Влияние гидратации и биомеханических свойств роговицы на результаты фоторефракционной кератэктомии в эксперименте

Роговица — наиболее гидратированная ткань организма человека, она содержит 78—80% воды (3,5 мг/мг сухой массы ткани) из-за наличия в межклеточном матриксе значительного количества гликозаминогликанов, которые удерживают воду [1—3]. Учитывая важнейшую роль воды в функционировании живых систем, в том числе и органа зрения, очевидно, что нарушение водного баланса роговицы может привести к развитию различных патологических состояний. Так, избыточное накопление воды в роговице (отек) приводит к изменению ее преломляющей способности и к потере прозрачности, что становится причиной значительного снижения остроты зрения. В то же время дегидратация роговицы также приводит к изменению ее формы и преломляющей способности, а при длительной потере воды в роговице развивается дистрофический процесс, вызывающий необратимые нарушения зрительных функций [4].

Изменение содержания воды в роговице может быть следствием как различных заболеваний (воспалительных процессов в роговице, травм, кератэктазий и др.), так и лечебных воздействий: хирургических (кераторефракционных вмешательств при аномалиях рефракции, кросслинкинга при кератоконусе), терапевтических (длительные инстилляции гипотензивных препаратов) или оптических (контактная коррекция зрения) [5—7].

С другой стороны, нарушение водного баланса роговицы может быть не только следствием, но и причиной развития различных патологических состояний, в том числе высоких аномалий рефракции, кератоконуса и прочих кератэктазий, синдрома сухого глаза и других заболеваний переднего отдела глаза [4].

В связи с этим информация о содержании воды в роговице необходима как для понимания патогенеза этих заболеваний, так и для их диагностики, в том числе ранней, уточнения эффективной и безопасной тактики местной медикаментозной терапии, в частности слезозаместительной и гипотензивной, а также алгоритма использования различных видов контактной коррекции зрения. Кроме того, контроль содержания воды в роговице может быть важен для определения показаний, противопоказаний и выбора адекватного режима кераторефракционных вмешательств.

В частности, при кераторефракционной эксимерлазерной хирургии пациентам среднего возраста (35—50 лет) с миопией обычно планируется гипокоррекция в пределах 0,5—1,5 дптр для возможности чтения вблизи без дополнительной очковой коррекции пресбиопии. Анализ многолетней практики применения этого подхода показал, что не всегда удается достичь совпадения запланированного гипоэффекта с фактически полученным рефракционным результатом [8]. Одной из причин такого несовпадения может быть снижение с возрастом содержания воды в строме роговицы [9, 10], которое носит индивидуальный характер. В то же время есть данные, свидетельствующие о том, что коэффициент преломления роговицы зависит от степени ее гидратации [11]. Кроме того, содержание воды в строме может оказывать существенное влияние на уровень поглощения лазерного излучения при абляции и тем самым изменять рефракционный эффект [12]. Таким образом, для получения заданной гипокоррекции, по-видимому, важно знать исходную степень гидратации роговицы пациента. Это означает, что контроль содержания воды в роговице может быть важен для определения показаний, противопоказаний и выбора адекватного режима эксимерлазерных кераторефракционных вмешательств.

В настоящее время об отеке роговицы или ее дистрофии, предположительно связанной с пониженной гидратацией, можно лишь косвенно судить на основании измерения толщины роговицы (топографическая ультразвуковая или оптическая пахиметрия) или определения формы ее наружной поверхности (компьютерная видеокератотопография и картирование роговицы, Шаймпфлюг-визуализация и др.) [13]. Кроме того, возможно, биомеханические показатели роговицы также в определенной степени отражают ее гидратацию, хотя фактические данные, подтверждающие это предположение, единичны и касаются изолированной роговицы: показано, что при снижении содержания воды в роговице свиного глаза увеличивается ее модуль упругости (in plane — тангенциальный и out-of-plane — радиальный) и снижается проницаемость [14, 15]. В этом отношении было бы целесообразно сопоставить клинические результаты определения биомеханических показателей роговицы с помощью анализатора биомеханических свойств глаза Ocular Response Analyzer (ORA, Reichert Inc., США) с оценкой гидратации роговицы в условиях живого глаза.

Вероятно, биомеханические показатели можно использовать в клинической практике в качестве дополнительного критерия гидратации роговицы в сочетании с результатами определения толщины или формы роговицы. Однако необходимо отметить, что изменение всех этих показателей может быть вызвано не только нарушением корнеальной гидратации, но и другими факторами. Кроме того, косвенные бесконтактные (оптические) методы не эффективны при наличии помутнений роговицы.

