The impact of topical prostaglandin analogs on the biomechanical properties of the cornea in patients with open angle glaucoma

Justification: Le glaucome entraîne une perte progressive de la vision causée par la détérioration du nerf optique. Le glaucome est répandu dans le monde et cause la cécité dans environ sept millions de personnes. Le glaucome touche plus de 400 000 Canadiens et sa prévalence augmente avec le vieillissement de la population.1,2 Il s'agit d'une maladie chronique surnoise dont les symptômes se manifestent uniquement lors des stades avancés et qui peuvent mener à la cécité. Présentement, le seul moyen possible d’arrêter la progression du glaucome au stade initial est de diminuer la pression intra-oculaire (PIO). Les analogues de prostaglandines (APG) topiques sont fréquemment utilisées comme traitement de première ligne. Cependant, la recherche démontre que cette classe de médicaments peut changer certaines propriétés de la cornée, et possiblement influencer la mesure de la PIO.3 Objectif: À déterminer si l'utilisation d'APG affecte les propriétés biomécaniques de la cornée. La conclusion sera basée sur l'analyse intégrée des résultats obtenus de l'analyseur Reichert oculaire Réponse (ORA), la tonométrie par applanation de Goldmann (TAG) et la pachymétrie ultrasonographique. Le deuxième objectif potentiel de cette étude est de déterminer la corrélation, le cas échéant, entre les propriétés biomécaniques de la cornée, l'épaisseur de la cornée centrale (ECC) et la PIO chez les patients subissant un traitement d’APG topique. L'hypothèse principale de cette étude est que l’APG influence les propriétés de la cornée telles que l'épaisseur centrale, l'élasticité et la résistance. Patients et méthodes : Soixante-dix yeux de 35 patients, âgés de 50-85 ans, atteints de glaucome à angle ouvert (GAO) et traités avec APG topique ont été examinés. Seulement les sujets avec une réfraction manifeste entre -6,00 D et +4,25 D ont été inclus. Les critères d'exclusion sont: patients avec n'importe quelle autre maladie de la cornée de l’œil, telles que la dystrophie endothéliale de Fuch’s et kératocône, ou tout antécédent de traumatisme ou d'une chirurgie de la cornée, ainsi que le port de lentilles de contact. Nous avons demandé aux patients atteints du glaucome qui ont des paramètres stables et qui utilisent l’APG dans les deux yeux de cesser l’APG dans l'œil moins affecté par la PIO, et de continuer l’utilisation d’APG dans l'œil contralatéral. Le meilleur œil est défini comme celui avec moins de dommage sur le champ visuel (CV) (déviation moyenne (DM), le moins négatif) ou une PIO maximale historique plus basse si la DM est égale ou encore celui avec plus de dommage sur la tomographie par cohérence optique (TCO, Cirrus, CA) ou la tomographie confocale par balayage laser (HRT, Heidelberg, Allemagne). Toutes les mesures ont été prises avant la cessation d’APG et répétées 6 semaines après l’arrêt. Les patients ont ensuite recommencé l’utilisation d’APG et toutes les mesures ont été répétées encore une fois après une période supplémentaire de 6 semaines. Après commencer ou de changer le traitement du glaucome, le patient doit être vu environ 4-6 semaines plus tard pour évaluer l'efficacité de la goutte.4 Pour cette raison, on été décidé d'utiliser 6 semaines d'intervalle. Toutes les mesures ont été effectuées à l’institut du glaucome de Montréal par le même technicien, avec le même équipement et à la même heure de la journée. L'œil contralatéral a servi comme œil contrôle pour les analyses statistiques. La tonométrie par applanation de Goldmann a été utilisée pour mesurer la PIO, la pachymétrie ultrasonographique pour mesurer l'ECC, et l’ORA pour mesurer les propriétés biomécaniques de la cornée, incluant l'hystérèse cornéenne (HC). L’hypothèse de l'absence d'effet de l'arrêt de l’APG sur les propriétés biomécaniques a été examiné par un modèle linéaire à effets mixtes en utilisant le logiciel statistique R. Les effets aléatoires ont été définies à deux niveaux: le patient (niveau 1) et l'œil de chaque patient (niveau 2). Les effets aléatoires ont été ajoutés au modèle pour tenir compte de la variance intra-individuelle. L’âge a également été inclus dans le modèle comme variable. Les contrastes entre les yeux et les temps ont été estimés en utilisant les valeurs p ajustées pour contrôler les taux d'erreur internes de la famille en utilisant multcomp paquet dans R. Résultats: Une augmentation statistiquement significative due l 'HC a été trouvée entre les visites 1 (sur APG) et 2 (aucun APG) dans les yeux de l'étude, avec une moyenne (±erreur standard) des valeurs de 8,98 ± 0,29 mmHg et 10,35 ± 0,29 mmHg, respectivement, correspondant à une augmentation moyenne de 1,37 ± 0,18 mmHg (p <0,001). Une réduction significative de 1,25 ± 0,18 mmHg (p <0,001) a été observée entre les visites 2 et 3, avec une valeur moyenne HC finale de 9,09 ± 0,29 mmHg. En outre, une différence statistiquement significative entre l’oeil d’étude et le contrôle n'a été observée que lors de la visite 2 (1,01 ± 0,23 mmHg, p <0,001) et non lors des visites 1 et 3. Une augmentation statistiquement significative du facteur de résistance conréen (FRC) a été trouvée entre les visites 1 et 2 dans les yeux de l'étude, avec des valeurs moyennes de 10,23 ± 0,34 mmHg et 11,71 ± 0,34 mmHg, respectivement. Le FRC a ensuite été réduit de 1,90 ± 0,21 mmHg (p <0,001) entre les visites 2 et 3, avec une valeur moyenne FRC finale de 9,81 ± 0,34 mmHg. Une différence statistiquement significative entre l’oeil d’étude et le contrôle n'a été observée que lors de la visite 2 (1,46 ± 0,23 mmHg, p <0,001). Une augmentation statistiquement significative de l'ECC a été trouvée entre les visites 1 et 2 dans les yeux de l'étude, avec des valeurs moyennes de 541,83 ± 7,27 µm et 551,91 ± 7,27 µm, respectivement, ce qui correspond à une augmentation moyenne de 10,09 ± 0,94 µm (p <0,001). L'ECC a ensuite diminué de 9,40 ± 0,94 µm (p <0,001) entre les visites 2 et 3, avec une valeur moyenne finale de 542,51 ± 7,27 µm. Une différence entre l’étude et le contrôle des yeux n'a été enregistré que lors de la visite 2 (11,26 ± 1,79 µm, p <0,001). De même, on a observé une augmentation significative de la PIO entre les visites 1 et 2 dans les yeux de l'étude, avec des valeurs moyennes de 15,37 ± 0,54 mmHg et 18,37 ± 0,54 mmHg, respectivement, ce qui correspond à une augmentation moyenne de 3,0 ± 0,49 mmHg (p <0,001). Une réduction significative de 2,83 ± 0,49 mmHg (p <0,001) a été observée entre les visites 2 et 3, avec une valeur moyenne de la PIO finale de 15,54 ± 0,54 mmHg. L’oeil de contrôle et d’étude ne différaient que lors de la visite 2 (1,91 ± 0,49 mmHg, p <0,001), ce qui confirme l'efficacité du traitement de l’APG. Lors de la visite 1, le biais de la PIO (PIOcc - PIO Goldmann) était similaire dans les deux groupes avec des valeurs moyennes de 4,1 ± 0,54 mmHg dans les yeux de contrôles et de 4,8 ± 0,54 mmHg dans les yeux d’études. Lors de la visite 2, après un lavage de 6 semaines d’APG, le biais de la PIO dans l'œil testé a été réduit à 1,6 ± 0,54 mmHg (p <0,001), ce qui signifie que la sous-estimation de la PIO par TAG était significativement moins dans la visite 2 que de la visite 1. La différence en biais PIO moyenne entre l'étude et le contrôle des yeux lors de la visite 2, en revanche, n'a pas atteint la signification statistique (p = 0,124). On a observé une augmentation peu significative de 1,53 ± 0,60 mmHg (p = 0,055) entre les visites 2 et 3 dans les yeux de l'étude, avec une valeur de polarisation finale de la PIO moyenne de 3,10 ± 0,54 mmHg dans les yeux d'études et de 2,8 ± 0,54 mmHg dans les yeux de contrôles. Nous avons ensuite cherché à déterminer si une faible HC a été associée à un stade de glaucome plus avancé chez nos patients atteints du glaucome à angle ouvert traités avec l’APG. Lorsque l'on considère tous les yeux sur l’APG au moment de la première visite, aucune association n'a été trouvée entre les dommages sur le CV et l'HC. Cependant, si l'on considère seulement les yeux avec un glaucome plus avancé, une corrélation positive significative a été observée entre la DM et l'HC (B = 0,65, p = 0,003). Une HC inférieure a été associé à une valeur de DM de champ visuelle plus négative et donc plus de dommages liés au glaucome. Conclusions : Les prostaglandines topiques affectent les propriétés biomécaniques de la cornée. Ils réduisent l'hystérèse cornéenne, le facteur de résistance cornéen et l'épaisseur centrale de la cornée. On doit tenir compte de ces changements lors de l'évaluation des effets d’APG sur la PIO. Plus de recherche devrait être menées pour confirmer nos résultats. De plus, d’autres études pourraient être réalisées en utilisant des médicaments qui diminuent la PIO sans influencer les propriétés biomécaniques de la cornée ou à l'aide de tonomètre dynamique de Pascal ou similaire qui ne dépend pas des propriétés biomécaniques de la cornée. En ce qui concerne l'interaction entre les dommages de glaucome et l'hystérésis de la cornée, nous pouvons conclure qu' une HC inférieure a été associé à une valeur de DM de CV plus négative. Mots Clés glaucome - analogues de prostaglandines - hystérèse cornéenne – l’épaisseur de la cornée centrale - la pression intraoculaire - propriétés biomécaniques de la cornée.

