Осмогенные причины обратимых изменений светорассеивающей способности и рефракции гидрофильной интраокулярной линзы в раннем послеоперационном периоде

Возможность нарушений прозрачности гидрофильных интраокулярных линз (ИОЛ) впервые описана в 1987 г. [1], однако точные механизмы процессов, лежащих в основе этого феномена, до сих пор остаются недостаточно изученными. Поиск физико-химических основ подобных явлений остается актуальным с практической точки зрения [2, 3] в плане потенциальной разработки способов устранения помутнений ИОЛ либо получения доказательств обратимости такого рода изменений.

Что касается проблемы вторичных помутнений ИОЛ, то здесь определены ключевые факторы, от которых, безусловно, зависит вероятность альтерации линзы. При этом господствует мнение о непосредственной «виновности» материала ИОЛ в формировании определенных биохимических условий, роль которых до конца не ясна. Очевидно, что скорость, характер и обратимость изменений оптических свойств ИОЛ определяются сочетанием таких параметров, как состав полимера, структура линзы, а также постимплантационными процессами в передней камере глаза. Вполне возможно, что в ряде случаев пусковым моментом могут служить условия, в которых ИОЛ находилась до момента имплантации. Возможность оптической альтерации материала ИОЛ продемонстрирована в различные сроки [4], в том числе спустя годы после имплантации. При этом нельзя исключать, что некоторые значимые изменения оптических свойств носят относительно кратковременный и обратимый характер.

В последнее время наибольшее распространение в клинической практике получили гидрофильные акриловые линзы — в первую очередь благодаря более простой технологии производства и отсутствию известных оптических недостатков гидрофобных линз (в частности, эффекта дисфотопсии) [5]. Акриловые гидрофильные ИОЛ, так же как линзы из полиметилметакрилата (ПММА) и силикона, могут быть подвержены изменениям в виде обратимых и необратимых помутнений оптического элемента. Подобного рода изменения в веществе ИОЛ относительно часто возникают в раннем послеоперационном периоде, а иногда и интраоперационно, и бывают обратимыми. Последний факт указывает на то, что существующие на определенный момент «срезовые» оптические свойства линзы могут быть смодулированы непосредственно переносом ее из одной среды в другую с кратковременным шоковым воздействием на полимер ИОЛ и последующей химической релаксацией системы «линза — среда».

Возникновение обратимых ситуаций с изменением прозрачности ИОЛ и рефракции в раннем постоперационном периоде подтверждается в нескольких наблюдениях [6, 7]. Однако преходящая природа таких нарушений не способствовала формированию к ним серьезного отношения исследователей, предполагающего фундаментальный анализ описанных явлений. В доступной литературе имеются лишь единичные публикации, авторы которых предлагают в качестве объяснения различные причины: асферичность роговицы, связанную с формированием тоннельного разреза; изменения в макулярной зоне (синдром Ирвина—Гасса — кистозный отек макулы); фиброзирование капсулярного мешка [8, 9].

Исходя из изложенного представляется перспективным изучение тех механизмов изменения оптических свойств ИОЛ, которые связаны с осмотическими колебаниями вследствие нахождения линз в различных средах.

Цель исследования — оценка потенциальных изменений оптической силы и светорассеивающей способности вещества ИОЛ в результате быстрого изменения осмолярности окружающей среды.

Для проведения тестов использовали гидрофильные акриловые ИОЛ (ООО «НанОптика», Россия) модели «Аквамарин» ACQ 11.03KIT, имеющие номинальный рефракционный индекс — коэффициент преломления 1,457. Линзы ранее не были имплантированы, находились в заводской упаковке без повреждений с соблюдением рекомендованных производителем условий транспортировки и хранения.

Из компонентов класса ч.д.а. («чистый для анализа») приготовили три вида солевых растворов с различной осмолярностью, но одинаковым качественным составом, в частности гипотонический «Гипо» (140 мОсм/л), нормотонический «Норм» (280 мОсм/л) и гипертонический «Гипер» (560 мОсм/л). На рефрактометре ИРФ-454Б (АО «Казанский оптико-механический завод», Россия) измерили n указанных видов растворов, составившие 1,3350, 1,3365 и 1,3400 соответственно. Общая характеристика их представлена в таблице.

Характеристика растворов, использованных в модельных экспериментах

Примечание: n — коэффициент преломления.

Конкретные задачи исследования были связаны с выбором экспериментальных моделей и разработкой методов оценки различных оптических эффектов (изменение рефракции и интенсивности светорассеяния), которые могли возникнуть при колебаниях осмолярности среды, непосредственно контактирующей с ИОЛ.