В целом можно заключить, что существующие в настоящее время косвенные методы недостаточно точны и информативны в отношении оценки содержания воды в ткани роговицы. В то же время прямого бесконтактного метода определения гидратации роговицы в арсенале офтальмолога-клинициста в настоящий момент нет.

Использование для создания такого метода электромагнитного излучения терагерцового (ТГц; 0,1—10 ТГц) и субтерагерцового (<0,1 ТГц) диапазонов кажется весьма перспективным, так как в данном частотном диапазоне вода обладает большим поглощением и диэлектрической проницаемостью, определяющей высокое значение коэффициента отражения, поскольку в диапазоне частот 10—300 ГГц мнимая часть комплексного показателя преломления воды принимает максимальные значения [16, 17]. В связи с этим даже небольшое изменение количества воды в роговице должно оказывать существенное влияние на показатели пропускания и отражения этой ткани субтерагерцового диапазона электромагнитного излучения.

Недавно вышедший обзор, посвященный разработке и внедрению в клиническую практику ТГц-методов неинвазивного контроля гидратации роговицы для выявления заболеваний глаз на ранних стадиях, свидетельствует о возрастающем интересе международного научного сообщества к данной технологии [13].

В наших предыдущих исследованиях впервые в офтальмологии были созданы экспериментальные установки для in vitro и in vivo оценки гидратации роговицы и склеры, в том числе для определения частотной зависимости коэффициента пропускания этих соединительнотканных оболочек глаза в субтерагерцовом диапазоне, а также зависимости коэффициента отражения этих тканей от процентного содержания в них воды. Установлено, что уменьшение содержания воды в роговице на 1% приводит к уверенно регистрируемому уменьшению отраженного сигнала на 13%. Проведены также измерения спектра отражения целого энуклеированного глаза кролика в диапазоне 0,13—0,32 ТГц. Выявлены различия в исследуемых показателях между роговицей и склерой кролика, а также между склерой кролика и человека. Разработан лабораторный макет установки для контроля состояния водного баланса роговицы и склеры с помощью ТГц-сканирования in vivo [18—20]. Эта лабораторная установка и полученные с ее помощью параметры гидратации были верифицированы на экспериментальной модели ультрафиолетового (В-диапазона) повреждения роговицы, влияющего на содержание в ней воды [21, 22]. Сопоставление данных, полученных при ТГц-сканировании роговицы (коэффициента отражения в ТГц-диапазоне) с показателями слезопродукции, результатами оптической когерентной томографии, конфокальной микроскопии и исследования с помощью оптического анализатора — Шаймпфлюг-камеры Galilei G2 — на всех сроках наблюдения позволило сделать вывод о работоспособности новой технологии оценки гидратации роговицы и целесообразности дальнейших исследований для ее внедрения в клиническую практику.

Учитывая полученные результаты, подтверждающие информативность ТГц-сканирования роговицы для определения ее гидратации, в качестве следующего этапа развития данной технологии была поставлена новая задача — оценить ее диагностическую значимость для повышения эффективности кераторефракционной эксимерлазерной хирургии.

Цель исследования — изучить влияние гидратации, определенной при помощи ТГц-сканирования, и биомеханических показателей роговицы на результаты фоторефракционной кератэктомии (ФРК) в эксперименте.

Исследование выполнено на 8 глазах кроликов породы шиншилла, которым была проведена ФРК с использованием эксимерного лазера Nidek EC-5000 QUEST (длина волны 193 нм, длительность импульса 10—25 нс, частота импульсов 40 Гц, энергия излучения 110 мДж) по стандартному протоколу с дозировкой sph -5,0 D. До вмешательства, а также через 3—5 сут, 1, 2, 3 и 4 мес после него проводилось определение слезопродукции (тест Ширмера) и времени разрыва слезной пленки (проба Норна), а также выполнялось комплексное обследование глаз, включающее авторефрактометрию, определение анатомо-оптических параметров переднего отдела глаза с помощью оптического анализатора, оснащенного Шаймпфлюг-камерой (Galilei G6, Ziemer Ophthalmic Systems AG 6.0.2, Швейцария), а также исследование биомеханических параметров роговицы с помощью ORA (Reichert, США).