Mécanismes moléculaires régulant la pathologie dendritique dans la rétine adulte lésée in vivo

Les dendrites sont essentielles pour la réception et l’intégration des stimuli afférents dans les neurones. De plus en plus d’évidences d’une détérioration dendritique sont associées à une axonopathie dans les maladies neurodégénératives. Le glaucome dont la physiopathologie est caractérisée par une détérioration progressive et irréversible des cellules ganglionnaires de la rétine (CGRs) est la première cause de cécité irréversible dans le monde. Son évolution est associée à un amincissement graduel des axones et à l’atrophie des somas des CGRs. La majorité des études de neuroprotection des neuropathies rétiniennes visent la survie et la protection des somas et des axones. Des études récentes ont démontré des changements dendritiques associés à cette pathologie, toutefois les mécanismes moléculaires les régulant sont méconnus. L’hypothèse principale de ma thèse stipule qu’une lésion axonale entraîne des altérations précoces des structures dendritiques. L’identification de voies de signalisation régulant ces changements permettrait d’élaborer des stratégies de neuroprotection et de rétablir la fonction de ces neurones. Dans la première étude, nous avons examiné l’effet précoce d’une lésion axonale aigüe sur la morphologie dendritique des CGRs in vivo. En utilisant des souris transgéniques exprimant la protéine fluorescente jaune (YFP) soumises à une axotomie, nous avons démontré un rétrécissement de l’arbre dendritique des CGRs et une diminution sélective de l’activité de mTOR avant le début de la mort des CGRs lésées. Aussi nous avons démontré une augmentation de l’expression de la protéine Regulated in development and DNA damage response 2 (REDD2), un régulateur négatif en amont de la protéine mTOR en réponse à la lésion du nerf optique in vivo. Nous avons démontré que la réactivation de mTOR par l’inhibition de l’expression de REDD2 préserve les arbres dendritiques des CGRs adultes. En effet, l’injection de petits ARN d’interférence contre la REDD2 (siREDD2) stimule l’activité de mTOR dans les CGRs lésées et augmente significativement la longueur et la surface dendritique totale. De plus, la rapamycine, un inhibiteur de mTOR, inhibe complètement l’effet du siREDD2 sur la croissance et l’élaboration des dendrites. L’analyse électrophysiologique des CGRs démontre une augmentation de l’excitabilité des CGRs lésées qui est restaurée en présence du siREDD2. Par ailleurs, des données récentes ont mis en évidence l’implication de la neuro-inflammation dans le glaucome, caractérisée par une augmentation de cytokines pro-inflammatoires dont principalement le facteur de nécrose tumorale (TNFα). Ainsi dans la deuxième étude nous avons examiné l’effet du TNF exogène sur la morphologie de l’arbre dendritique des CGRs et commencé l’étude des mécanismes moléculaires sous-jacents à ces changements. Nos résultats démontrent que l’injection de TNF recombinante dans le vitrée induit une rétraction dendritique précoce qui corrèle à une réduction de phospho-S6 suggérant l’implication de mTOR dans ces CGRs lésées. Ainsi, les études présentées dans cette thèse mettent en évidence un nouveau rôle de mTOR dans la stabilité et le maintien des dendrites de neurones rétiniennes adultes. Ces études ont aussi démontré l’effet précoce de stress direct ou indirect, c’est-à-dire l’axotomie et le TNFα respectivement sur la pathologie dendritique et sur leur effet sur la fonction neuronale.

