Scientific journal
Fundamental research
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,087

СOMPARATIVE STUDY OF THE BIOMECHANICAL EFFECT OF FEMTOCROSSLINKING IN PORCINE CORNEA

Pashtayev N.P. 1 Pozdeyeva N.A. 1 Zotov V.V. 1 Tihonov N.M. 1
1 The S. Fyodorov Eye Microsurgery Federal State Institution
Цель. Определение влияния локального транэпителиального кросслинкинга роговичного коллагена (КРК) в сравнении со стандартным КРК на биомеханические свойства роговицы в эксперименте. Методы. В работе использовали энуклеированные глаза взрослых свиней, взятые через 5–7 часов после забоя. Исследования выполнены на 25 глазах, которые были разделены на 5 групп по 5 глаз в каждой. Группа 1-я – контроль, 2-я – глаза после стандарного кросслинкинга, 3-я – после локального фемтокросслинкинга, 4-я – после фемтолазерного формирования интрастромального тоннеля без кросслинкинга, группа 5-я – глаза после фемтолазерного формирования интрастромального кармана без кросслинкинга. Результаты. Локальный транэпителиальный фемтокросслинкинг и стандартный КРК имеют одинаковый биомеханический эффект, что может свидетельствовать о равной эффективности методик. Фемтолазерное формирование интрастромального кармана не вызывает значимого ухудшения биомеханической стабильности всей роговицы.
Purpose. Determination of the biomechanical effect of local femtocrosslinking in comparison with the standard corneal collagen crosslinking (СXL). Methods. We used enucleated eyes of adult pigs taken 5–7 hours after slaughter. The studies were performed on 25 eyes, which were divided into 5 groups of 5 in each eye: group 1 comprised control, group 2 – after standard СXL, group 3 – after local femtocrosslinking, group 4 – after femtolaser formation intrastromal tunnel without СXL, group 5 – after femtolaser formation intrastromal pocket without СXL. Results. Local transepithelial femtocrosslinking and standard СXL have the same biomechanical effect, which indicates on equal effectiveness both techniques. Femtolaser formation intrastromal pocket does not cause significant deterioration of the biomechanical stability of the entire cornea.
cross-linking of corneal collagen
femtosecond laser
femtocrosslinking
tearing machine
1. Zotov V.V., Pashtaev N.P. Novyj metod krosslinkinga rogovichnogo kollagena v lechenii bol’nyh s keratokonusom. Otdalennye rezultaty // Sovremennye tehnologii kataraktalnoj i refrakcionnoj hirurgii. sb. nauch. st. M., 2011. рр. 299–302.
2. Lebed L.V., Pozdeeva N.A. Ocenka biomehanicheskoj sily posleoperacionnogo rubca posle femtosekundnoj skvoznoj keratoplastiki // Oftalmohirurgija. 2012. no. 4. рр. 18–21.
3. Chan C.C., Sharma M., Wachler B.S. Effect of inferior-segment Intacs with and without C3-R on keratoconus. J. Cataract Refract. Surg., 2007. Vol. 33. рр. 75–80.
4. Faschinger C., Kleinert R., Wedrich A. Corneal melting in both eyes after simultaneous corneal cross-linking in a patient with keratoconus and Down syndrome. Ophthalmologe. 2010. Vol. 107. рр. 951–952.
5. Hayes S., O’Brart D.P., Lamdin L.S., Doutch J., Samaras K., Marshall J., Meek K.M. Effect of complete epithelial debridement before riboflavin-ultraviolet-A corneal collagen crosslinking therapy. J. Cataract Refract. Surg., 2008. Vol. 34. рр. 657–661.
6. Koppen C., Vryghem J.C., Gobin L., Tassignon M.-J. Keratitis and corneal scarring after UVA/riboflavin cross-linking for keratoconus. J. Refract. Surg., 2009. Vol. 25. рр. 819–823.
7. Leccisotti A., Islam T. Transepithelial corneal collagen cross-linking in keratoconus. J. Refract. Surg., 2010. Vol. 26. рр. 942–948.
8. Samaras K., O’Brart D.P., Doutch J., Hayes S., Marshall J., Meek K.M. Effect of epithelial retention and removal on riboflavin absorption in porcine corneas. J. Refract. Surg., 2009. Vol. 25. рр. 771–775.
9. Vinciguerra R., Spoerl E., Romano M.R., Rosetta P., Vinciguerra P. Comparative stress strain measurements of human corneas after transepithelial UV-A induced cross-linking: impregnation with iontophoresis, different riboflavin solutions and irradiance power. Paper presented a The Association for Research in Vision and Ophthalmology Annual Meeting, 7th May, 2012; Fort Lauderdale, Florida.
10. Waring G.O. Iontophoretic delivery of riboflavin and future applications with corneal CXL with UV-A for keratoconus treatment. Paper presented at The American Society of Refractive Surgery Symposium And Congress, 24th April, 2012, Chicago.
11. Wollensak G., Spoerl E., Seiler T. Riboflavin/ultraviolet-a-induced collagen crosslinking for the treatment of keratoconus. Am. J. Ophthalmol., 2003. Vol. 135. рр. 620–627.
12. Wollensak G., Spoerl E., Seiler T. Stress-strain measurements of human and porcine corneas after riboflavin-ultraviolet-A-induced cross-linking // J. Cataract Refract. Surg., 2003. Vol. 29. рр. 1780–1785.
13. Wollensak G., Spoerl E., Reber F., Seiler T. Keratocyte cytotoxicity of riboflavin/UVA-treatment in vitro. Eye (Lond)., 2004. Vol. 18. рр. 718–722.
14. Wollensak G., Iomdina E. Biomechanical and histological changes after corneal crosslinking with and without epithelial debridement. J. Cataract Refract. Surg., 2009. Vol. 35. рр. 540–546.
15. Wollensak G., Hammer C.M., Spörl E., Klenke J., Skerl K., Zhang Y., Sel S. Biomechanical efficacy of collagen crosslinking in porcine cornea using a femtosecond laser pocket. Cornea, 2014. Vol. 33. рр. 300–305.