Определение коэффициента отражения (КО) роговицей электромагнитного излучения ТГц-диапазона проводили при позиционировании источника непрерывного излучения с частотой 0,095 ТГц и детектора на расстоянии соответственно 1 и 13 см от глаза кролика. Использовались следующие параметры сканирования: величина ТГц-сигнала, отраженного от металлической пластины, расположенной на расстоянии 40 см от детектора, — 19—26 мВ; величина тока смещения лавинно-пролетного диода — 60 мА.

Статистическая обработка данных включала сравнение двух зависимых групп (до и после ФРК) с определением средних значений, среднего отклонения (M±SD), средней квадратичной ошибки (m), а также t-критерия Стьюдента. Различия считались значимыми при p<0,05. Кроме того, для оценки силы и направления корреляционной связи между двумя показателями использовали определение коэффициента ранговой корреляции Спирмена (R).

Применение ТГц-сканирования позволило оценить исходное содержание воды в роговице кроликов, а также ее уровень в различные сроки после ФРК.

Анализ полученных данных показывает, что проведенное эксимерлазерное кераторефракционное вмешательство изменяет гидратацию роговицы. Через 3—5 сут после ФРК содержание воды в роговице (КО) составило 64,0±7,9% от исходного уровня (отличие значимо, p<0,05), через 1 мес — 83,6±12,7%, а через 3—4 мес — уже 97,8±6,8%.

Как показывают полученные данные, в раннем периоде (до 1 нед) после ФРК отмечается значительное снижение содержания воды в роговице, однако затем происходит постепенное восстановление ее гидратации, и через 3—4 мес после вмешательства этот показатель, как правило, практически возвращается к исходному уровню.

На фоне компенсаторной послеоперационной регидратации роговицы отмечается отрицательная динамика слезопродукции, влияющей на толщину слезной пленки на поверхности роговицы и тем самым на КО. Тест Ширмера демонстрирует (как и КО) существенное снижение показателя слезопродукции в ранние сроки после ФРК — до 10,8±0,7 мм по сравнению с исходным уровнем (13,9±1,2 мм), но в отличие от КО этот показатель остается на достоверно сниженном уровне и ко 2—4-му месяцу наблюдения (10,8±1,6 мм; p<0,05).

Аналогичное снижение слезопродукции (развитие синдрома сухого глаза) после кераторефракционной хирургии отмечается и в клинической практике [23, 24].

Влияние исходной гидратации роговицы на рефракционный эффект можно оценить, проанализировав изменение толщины роговицы после эксимерлазерной абляции, т.е. сопоставив толщину удаленного слоя (глубину абляции) во всех опытных глазах с индивидуальным исходным уровнем содержания воды (значением КО) в роговице.

Учитывая исходную и постоперационную неравномерность распределения толщины роговицы кролика по разным ее зонам [25], в качестве наиболее корректного показателя мы выбрали изменение толщины наиболее тонкого участка (по данным Шеймпфлюг-анализатора).

Сопоставление индивидуальных исходных значений КО с толщиной удаленного слоя роговицы (глубиной абляции) и содержанием оставшейся после кератоабляции воды в роговице показало, что исходное содержание воды оказывает значительное влияние на толщину удаленного слоя, т.е. на эффект ФРК, коэффициент корреляции составил R_s= –0,976 (p<0,01; табл. 1). Выявленная сильная отрицательная корреляционная связь свидетельствует о том, что при более низком содержании воды в роговице (более низком значении КО) толщина роговицы после ФРК уменьшается значительнее, чем при более высоком содержании воды. Другими словами, чем больше в исходной ткани роговицы содержится воды (по-видимому, свободной), тем меньший объем ткани удаляется в результате абляции. Это, очевидно, объясняется тем, что вода частично поглощает лазерное излучение, снижая интенсивность его воздействия на ткань роговицы [12].

Таблица 1. Корреляция исходной гидратации (КО в ТГц-диапазоне) и биомеханических показателей роговицы с глубиной абляции (снижением толщины наиболее тонкого участка роговицы после ФРК)

Примечание. КГ — корнеальный гистерезис, ФРР — фактор резистентности роговицы.

Анализ дооперационных биомеханических показателей роговицы (КГ и ФРР) показал наличие умеренной положительной корреляционной связи КГ с глубиной абляции (R=0,643), в то время как корреляция ФРР с глубиной абляции (R= –0,089) практически отсутствует (см. табл. 1). Различный характер связи данных параметров с кераторефракционным эффектом операции, возможно, частично объясняется их разной зависимостью от содержания воды в роговице. Так, коэффициент корреляции исходных значений КГ и КО роговицы составляет –0,619 (умеренно выраженная отрицательная связь), а коэффициент корреляции ФРР и КО имеет очень низкое значение (–0,054 — отсутствие связи; рис. 1, а, б).