Design, Fabrication and Characterization of Passive and Active Polymer Photonic Devices

The rapid developments in fields such as fibre optic communication engineering and integrated optical electronics have expanded the interest and have increased the expectations about guided wave optics, in which optical waveguides and optical fibres play a central role. The technology of guided wave photonics now plays a role in generating information (guided-wave sensors) and processing information (spectral analysis, analog-to-digital conversion and other optical communication schemes) in addition to its original application of transmitting information (fibre optic communication). Passive and active polymer devices have generated much research interest recently because of the versatility of the fabrication techniques and the potential applications in two important areas – short distant communication network and special functionality optical devices such as amplifiers, switches and sensors. Polymer optical waveguides and fibres are often designed to have large cores with 10-1000 micrometer diameter to facilitate easy connection and splicing. Large diameter polymer optical fibres being less fragile and vastly easier to work with than glass fibres, are attractive in sensing applications. Sensors using commercial plastic optical fibres are based on ideas already used in silica glass sensors, but exploiting the flexible and cost effective nature of the plastic optical fibre for harsh environments and throw-away sensors. In the field of Photonics, considerable attention is centering on the use of polymer waveguides and fibres, as they have a great potential to create all-optical devices. By attaching organic dyes to the polymer system we can incorporate a variety of optical functions. Organic dye doped polymer waveguides and fibres are potential candidates for solid state gain media. High power and high gain optical amplification in organic dye-doped polymer waveguide amplifier is possible due to extremely large emission cross sections of dyes. Also, an extensive choice of organic dye dopants is possible resulting in amplification covering a wide range in the visible region.

Development of Photorefractive Polymers: Synthesis and Characterization of Polymers with Donor-Pi-Acceptor Groups

Department of Polymer Science and Rubber Technology, Cochin University of Science and Technology

Elastic constant measurements of super ionic LiKSO4:Na single crystals

Elastic properties of sodium doped Lithium potassium sulphate, LiK0.9Na0.1SO4, crystal has been studied by ultrasonic Pulse Echo Overlap [PEO] technique and are reported for the first time. The controversy regarding the type of crystal found while growth is performed at 35 °C with equimolar fraction of Li2SO4H2O, K2SO4 and Na2SO4 has been resolved by studying the elastic properties. The importance of this crystal is that it exhibits pyroelectric, ferroelectric and electro optic properties. It is simultaneously ferroelastic and superionic. The elastic properties of LiK0.9Na0.1SO4 crystal are well studied by measuring ultrasonic velocity in the crystal in certain specified crystallographic directions and evaluating the elastic stiffness constants, compliance constants and Poisson’s ratios. The anisotropy in the elastic properties of the crystal are well explained by the pictorial representation of the surface plots of phase velocity, slowness and linear compressibility in a-b and a-c planes.

