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Myopie-Grundlagenforschung am ZEISS Vision Science Lab

Fachbeitrag von Dr. Niklas Domdei und Prof. Siegfried Wahl

2. April 2025

Dr. Niklas Domdei Von 2009-2014 studierte Niklas Domdei an der RWTH Aachen Biologie (BSc; MSc), nachfolgend promovierte er von 2014-2021 an der Universität-Augenklinik Bonn im AOVisionLab unter der Leitung von Dr. Wolf Harmening zum Thema hochauflösende Netzhautbildgebung und aberrationsfreie Stimulation mittels adaptiver Optiken. Seit 2021 ist er als wissenschaftlicher Mitarbeiter im ZEISS Vision Science Lab (Leitung: Prof. Siegfried Wahl) tätig. Seine derzeitigen Projekte beinhalten Wellenfront-Manipulation und aberrationsfreie Stimulation sowie Virtual-Reality Simulationen.

Prof. Dr. Siegfried Wahl Siegfried Wahl leitet das ZEISS Vision Science Lab an der Universität Tübingen. Seine Forschung konzentriert sich auf das Verständnis und die Behandlung von Sehbeeinträchtigungen, insbesondere Presbyopie und Myopie. Ziel seiner Arbeit ist es, die Lebensqualität von Kindern bis hin zu älteren Menschen durch innovative Lösungen zu verbessern, die sich an die individuellen Sehbedürfnisse anpassen.

Das ZEISS Vision Science Lab (ZVSL) wurde 2013 im Rahmen der Exzellenzinitiative als „Industry on Campus“ Forschungsgruppe an der Universität Tübingen unter der Leitung von Prof. Siegfried Wahl gegründet. Das Ziel des Labors ist „enabling and enhancing natural vision“, also die Erforschung von Möglichkeiten, das natürliche Sehen zu verbessern beziehungsweise im Fall von Erkrankungen zu erhalten. Hierbei gliedern sich die Projekte des ZVSLs in fünf verschiedene Bereiche:

Physiologische und visuelle Optik,
visuelle Neurowissenschaften,
überlagerte bzw. virtuelle Realität,
visuelle Rehabilitation
sowie Entwicklung von vertrauenswürdiger künstlicher Intelligenz für Optometrie.

Neben der hier im folgenden vorgestellten Myopieforschung finden diese Bereiche auch Anwendung in der Presbyopieforschung. Zum jetzigen Zeitpunkt forschen insgesamt 28 Mitarbeitende sowohl der Universität Tübingen als auch von ZEISS am ZVSL. Seit Gründung des ZVSLs wurden hier von Studierenden aus über 20 Nationen knapp 50 Abschlussarbeiten angefertigt, davon 14 Dissertationen, 30 Masterarbeiten und 15 Bachelorarbeiten. Die Ergebnisse der jeweiligen Forschungsprojekte wurden in über 110 Publikationen veröffentlicht. Insgesamt ist im Laufe der Jahre ein beachtliches Forschungsnetzwerk um das ZVSL herum gewachsen - mit zahlreichen innerdeutschen, europäischen und auch internationalen Kooperationen (Abbildung 1).

Grafik einer Weltkarte mit den Standorten des Forschungsnetzwerks des ZEISS Vision Science Lab — Abbildung 1: Forschungsnetzwerk des ZEISS Vision Science Lab zum Februar 2025. In Schwarz ist jeweils die übergeordnete Institution, in Blau sind das Kooperationslabor und der Projektname dargestellt.