Проведение эксперимента предполагало использование следующих моделей, отличающихся характером и длительностью экспозиции («воздействия») на ИОЛ и уровнем осмолярности окружающей среды (рис. 1):

Рис. 1. Схема эксперимента.

Изменения коэффициента преломления вещества линзы при быстром перемещении из нормотонического раствора в гипоосмолярные условия и обратно (а), из нормотонического раствора в гиперосмолярные условия и обратно (б). Изменения светорассеяния после имплантации при имитации хранения интраокулярной линзы в гипотонических (в) и гипертонических (г) условиях.

1) перемещение линзы из нормотонического раствора в гипертонический на 2 ч и обратно (рис. 1, а);

2) перемещение ИОЛ из нормотонического раствора в гипотонический на 2 ч и обратно (рис. 1, б);

3) экспозиция линзы в гипертоническом растворе (имитация частичной эвапорации транспортировочного раствора) в течение 3 сут с последующим перемещением в нормотонический раствор (имитация момента имплантации);

4) экспозиция ИОЛ в гипотоническом растворе в течение 3 сут (имитация частичного вымораживания слаборастворимых гидратов) с последующим перемещением в нормотонический раствор (имитация момента имплантации).

В первых двух случаях анализировали изменения оптической силы, в двух других — интенсивность светорассеяния линзы.

Устройство специально изготовленного фотометра дает возможность механически сформировать на ИОЛ плоскопараллельные поверхности, с тем чтобы собственная геометрия линзы не создавала рефракционного эффекта в среде с переменным n. Жестко фиксированная оптическая составляющая позволяет пропускать через заданные временны́е интервалы сквозь уплощенную зону образца ИОЛ цилиндрический пучок тестового излучения с длиной волны 635 нм (мощность 0,1 мВт), дополнительно ограниченный диафрагмой. Гидравлическая часть прибора обеспечивает быструю замену среды, омывающей линзу в кювете, а матричный детектор предоставляет возможность наблюдения и оценки пространственного распределения плотности излучения, прошедшего через образец.

Принципиальная схема экспериментальной установки представлена на рис. 2. В качестве источника излучения использовали полупроводниковый лазер (LASER FLASH, Китай) с коллиматором, работающий на длине волны 635 нм (1). Делительная пластина (2) разделяла луч лазера на основной (рабочий, тестовый) и опорный. Основной луч направляли на кювету с образцом (3), а опорный использовали для контроля качества (неизменности) тестового излучения. Для сведения рабочего и опорного лучей в единую регистрирующую систему (4) применяли поворотное зеркало (5). На пути тестового излучения располагали кювету (6) с ИОЛ (7). Расстояние между стенками кюветы составлял 1,01 мм, что позволяло создать зону уплощения в упругой линзе, имевшей в свободном состоянии толщину 1,22 мм при толщине стенок кюветы 1,40 мм. В качестве регистрирующей системы использовали светочувствительную матрицу CMOS 5D4 фотоаппарата Canon EOS 5D (Canon, Япония). Расстояние от кюветы до матрицы было равным 43,2 мм. С целью согласования интенсивности тестового излучения и чувствительности матрицы использовали ослабляющий светофильтр (НС9, СССР) (8). Смену окружающей линзу среды осуществляли посредством нагнетания и аспирации жидкости, синхронизированных при помощи подводного (9) и отводного (10) патрубков. В процессе смены среды оптическая схема оставалась геометрически неизменной (зафиксированной).

Рис. 2. Принципиальная схема устройства фотометра.

См. пояснения в тексте.

В нормальном состоянии, когда вещество ИОЛ однородно и не имеет градиента гидратации, уплощенный участок линзы, фиксированной между параллельными стенками кюветы, не оказывает влияния на геометрию проходящего через него пучка света. Находясь в состоянии баланса с окружающим раствором, такая уплощенная зона характеризуется нулевой оптической силой, по существу представляя собой параллельную оптическую пластинку. Предположительно, замена среды будет индуцировать изменение гидратации от краев уплощенного участка ИОЛ и, соответственно, создавать в нем латеральный градиент коэффициента преломления (рис. 3). Коэффициент преломления в центре ИОЛ будет некоторое время сохраняться (n₀), а на периферии будет изменяться до n_r. Дальнейшие вычисления могут быть основаны именно на этой модели.