Material Characterisation and Electro-Optical Studies of a Ferroelectric Liquid Crystal

Department of Electronics, Cochin University of Science and Technology

Laser Induced Photothermal Investigations on Thermal and Transport Properties of Certain Selected Photonic Materials

Discovery of coherent optical sources four decades ago has revolutionized all fields of scientific development. One of the path breaking applications of lasers is the emergence of various thermo optic techniques to unravel some of the mysteries of light matter interactions.Thermo optic technique is a valuable tool to evaluate optical and thermal properties of materials in solid,liquid and gaseous states .This technique can also be employed effectively in nondestructive quality evaluation. In this doctoral thesis , the use of photothermal techniques based on photoacoustic and photothermal deflection phenomena for the study of certain class of photonics materials such as semiconductors, nano metal dispersed ceramics, composites of conducting polymers and liquid crystals is elaborated.

Fabrication and characterisation of polymer optical fibers for smart sensing and optical amplification

The thesis presented the fabrication and characterisation of polymer optical fibers in their applications as optical amplifier and smart sensors.Optical polymers such as PMMA are found to be a very good host material due to their ability to incorporate very high concentration of optical gain media like fluorescent dyes and rare earth compounds. High power and high gain optical amplification in organic dye-doped polymer optical fibers is possible due to extremely large emission cross sections of oyes. Dye doped (Rhodamine 6G) optical fibers were fabricated by using indigenously developed polymer optical fiber drawing tower. Loss characterization of drawn dye doped fibers was carried out using side illumination technique. The advantage of the above technique is that it is a nondestructive method and can also be used for studying the uniformity in fiber diameter and doping. Sensitivity of the undoped polymer fibers to temperature and microbending were also studied in its application in smart sensors.Optical amplification studies using the dye doped polymer optical fibers were carried out and found that an amplification of l8dB could be achieved using a very short fiber of length lOcm. Studies were carried out in fibers with different dye concentrations and diameter and it was observed that gain stability was achieved at relatively high dye concentrations irrespective of the fiber diameter.Due to their large diameter, large numerical aperture, flexibility and geometrical versatility of polymer optical fibers it has a wide range of applications in the field of optical sensing. Just as in the case of conventional silica based fiber optic sensors, sensing techniques like evanescent wave, grating and other intensity modulation schemes can also be efficiently utilized in the case of POF based sensors. Since polymer optical fibers have very low Young's modulus when compared to glass fibers, it can be utilized for sensing mechanical stress and strain efficiently in comparison with its counterpart. Fiber optic sensors have proved themselves as efficient and reliable devices to sense various parameters like aging, crack formation, weathering in civil structures. A similar type of study was carried out to find the setting characteristics of cement paste used for constructing civil structures. It was found that the measurements made by using fiber optic sensors are far more superior than that carried out by conventional methods. More over,POF based sensors were found to have more sensitivity as well.

Characterization of Photonic Materials Using Thermal Lens Technique

The subject of Photonics is concerned with the generation,control and utilization of photons for performing a variety of tasks.It came to existence as a consequence of the harmonious fusion of optical methods with electronic technology.Wide spread use of laser based methods in electronics is slowly replacing elecrtons with photons in the field of Communication,Control and Computing .Therefore,there is a need to promote the R & D activities in the area of Photonics and to generate well trained manpower in laser related fields.Development and characterization of photonic materials is an important subject of research in the field of Photonics.Optical and thermal characterization of photonic materials using thermal lens technique is a PhD thesis in the field of Photonics in which the author describes how thermal lens effect can be used to characterize themal and optical properties of photonic materials.Plausibility of thermal lens based logic gates is also presented in this thesis.

An optical fibre based evanescent wave sensor to monitor the deposition rate of thin films

A novel fibre optic sensor for the in situ measurement of the rate of deposition of thin films has been developed. Evanescent wave in the uncladded portion of a multimode fibre is utilised for this sensor development. In the present paper we demonstrate how this sensor is useful for the monitoring of the deposition rate of polypyrrole thin films, deposited by an AC plasma polymerisation method. This technique is simple, accurate and highly sensitive compared with existing techniques.

