данилов Н.А., Арутюнян Л.Л., Киселева О.А., Назаренко Л.А. Биохимические и структурнобиомеханические особенности матрикса склеры человека при первичной открытоугольной глаукоме. Вестник офтальмологии 2011; 6: 10-14. [Iomdina E.N., Ignatieva N.Yu., Danilov N.A., Arutunyan L.L., Kiseleva O.A., Nazarenko L.A. Biochemical, structural and biomechanical features of human scleral matrix in primary open-angle glaucoma. Vestn Oftalmol 2011; 6: 10-14. (In Russ.)].

2. Страхов В.В., Алексеев В.В. Патогенез первичной глаукомы - все или ничего. Глаукома 2009; 2: 40-52. [Strakhov V.V., Alekseev V.V. The pathophysiology of a primary glaucoma - «all or nothing». Glaucoma 2009; 2: 40-52. (In Russ.)].

3. Светикова Л.А., Иомдина Е.Н., Киселева О.А. Биомеханические и биохимические особенности корнеосклеральной капсулы глаза при первичной открытоугольной глаукоме. Российский офтальмологический журнал 2013; 2: 105-110. [Svetikova L.A., Iomdina E.N., Kiseleva O.A. Biomechanical and biochemical parameters of the corneoscleral capsule of patients with primary open-angle glaucoma. Russian Ophthalmological J 2013; 2: 105-110. (In Russ.)].

4. Quigley H.A., Cone F.E. Development of diagnostic and treatment strategies for glaucoma through understanding and modification of scleral and lamina cribrosa connective tissue. Cell Tissue Res 2013; 353(2): 231-244. doi: 10.1007/s00441-013-1603-0.

5. Jones Н.Х, Girard M.J., White N., Fautsch M.P., Morgan J.E., Ethier C.R., Albon J. Quantitative analysis of three-dimensional fibrillar collagen microstructure within the normal, aged and glaucomatous human optic nerve head. J R Soc Interface 2015; 12(106). doi: 10.1098/rsif.2015.0066.

6. Tamm E.R., Braunger B.M., Fuchshofer R. Intraocular pressure and the mechanisms involved in resistance of the aqueous humor flow in the trabecular meshwork outflow pathways. Prog Mol Biol Transl Sci 2015; 134: 301-14. doi: 10.1016/bs.pmbts.2015.06.007.

7. Нестеров А.П. Глаукома. М.: Медицина, 1995; 256 с. [Nesterov A.P. Glaucoma [Glaucoma]. Moscow, Meditsina Publ., 1995: 256 p. (In Russ.)].

8. Затулина Н.И., Панормова Н.В., Сеннова Л.Г. Концепция патогенеза первичной открытоугольной глаукомы. В кн.: VII Съезд офтальмологов России. М., 2000; 1: 131. [Zatulina N. I., Panormova N.V., Sennova L.G. The conception of primary open-angle glaucoma. In: Proc. of VII All-Russian ophthalmological congress. Moscow; 2000; 1: 131. (In Russ.)].

9. Затулина Н.И. Сравнительное морфологическое изучение дренажной системы глаза при физиологическом старении и первичной глаукоме. В кн.: Морфологические основы клинической и экспериментальной офтальмологии. Москва; 1978: 17-18. [Zatulina N.I. Comparative study of the eye drainage system in physiological aging and in primary glaucoma. In: Morphological basis of clinical and experimental ophthalmology. Moscow; 1978: 17-18. (In Russ.)].

10. 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. [Svetlova O.V., Koshitz I.N. Aging of eye coats - possible cue chain in the pathogenesis of primary open angle glaucoma. In: Proc. of VII All-Russian ophthalmological congress. Moscow; 2000; 1: 131. (In Russ.)].

11. Кошиц И.Н., Светлова О.В., Котляр К.Е. и др. Биомеханический анализ традиционных и современных представлений о патогенезе первичной открытоугольной глаукомы. Глаукома 2005; 1: 41-62. [Koshitz I.N., Svetlova O.V., Kotliar K.E. et al. Biomechanical analysis of traditional and contemporary conceptions on pathogenesis of the primary open-angle glaucoma. Glaucoma 2005; 1: 41-62. (In Russ.)].

12. Симановский А.И. Сравнительный анализ изменения биомеханических свойств склеры в процессе естественного старения и при развитии глаукоматозной патологии. Глаукома 2005; 4: 13-19. [Simanovsky A.I. Comparative analysis of the changing of sclera biomechanical properties in the process of natural aging and in glaucoma development. Glaucoma 2005; 4: 13-19. (In Russ.)].

13. 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. [Iomdina E.N., Ignatieva N.Yu., Arutunyan L.L., et al. A study of collagen and elastin structures of the sclera in glaucoma using nonlinear optical (multiphoton) microscopy and histology, a preliminary report. Russian Ophthalmological J 2015; 8(1): 50-56. (In Russ.)].

14. Иомдина Е.Н., Арутюнян Л.Л., Игнатьева Н.Ю. Сравнительное изучение возрастных особенностей уровня поперечной связанности коллагена склеры пациентов с различными стадиями первичной открытоугольной глаукомы. Российский офтальмологический журнал 2016; 9(1): 20-28. [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 J 2016; 9(1): 20-28. (In Russ.)].