Dieses Netzwerk hat sich auch für die Myopie-Grundlagenforschung als wichtige Ressource herausgestellt: Zum Beispiel wurde schon frühzeitig (seit 2013!) eine Kooperation mit der Leipziger Augenklinik und darüber ein Kontakt mit der LIFE Child Studie in Leipzig etabliert. In der LIFE Child Studie sind nach aktuellem Stand knapp 6.000 Kinder im Alter von drei bis 19 Jahren eingeschlossen und werden einmal jährlich unter anderem optometrisch untersucht. Aus diesen Daten konnten zum Beispiel die Perzentilkurven für das Augenlängenwachstum von Kindern in Deutschland berechnet werden (Abbildung 2). Auf deren Basis kann ein Augenarzt nun für ein Kind mit einer gewissen Achslänge abschätzen, wie hoch das individuelle Risiko ist, myop zu werden in Abhängigkeit vom Alter und Geschlecht. Und damit verbunden auch, ob und auch welche Art von Myopie-Management eingeleitet werden sollte. Bei einem Vergleich dieser Daten mit einer Studienkohorte aus Wuhan (China)¹ fällt auf, dass schon im Alter von fünf Jahren die mittlere Achslänge chinesischer Kinder 0,39 mm bei Mädchen und 0,30 mm bei Jungen höher ist als die von gleichaltrigen Kindern in Deutschland.² Die Streubreite der auftretenden Achslängen ist bei den jüngsten Kindern noch sehr gering. Mit zunehmendem Alter und dem voranschreitenden Wachstum der Augenlängen steigt dann die Varianz der beobachtbaren Achslängen.

Abbildung 2: Perzentilkurven zum Augenlängenwachstum und der Myopie-Prävalenz bei entsprechender Achslänge in deutschen (durchgezogene Linie) und chinesischen Kindern. Daten: Truckenbrod et al.²

Besonders hervorzuheben ist die Beobachtung aus diesen und weiteren Datensätzen, dass das Augenlängenwachstum bei emmetropen Kindern weltweit einheitlich, also unabhängig der Ethnizität, verläuft (Abbildung 3). Das bedeutet, dass zur Bewertung der Wirksamkeit eines Myopie-Managements, wie zum Beispiel dem ZEISS MyoCare Brillenglas, weltweit dasselbe Ziel als Referenz verwendet werden könnte.

Abbildung 3: Emmetropisches Augenlängenwachstum bei Kindern unterschiedlicher Ethnizität und resultierendes Ziel zur Effizienzbewertung eines Myopie-Management Brillenglases. Daten: Ma et al.³; Naduvilath et al.⁴; Chamberlain et al.⁵; Truckenbrod et al.⁶; Kaymak et al.⁷

Zusammengefasst hatte das ZEISS Vision Science Lab somit einen wichtigen Beitrag daran, den Verlauf des emmetropischen vom myopischen Achslängenwachstum abzugrenzen. Mit Hilfe der oben gezeigten Perzentilkurven kann nun für Kinder sowohl in Deutschland als auch in China das jeweils zu erwartende Myopierisiko individuell abgeschätzt und ein Myopie-Management zur Verminderung der Progression eingeleitet werden. Darüber hinaus ist nun ein klar definiertes allgemeingültiges Ziel für jeglichen Myopie-Managementansatz bekannt.

Wissenschaftlicher Hintergrund zur Entstehung von Myopie

Das Hauptproblem ist jedoch weiterhin die Entwicklung von Therapieansätzen zur erfolgreichen Eindämmung des Achslängenwachstums. Der aktuelle Stand der Wissenschaft ist, dass die Emmetropisierung des Auges auf Basis eines Gleichgewichtes zwischen myopen und hyperopen Defokus erfolgt. Kippt dieses Gleichgewicht, versucht der oben erwähnte Kontrollmechanismus das Gleichgewicht wieder herzustellen. Zum Beispiel stimuliert ein hyperoper (hinter der Netzhaut liegender) Defokus das Längenwachstum des Auges. Bis heute unklar ist die Ursache, warum dieser Kontrollmechanismus zur Steuerung der Emmetropisierung des Auges bei Myopie nicht mehr funktioniert und das benötigte Stopp-Signal ausbleibt. In Tierversuchen konnte gezeigt werden, dass dieser Kontrollmechanismus maßgeblich vom Defokus des Bildes auf der Netzhaut abhängt. Von den Photorezeptoren und der Netzhaut wird dann über das retinale Pigmentepithel und die Aderhaut eine Signalkaskade in Gang gesetzt, die letztendlich zur Umstrukturierung der Lederhaut und damit dem Längenwachstum des Augapfels führt.⁸ Neben dem relativ langsamen (Monate) und irreversiblen Augenlängenwachstum gibt es zwei weitere Mechanismen, über die das Auge die Schärfe des Netzhautbildes regulieren kann.⁹ Zum einen die kurzfristig (Millisekunden) wirkende Akkommodation, die die Brechkraft der Linse an die jeweilige Gegenstandsweite anpasst. Zum anderen die mittelfristig (Minuten) wirksam werdende Regulation der Aderhautdicke. Diese Regulation der Aderhautdicke ist aktuell auch der vorrangige Parameter zur Evaluierung des Erfolgs möglicher Therapieansätze zur Minimierung der Myopieprogression. Hierbei wird eine Anschwellung der Aderhaut so ausgelegt, dass das visuelle System den vorgelagerten Fokuspunkt registriert und auf diesem Wege die Netzhaut nach vorne zurück in die Fokusebene schiebt begleitet von einem Stopp-Signal für das Längenwachstum.