Chemical sensing with microbent optical fiber

We propose and demonstrate the possibility of using a permanently microbent bare optical fiber for detecting chemical species. Two detection schemes, viz., a bright-field detection scheme (for the core modes), and a dark-field detection scheme (for the cladding modes) have been employed to produce a fiber-optic sensor. The sensor described here is sensitive enough to detect concentrations as low as nanomoles per liter of a chemical species, with a dynamic range of more than 6 orders of magnitude.

Optical limiting and thermal lensing studies in C60

Optical limiting and thermo-optic properties of C60 in toluene are studied using 532 nm, 9 ns pulses from a frequency-doubled Nd:YAG laser. Optical limiting studies in these fullerene molecules lead to the conclusion that reverse saturable absorption is the major mechanism for limiting properties in these molecules. Thermal lensing measurements are also performed in fullerene solutions. The quadratic dependence of thermal lens signal on incident energy confirms that enhanced optical absorption by the sample via excited triplet state absorption may play a leading role in the limiting property.

Microbent optical fibers as evanescent wave sensors

Microbent optical fibers are potential candidates for evanescent wave sensing. We investigate the behavior of a permanently microbent fiber optic sensor when it is immersed in an absorbing medium. Two distinct detection schemes, namely, bright-field and dark-field detection configuration, are employed for the measurements. The optical power propagating through the sensor is found to vary in a logarithmic fashion with the concentration of the absorbing species in the surrounding medium. We observe that the sensitivity of the setup is dependent on the bending amplitude and length of the microbend region for the bright-field detection scheme, while it is relatively independent of both for the dark-field detection configuration. This feature can be exploited in compact sensor designs where reduction of the sensing region length is possible without sacrificing sensitivity.

Growth, optical characterization, and laser operation of a stoichiometric crystal KYb(WO4)(2)

We present our recent achievements in the growing and optical characterization of KYb(WO4)2 (hereafter KYbW) crystals and demonstrate laser operation in this stoichiometric material. Single crystals of KYbW with optimal crystalline quality have been grown by the top-seeded-solution growth slow-cooling method. The optical anisotropy of this monoclinic crystal has been characterized, locating the tensor of the optical indicatrix and measuring the dispersion of the principal values of the refractive indices as well as the thermo-optic coefficients. Sellmeier equations have been constructed valid in the visible and near-IR spectral range. Raman scattering has been used to determine the phonon energies of KYbW and a simple physical model is applied for classification of the lattice vibration modes. Spectroscopic studies (absorption and emission measurements at room and low temperature) have been carried out in the spectral region near 1 µm characteristic for the ytterbium transition. Energy positions of the Stark sublevels of the ground and the excited state manifolds have been determined and the vibronic substructure has been identified. The intrinsic lifetime of the upper laser level has been measured taking care to suppress the effect of reabsorption and the intrinsic quantum efficiency has been estimated. Lasing has been demonstrated near 1074 nm with 41% slope efficiency at room temperature using a 0.5 mm thin plate of KYbW. This laser material holds great promise for diode pumped high-power lasers, thin disk and waveguide designs as well as for ultrashort (ps/fs) pulse laser systems.

Development of optical fiber sensors for selected chemical and physical sensing applications

The objective of the preset work is to develop optical fiber sensors for various physical and chemical parameters. As a part of this we initially investigated trace analysis of silica, ammonia, iron and phosphate in water. For this purpose the author has implemented a dual wavelength probing scheme which has many advantages over conventional evanescent wave sensors. Dual wavelength probing makes the design more reliable and repeatable and this design makes the sensor employable for concentration, chemical content, adulteration level, monitoring and control in industries or any such needy environments. Use of low cost components makes the system cost effective and simple. The Dual wavelength probing scheme is employed for the trace analysis of silica, iron, phosphate, and ammonia in water. Such sensors can be employed for the steam and water quality analysers in power plants. Few samples from a power plant are collected and checked the performance of developed system for practical applications.