Рис. 1. Зависимость между исходной гидратацией роговицы (КО) и биомеханическими показателями (КГ и ФРР).

а — коэффициент корреляции КО и ФРР R= –0,054 (отсутствие связи); б — коэффициент корреляции КО и КГ R= –0,619 (умеренная отрицательная связь).

В послеоперационном периоде отмечается изменение не только гидратации, но и биомеханических показателей роговицы (табл. 2, рис. 2).

Таблица 2. Динамика гидратации роговицы и биомеханических показателей после ФРК, M±m

Примечание. * — отличие от исходного уровня значимо, p<0,05.

Рис. 2. Динамика биомеханических показателей (а) и уровня гидратации роговицы — КО в ТГц-диапазоне (б) после ФРК.

Значения КГ и ФРР, как и КО, демонстрировали снижение в раннем послеоперационном периоде (в 1,6; 1,5 и 1,4 раза соответственно) с увеличением к концу срока наблюдения. Однако в отличие от КО, который через 3 мес после операции практически восстановился, ФРР остался сниженным в 1,2 раза, а КГ — в 1,5 раза (см. рис. 2).

Выявленное нами достоверное снижение КГ и ФРР после эксимерлазерной кераторефракционной хирургии совпадает с данными российских и зарубежных клинических исследований, в которых отмечен сниженный уровень этих показателей как в ближайшие, так и в отдаленные (2 года) сроки после вмешательства [26, 27].

Такая динамика изучаемых показателей свидетельствует о том, что КГ и ФРР не отражают в полной мере уровень гидратации роговицы в послеоперационном периоде и могут служить лишь дополнительными косвенными критериями для ее оценки. Анализ корреляционных связей между КО и биомеханическими показателями в послеоперационном периоде подтверждает этот вывод: коэффициент корреляции КГ с КО составляет R=0,426 (умеренная положительная связь), а корреляция ФРР с КО практически отсутствует (R= –0,119; рис. 3).

Рис. 3. Зависимость между гидратацией роговицы (КО) и биомеханическими показателями (КГ и ФРР) в различные сроки после ФРК.

а — коэффициент корреляции КО и ФРР R= –0,119 (отсутствие связи); б — коэффициент корреляции КО и КГ R=0,426, p<0,05 (умеренная положительная связь).

Полученные данные свидетельствуют о том, что исходное содержание воды в роговице оказывает значительное влияние на толщину удаленного слоя (глубину абляции), т.е. на эффект ФРК, коэффициент корреляции составляет R_s= –0,976 (p<0,01). Это, очевидно, объясняется тем, что часть энергии лазерного излучения поглощается водой и расходуется на ее испарение, что снижает интенсивность воздействия на строму роговицы. В связи с этим принципиальной причиной несовпадения запланированного при кераторефракционной эксимерлазерной хирургии гипоэффекта с фактически полученным рефракционным результатом может быть индивидуально выраженное снижение содержания воды в роговице у пациентов с пресбиопией, вызванное возрастными изменениями ее соединительнотканных структур. Биомеханические показатели роговицы зависят от ее гидратации. Выявлена умеренная отрицательная корреляция между исходной гидратацией роговицы кролика и исходным значением КГ (R= –0,619). Хотя изменения биомеханических показателей роговицы, в первую очередь КГ, после эксимерлазерной абляции качественно совпадают с динамикой гидратации, однако значения КГ не позволяют в полной мере судить об уровне гидратации роговицы, поскольку зависят не только от этого показателя, но и от совокупности других факторов: толщины роговицы, ее биохимического состава и структурной организации. В целом можно заключить, что ТГц-сканирование является эффективной бесконтактной технологией контроля гидратации роговицы, применение которой в клинической практике офтальмолога в перспективе может быть полезно при диагностике и контроле течения многих офтальмопатологий, в том числе позволит более точно планировать гипокоррекцию (выбирать адекватный режим лазерной абляции) для получения запланированного рефракционного эффекта у пациентов среднего возраста с миопией.

Участие авторов:

Концепция и дизайн исследования: В.Н., Е.И., А.Х., Н.Х., Г.Г.

Сбор и обработка материала: Е.И., М.С., А.И., К.Т., Г.Г., С.С.

Статистическая обработка: Е.И., М.С., С.С., К.Т.

Написание текста: Е.И., М.С., А.Х., Н.Х.

Редактирование: В.Н., Е.И.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

The authors declare no conflicts of interest.