Кросслинкинг роговичного коллагена (КРК) как метод лечения кератоконуса и кератэктазий был предложен в 2003 году доктором Волензаком с соавт. [11–13]. Стандартная методика кросслинкинга предполагает удаление роговичного эпителия с помощью шпателя перед инстилляцией 0,1 %-го раствора рибофлавина (Wollensak G., Spoerl E., Seiler T., 2003). В течение 30-минутной процедуры периодически закапывают раствор рибофлавина из-за быстрого высыхания эрозированной поверхности роговицы. В связи с дефектом эпителия в раннем послеоперационном периоде пациенты отмечают жалобы на боль, раздраженный глаз. Кроме того, возможны осложнения в виде хейза, рецидивирующей эрозии, кератита, рубцов и перфорации роговицы [4, 6].

В связи с этим целесообразность полного удаления эпителия перед КРК является темой многих сегодняшних исследований [1, 3, 5, 7–10, 14]. Так как рибофлавин не может проникать через интактный эпителий в достаточном количестве, были предложены различные методы для улучшения насыщения роговичной стромы рибофлавином [5]. Такие методы предполагают использование до операции капель, содержащих консервант бензалкония хлорид для ослабления эпителиальных межклеточных связей, либо удаление лишь поверхностного слоя эпителия без полной деэпителизации. Однако исследования на животных показали уменьшение и неоднородность поглощения рибофлавина стромой роговицы при неполном удалении эпителия [5, 8]. Кроме того, в работах доктора Волензака было показано, что при применении методики с использованием консервантов достигается лишь одна пятая часть биомеханического эффекта [14].

Перспективной представляется техника локального транэпителиального КРК с использованием фемтолазера для лечения прогрессирующего кератоконуса, разработанная в Чебоксарском филиале ФГБУ «МНТК «Микрохирургия глаза» им. акад. С.Н. Федорова» [1]. Согласно данной методике раствор рибофлавина вводится в роговичный карман, сформированный фемтосекундным лазером, с последующим локальным УФ-облучением. В результате 2-летних клинических исследований было отмечено повышение остроты зрения, уменьшение сферического и цилиндрического компонентов рефракции, а также значений максимальной кератометрии. Проведенные нами экспериментальные работы помогают объяснить описанные выше результаты.

Целью нашего исследования стало определение влияния локального транэпителиального фемтокросслинкинга в сравнении со стандартным методом кросслинкинга роговичного коллагена на биомеханические свойства роговицы.

Материалы и методы исследования

В работе использовали изолированные глаза взрослых свиней, взятые через 5–7 часов после забоя. Исследования выполнены на 25 глазах, которые были разделены на 5 групп по 5 глаз в каждой. Группа 1-я – контроль, 2-я – глаза после стандарного кросслинкинга, 3-я – после локального фемтокросслинкинга, 4-я – после фемтолазерного формирования интрастромального тоннеля без кросслинкинга, группа 5-я – глаза после фемтолазерного формирования интрастромального кармана без кросслинкинга.