Die erste der drei Hypothesen zur Entstehung von Myopie besagt, dass eventuell ein Hinterherhinken der Akkommodation dafür sorgt, dass die Fokusebene ständig hinter der Netzhaut liegt und damit das Stopp-Signal ausbleibt.¹⁰

Die zweite Hypothese besagt, dass eine Mutation des Zapfenpigmentes dafür sorgt, dass das Kontrastsignal unnormal hoch ist und somit die korrekte Fokusebene nicht detektiert werden kann.¹¹ Brillengläser, die diesem Ansatz folgen sind Kontrast-reduzierende Diffusionsgläser wie zum Beispiel die „diffusion optics technology [DOT]“.

Abbildung 4: Schematische Darstellung des ZEISS MyoCare Brillenglasdesign basierend auf der gleichzeitigen konkurrierenden Defokussierungstheorie.

Die dritte Hypothese basiert auf der Beobachtung, dass insbesondere die periphere Netzhaut für die Steuerung des Augenlängenwachstums entscheidend ist.¹²

Wenn das Auge bereits zu lang gewachsen ist, als Folge von Hypothese 1, liegt selbst im auskorrigierten kurzsichtigen Auge dann in der Peripherie die Fokusebene hinter der Netzhaut. Noch relativ neu ist die Erkenntnis, dass wenn im Auge widersprüchliche Signale zwischen der Fovea und der Peripherie anliegen, der periphere Seheindruck dann die Entwicklung des Auges dominiert. Das hat zur Folge, dass der periphäre hyperope Defokus dann ein weiteres Augenlängenwachstum ausgelöst. Umgekehrt könnte ein periphärer myoper Defokus dann das Wachstum stoppen. Dieser Theorie folgend, könnte also ein Brillenglas, dass in der Peripherie eine stärkere lichtbrechende Wirkung hat als im Zentrum, bereits ein mögliches Myopie-Management Glas darstellen. Aktuelle wissenschaftliche Untersuchungen deuten zusätzlich darauf hin, dass eine gleichzeitige konkurrierende Defokussierung in der Peripherie ein noch stärkeres Wachstumsstoppsignal erzeugt als eine kontinuierliche beziehungsweise homogene Defokussierung. Genau diesem Ansatz folgen die ZEISS Brillengläser für Myopie-Management mit C.A.R.E.® („Cylindrical Annular Refractive Elements“) Technologie, indem sie durch spezielle optische Elemente die periphere Netzhaut gleichzeitig konkurrierenden Fokusebenen aussetzen, um so die Wahrscheinlichkeit, dass das Auge kurzsichtig wird, zu verringern (Abbildung 4). Ähnlich wirken auch die Gläser von Essilor mit „high aspherical lenslets [HAL]“ oder Hoya mit „defocus incorporated multiple segments [DIMS]“.

Damit kommt der peripheren Netzhaut also eine zentrale Rolle in der Myopieentwicklung zu. Allerdings ist diese bislang nur schwer zugänglich für etwaige Messmethoden bei der Effizienzevaluierung von möglichen Therapieansätzen. Aus diesem Grund befassen sich im Rahmen des EU-weiten MyoTreat Programms zwei aktuelle Projekte am ZVSL mit der Optimierung der peripheren Messmethoden.