15. Fratzl P. Collagen. Structure and Mechanics. Potsdam, Springer, 2008: 506 p.

16. Данилов Н.А., Игнатьева Н.Ю., Иомдина Е.Н. и др. Исследование склеры глаукомных глаз с помощью физико-химического анализа. Биофизика 2011; 56(3): 520-526. [Danilov N.A., Ignatieva N. Yu., Iomdina E.N., et al. Sclera of the glaucomatous eye: physicochemical analysis. Biophysics 2011; 56(3): 520-526. (In Russ.)].

17. Welge-Lussen U., May C.A. Induction of tissue transglutaminase in the trabecular meshwork by TGF-betal and TGF-beta2. Invest Ophthalmol Vis Sci 2000; 41(8): 2229-2238.

18. 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): 205-216.

19. Ashworth Briggs E.L., Toh T., Eri R., Hewitt A.W., Cook A.L. TIMP1, TIMP2, and TIMP4 are increased in aqueous humor from primary open-angle glaucoma patients. Mol Vis 2015; 21: 1162-1172.

20. Avila G.G., Ginebra M., Hayakawa T. et al. Collagen metabolism in human aqueous humor from primary open-angle glaucoma. Arch Ophthalmol 1995; 113: 1319-1323.

21. Rönkkö S., Rekonen P., Kaarniranta K. et al. Matrix metalloproteinases and their inhibitors in the chamber angle of normal eyes and patients with primary open-angle glaucoma and exfoliation glaucoma. Graefe’s Arch Clin Exp Ophthalmol 2007; 245: 697-704.

22. Schlötzer-Schrehardt U., Lommatzsch J., Kuchle M., Konstas A.G., Naumann G.O. Matrix metalloproteinases and their inhibitors in aqueous humor of patients with pseudoexfoliation syndrome/ glaucoma and primary open-angle glaucoma. Invest Ophthalmol Vis Sci 2003; 44: 1117-1125.

23. 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: 205-211.

24. Kronick P., Maleef B., Carroll R. The location of collagens with differential thermostabilities in fibrils of bovine reticular dermis. Connect Tissue Res 1988; 18: 123-134. 18 4/2016 НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЖУРНАЛ ГЛАУКОМА

25. 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.

26. Игнатьева Н.Ю., Данилов Н.А., Лунин В.В. и др. Изменение термодинамических характеристик денатурации коллагена тканей глаз в результате неферментативной гликации. Вестник Московского университета. Химия 2007; 48(2): 75-79. [Ignatieva N.Yu., Danilov N.A., Lunin V.V. et al. The change of thermodynamic parameters of collagen denaturation of eye tissues due non-enzymatic glycation. Moscow University Chemistry Bulletin 2007; 48: 75-79. (In Russ.)].

27. Аветисов С.Э. Близорукость. М., Медицина; 2002; 744 с. [Avetisov S.E. Blizorukost [Myopia]. Moscow, Meditsina Publ., 2002: 744 p. (In Russ.)].

28. Иомдина Е.Н., Тарутта Е.П., Маркосян Г.А. и др. Биомеханические показатели корнеосклеральной оболочки глаза и состояние соединительнотканной системы у детей и подростков с различными формами прогрессирующей миопии. Российская педиатрическая офтальмология 2013; 1: 18-23. [Iomdina E.N., Tarutta E.P., Markosyan G.A. et al. Biomechanical characteristics of the corneoscleral tunic and the state of the connective tissue system in the children and adolescents presenting with various forms of progressive myopia. Russian Pediatric Ophthalmology 2013; 1: 18-23. (In Russ.)].

29. Иомдина Е.Н., Тарутта Е.П. Игнатьева Н.Ю. и др. Фундаментальные исследования биохимических и ультраструктурных механизмов патогенеза прогрессирующей миопии. Российский офтальмологический журнал 2008, 3: 7-12. [Iomdina E.N., Tarutta E.P., Ignatieva N.Yu. et al. Fundamental studies of biochemical and ultrastructural mechanisms of progressive myopia pathogenesis. Russian Ophthalmological J 2008; 3: 7-12. (In Russ.)].

30. Иомдина Е.Н., Арутюнян Л.Л., Игнатьева Н.Ю. Структурнобиомеханические свойства теноновой капсулы глаз пациентов с первичной открытоугольной глаукомой. Глаукома: теории, тенденции, технологии. В кн.: Сборник научных статей XIII международного конгресса. М., 2015; с. 101-103. [Iomdina E.N., Arutyunyan L.L., Ignatieva N.Yu. Structural and biomechanical properties of Tenon capsule of the in primary open-angle glaucoma. In: Proc. of the XIII international congress “Glaucoma: theory, tendencies, technologies”. Moscow; 2015: 101-103]. (In Russ.)].

31. Chiang S.J., Daimon M., Wang L.R, Hung M.J., Chang N.C., Lin Н.С. Association between mitral valve prolapse and open-angle glaucoma. Heart 2015; 101(8): 609-615. doi: 10.1136/heartjnl-2014-306198.