Группу контроля составляли глаза свиней с прозрачными, интактными роговицами. Стандартная процедура КРК на свиной роговице глаз 2-ой группы включала в себя удаление роговичного эпителия диаметром 9 мм с помощью шпателя, инстилляцию 0,1 %-го раствора рибофлавина в течение 15 минут, затем облучение ультрафиолетовым светом длиной волны 375–376 нм и плотностью мощности 3 мвт/см² в течение 30 минут. На глазах 3-й группы процедура локального фемтокросслинкинга начиналась с формирования интрастромального тоннеля с помощью фемтосекундного лазера IntraLase FS 60 кГц (Advanced Medical Optics). Для этого на заданной глубине 200 мкм формировали кольцевидный канал внутренним диаметром 5,0 мм и внешним 9,0 мм, после чего в радиальном направлении проводили входной разрез длиной 2 мм. Энергия импульса составила 1,5–1,8 мкДж. В сформированный таким образом тоннель вводили 0,1 %-й раствор рибофлавина до полного пропитывания стромы в области тоннеля. Затем проводили в проекции сформированного кольцевидного тоннеля локальное облучение ультрафиолетовым светом при стандартных параметрах в течение 30 минут (рис. 1). Глаза 4-й группы подвергались процедуре фемтолазерного формирования кольцевидного интрастромального тоннеля на глубине 200 мкм внутренним диаметром 5,0 мм и внешним 9,0 мм, но, в отличие от глаз 3-й группы, без последующего облучения ультрафиолетовым светом. На глазах 5-й группы выполняли процедуру фемтолазерного интрастромального формирования кармана диаметром 9,0 мм, на глубине 200 мкм, с углом вреза 45 градусов, углом петли 45 градусов без последующей процедуры КРК.

Для исследования биомеханических свойств роговицы изучали способность к растяжению образцов роговицы экспериментальных животных, подвергшихся процедуре КРК и фемтолазерного формирования интрастромального тоннеля и кармана. Выкраиваемые полоски ткани размером 12 на 20 мм захватывали весь диаметр роговицы и часть склеры для закрепления между лапками универсальной испытательной машины ZWICK/ROELL Z005 на расстоянии 10 мм (рис. 2, 3). Натяжение повышалось линейно со скоростью 50 мм/мин до напряжения в 5 MПa. Полученные результаты фиксировались программным управлением испытательной машины численно и графически. Данная разрывная машина была использована ранее для оценки биомеханической прочности послеоперационного рубца после фемтосекундной и традиционной сквозной кератопластик [2].

Результаты исследования и их обсуждение

При сравнении напряжения при растяжении образцов на 8 % установлено различие в деформационных кривых, показывающих зависимость напряжения, приложенного к испытываемому образцу, от удлинения этого образца (рис. 4). Так, напряжение при растяжении образцов на 8 % из группы подвергшихся локальному фемтокросслинкингу составило 4,09 ± 0,39 МПа, что практически соответствовало результатам группы стандартного КРК – 4,3 ± 0,42 МПа. Значения напряжения в группах фемтолазерного формирования интрастромального кармана (2,11 ± 0,27 МПа) и тоннеля (2,29 ± 0,18 МПа) были близки значениям напряжения группы контрольных, интактных образцов (2,4 ± 0,29 МПа). Таким образом, необходимо почти 2-кратное увеличение силы для растяжения образцов, подвергшихся процедуре локального фемтокросслинкинга и стандартного КРК. В то же время само по себе фемтолазерное формирование интрастромального кармана и тоннеля не вызвало значимого снижения биомеханической прочности роговицы, что в свою очередь также подтверждается результатами аналогичного исследования доктора Волензака с соавт. [15]. Учитывая этот факт, а также то, что технология фемтокросслинкинга снижает риск инфицирования и интенсивность роговичного синдрома в раннем послеоперационном периоде, методика может рассматриваться как альтернатива стандартному КРК.

Заключение

Проведенное нами исследование показало, что и локальный транэпителиальный КРК и стандартный КРК имеют одинаковый биомеханический эффект, что может свидетельствовать о равной эффективности методик. Фемтолазерное формирование интрастромального кармана не вызывает значимого ухудшения биомеханической стабильности всей роговицы.

zot1a.tif

zot1b.tif zot1c.tif

Рис. 1. Этапы процедуры локального фемтокросслинкинга: а) формирование интрастромального тоннеля с помощью фемтосекундного лазера IntraLase FS 60 кГц; б) интерфейс программы фемтосекундного лазера IntraLase FS 60 кГц в момент формирования интрастромального тоннеля; в) локальное облучение ультрафиолетовым светом

zot2.wmf

Рис. 2. Схема выкраивания корнеосклерального материала для проведения испытания, где: а – роговица; б – участки склеры, используемые для фиксации в разрывной машине

zot3a.tif zot3b.tif

Рис. 3. Универсальная испытательная машина ZWICK/ROELL: а) общий вид; б) процесс разрыва роговичного образца

zot4.tif

Рис. 4. График деформационных кривых, где 1 – группа контроля; 2 – группа стандарного кросслинкинга; 3 – группа локального фемтокросслинкинга; 4 – группа фемтолазерного формирования интрастромального тоннеля без кросслинкинга; 5 – группа фемтолазерного формирования интрастромального кармана без кросслинкинга

Рецензенты:

Самойлов А.Н., д.м.н., профессор, заведующий кафедрой офтальмологии, ГОУ ВПО «Казанский государственный медицинский университет», г. Казань;

Сметанкин И.Г., д.м.н., заведующий кафедрой глазных болезней, ГБОУ ВПО «НижГМА» Минздрава России, г. Нижний Новгород.