Optische Charakterisierung von Myopie-Managementgläsern am ZEISS Vision Science Lab

Mit dem Ziel, Brillengläser für das Myopie-Management optisch zu charakterisieren und gezielt weiter zu entwickeln, wurde hierzu am ZVSL ein spezielles System gebaut (siehe Abbildung 5).¹⁴

Grafik zeigt, das am ZVSL entwickelte System zur optischen Charakterisierung von Myopie-Management Brillengläsern. — Abbildung 5: Das am ZVSL entwickelte System zur optischen Charakterisierung von Myopie-Management Brillengläsern. Quelle: Verändert nach Arias et al.¹⁴

Bei diesem System kann über einen Schwenkarm die Lichtquelle in einen beliebigen Winkel ausgelenkt werden, um insbesondere die optischen Eigenschaften des Glases in der Peripherie zu untersuchen. Anschließend wird die Wellenfront des Lichtstrahls durch einen „spatial light modulator [SLM]“ manipuliert, um die Abbildungsfehler des Systems zu eliminieren und gleichzeitig die des menschlichen Auges zu simulieren. Da der SLM nur kleinere Defokuswerte umsetzen kann, wird ein größerer Defokuswert des Testglases mit Hilfe einer elektronisch veränderbaren Linse („electrically tunable liquid lens [ETLL]“) kompensiert. Als letztes Element dieses Aufbaus wird durch eine Kamera die Punktübertragungsfunktion („point spread function [PSF]“) des Brillenglases an der jeweiligen Position zur weiteren Analyse aufgezeichnet.

Grafik zeigt Vergleich der Punktübertragungsfunktion [PSF] von Standardgläsern [SV] und Myopie-Managementgläsern mit „defocus incorporated multiple segments [DIMS]“ beziehungsweise „diffusion optics technology [DOT]“ — Abbildung 6: Vergleich der Punktübertragungsfunktion [PSF] von Standardgläsern [SV] und Myopie-Managementgläsern mit „defocus incorporated multiple segments [DIMS]“ beziehungsweise „diffusion optics technology [DOT]“. Quelle: Verändert nach Arias et al.¹⁴

Dieses System wurde in einer ersten Studie dazu eingesetzt, die optischen Eigenschaften der oben erwähnten DIMS und DOT Brillengläser zu untersuchen und mit Standardgläsern zu vergleichen. Hierbei zeigte sich, dass die Mikrolinsen des DIMS Brillenglases sogenannte „Lichtstifte“ in der Peripherie hervorrufen (Abbildung 6). Das Licht wird also über verschiedene Defokusebenen hinweg an bestimmten Orten fokussiert. Diese erhöhte räumliche Konzentration der Lichtenergie entlang des myopischen Defokus wird auch deutlich in der Aufsicht der PSF. Dahingegen zerstreut das DOT Brillenglas das Licht entlang des Defokus deutlich stärker als das Standardglas. Interessant ist, dass in der PSF-Aufsicht die periodische Anordnung der Mikrodiffuser vom DOT Brillenglas erkennbar wird und die PSF somit vier markante Beugungsspitzen um das zentrale Maximum herum aufweist.

Unter photopischer Beleuchtung oder in Gegenwart von Blendquellen verringerte das DOT Brillenglas den Kontrast deutlich stärker als das Standard- oder DIMS Brillenglas. Zusätzlich wurden die Abbildungseigenschaften auch unter skotopischer und mesopischer Beleuchtung (in Abwesenheit von Blendquellen) getestet. In diesen Testbedingungen wurde eine stärkere Kontrastreduktion durch das DIMS Brillenglas beobachtet im Vergleich zum DOT Brillenglas. Dagegen wurden defokussierte Bilder wiederum durch das DIMS Brillenglas schärfer abgebildet als durch die anderen beiden Gläser. Ein wichtiger Hinweis in diesem Zusammenhang ist, dass Kinder nur knapp die Hälfte der Zeit unter photopischen Bedingungen verbringen. Daher würde das DOT-Brillenglas den Kontrast nur die Hälfte der Zeit reduzieren, während das DIMS Brillenglas unabhängig der Lichtbedingung wirkt.

Klinische Studienergebnisse zu ZEISS MyoCare

Die Wirksamkeit der ZEISS MyoCare und MyoCare S Brillengläser wurde durch klinische Studien mit über 1.700 Kindern nachgewiesen. Hierbei wurde in randomisiert kontrollierten Versuchen („Randomized controlled trials [RCT]”) die Wirksamkeit einer Intervention oder Behandlung gemessen. Die Randomisierung ist hierbei besonders wichtig, um Verzerrungen zu reduzieren, indem die (beobachteten und unbeobachteten) Merkmale der Teilnehmenden zwischen den Gruppen ausgeglichen werden. Nur so können alle Unterschiede im Ergebnis auf die Studienintervention zurückgeführt werden. Um einen transparenten Forschungsprozess zu gewährleisten und Publikationsverzerrungen (Veröffentlichung nur eines Teils der durchgeführten Forschung) zu vermeiden, ist es ebenfalls wichtig, dass alle Studien registriert werden. Somit können diejenigen, die klinische Entscheidungen treffen, diese auf der Grundlage aller Nachweise treffen. Ein Nachteil der randomisierten Studien ist jedoch, dass diese die realen Umweltbedingungen nicht gut repräsentieren (z.B. Altersspanne, tatsächlich auftretende Refraktionsfehler, Progressionskriterien usw.). Dies kann dann durch sogenannte Beobachtungs- und Real-Welt Studien abgedeckt werden, welche auch aktuell für MyoCare laufen.

		mRCT China		mRCT Europa
	PPRSL (ohne stellest)	MyoCare	MyoCare S	MyoCare
Δ Spherical Equivalent	0,28 D*	0,31 D	0,29 D	0,21 D
Δ Axial Length	0,14 mm	0,13 mm	0,11 mm	0,14 mm

Tabelle 1:
Ergebnisse für das ZEISS MyoCare Brillenglases nach 12 Monaten aus den Randomisierten klinischen Studien in China und Europa im Vergleich zu anderen Brillengläsern mit erhöhter periphärer Brechkraft („peripheral plus spectacle lenses [PPSL]“). Daten: Lawrenson et al.¹⁷; Chen et al.¹⁵; Alvarez-Peregrina et al.¹⁶

Neben diesem Vergleich mit PPSL, ist auch der Vergleich mit Ortho-K Kontaktlinsen interessant. In der Literatur findet sich ein mittleres Augenlängenwachstum von 0,19 mm nach dem ersten Jahr mit Ortho-K Kontaktlinsen.¹⁸,¹⁹ Ähnliche Werte wurden für PPSL wie Stellest (0,19 mm) und Miyosmart (0.20 mm) berichtet (siehe Abbildung 7). Für die ZEISS MyoCare Brillengläser wurde in den klinischen Studien ein mittleres Längenwachstum von 0,19 mm im ersten Jahr festgestellt (beziehungsweise 0,21 mm für MyoCare S Brillengläser). Demnach liegt die klinische Wirksamkeit der ZEISS Brillengläser für Myopie-Management auf Augenhöhe mit anderen Lösungen.

¹
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²
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³
Ma, Y. et al. Cohort study with 4-year follow-up of myopia and refractive parameters in primary schoolchildren in Baoshan District, Shanghai. Clin. Experiment. Ophthalmol. 46, 861–872 (2018).
⁴
Naduvilath, T., He, X., Xu, X. & Sankaridurg, P. Normative data for axial elongation in Asian children. Ophthalmic Physiol. Opt. 43, 1160–1168 (2023).
⁵
Chamberlain, P., Lazon de la Jara, P., Arumugam, B. & Bullimore, M. A. Axial length targets for myopia control. Ophthalmic Physiol. Opt. 41, 523–531 (2021).
⁶
Truckenbrod, C. et al. Reference curves for refraction in a German cohort of healthy children and adolescents. PLoS One 15, e0230291 (2020).
⁷
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⁸
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¹³
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¹⁴
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¹⁵
Chen, X. et al. Slowing myopia progression with cylindrical annular refractive elements (CARE) spectacle lenses-Year 1 results from a 2-year prospective, multi-centre trial. Acta Ophthalmol. (2024) doi:10.1111/aos.16795.
¹⁶
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¹⁷
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¹⁸
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¹⁹
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