Рис. 3. Возникновение рефракционного эффекта

а — схема, иллюстрирующая возникновение рефракционного эффекта в плоскопараллельной пластине при формировании латерального градиента преломляющей способности вещества интраокулярной линзы (пояснения в тексте); б — обмен водой между открытыми участками линзы и жидкостью в кювете, приводящий к возникновению латерального градиента преломляющей способности в веществе линзы; в — разметка полей на реальном изображении, полученном посредством матричного детектора, для оценки светорассеивающей способности вещества линзы (зона между желтой и зеленой окружностями соответствует лучам, отклоненным на угол 2–8°).

Известно, что латеральный симметричный градиент n в плоскопараллельной пластине вызывает искривление волнового фронта плоскопараллельного пучка света (луча) (см. рис. 3, а), проходящего через эту пластину. Это, в свою очередь, приводит к изменению угла расходимости/сходимости пучка, которое может быть вычислено по изменению радиусов (R1 и R2) пятна пучка на матрице регистрирующей системы. В связи с неоднородным распределением плотности пучка удобнее вычислять радиусы исходя из площади количества пикселей, уровень сигнала на которых превышал 50% от максимально регистрируемой величины. При этом отношение изменения радиусов пятна (R1 и R2) к расстоянию до измерительной матрицы (H) окажется искомым изменением угла расходимости/сходимости (см. рис 3, а). На основании этого может быть вычислен возникающий вследствие расходимости и сходимости светового луча градиент n вещества внутри уплощенного участка линзы. При одной и той же физической толщине (h), равной 1,01 мм, для разных коэффициентов преломления будет иметь место разная оптическая толщина образца (h_opt).

Проверкой может послужить решение обратной задачи — определение того, насколько близкой к разнице n у омывающих линзу растворов окажется разница этих показателей в возникающем градиенте внутри вещества линзы. Использовав ранее измеренные n растворов для разных сред ИОЛ «Гипо» — n_s=1,3350, «Норм» — n_m=1,3365 и «Гипер» — n_l=1,3400 и зная величину h образца, можно определить для него значение h_opt:

h_opt = h·n.

Отношение изменения величин h_opt к значению исходного (определенного на воздухе) радиуса светового пятна (R_air) дает расчетное изменение угла расходимости/сходимости луча. За положительное изменение принимается собирающий эффект (схождение пучка), за отрицательное — рассеивающий (расхождение пучка).

С целью оценки светорассеивающей способности ИОЛ определяли относительную среднюю интенсивность света, отклонившегося на угол 3—7° от основного луча (пучка) при прохождении через уплощенный участок линзы (см.рис. 3, в). Для этого вычисляли интегральную мощность в зоне основного луча (S_M) как сумму значений интенсивности (в цифровых единицах яркости от 0 до 255, один байт) всех пикселей, расположенных внутри окружности на детектирующей матрице. Размер этой окружности приблизительно соответствовал двум «диаметрам» основного луча (1,1° относительно вектора, характеризующего геометрический центр основного луча по распределению мощности в его пределах). Также суммировали яркость всех пикселей в зонах матрицы, характеризующих отклонение на угол 3—7° от осевого вектора основного луча (S_R). Показатель мощности (I_scat) пучка света, отклонившегося на указанный угол, определяли как отношение двух величин (в процентах):

.

При замене омывающего ИОЛ раствора с нормо- на гипотонический возникало весьма незначительное, прогрессирующее на протяжении 30 мин уменьшение n линзы (рис. 4, а). В результате значение n гидрофильного полимера снижалось на Δn=−0,0003. Затем следовали период стабилизации (в течение 2 ч) и начало релаксации системы. После релаксации вещество линзы практически не отреагировало на возвращение в нормотоническую среду.

Рис. 4. Относительное изменение показателя преломления (Dn) вещества интраокулярной линзы

а — кратковременное перемещение из нормотонического раствора в гипоосмолярный и возврат в нормотонические условия; б — кратковременное перемещение из нормотонического раствора в гиперосмолярный и возврат в нормотонические условия.

В случае смены раствора с нормо- на гипертонический наблюдаемые изменения были существенно более выраженными. Величина n ИОЛ непрерывно повышалась в течение 2 ч и лишь после этого появлялись признаки стабилизации системы «линза — жидкость». Максимальный эффект выражался в возрастании показателя n ИОЛ на Δn=+0,0038. С клинической точки зрения результатом такого увеличения может быть обратимая рефракционная ошибка в диапазоне от 0,25 до 0,60 дптр в зависимости от рефракционной силы используемой линзы.

Возврат ИОЛ в нормотонические условия после долговременного пребывания в среде с аномальной осмолярностью во всех случаях приводил к небольшому обратимому помутнению вещества линзы. После предварительной экспозиции в гипотоническом растворе при перемещении в нормотонические условия относительная мощность света, рассеянного на угол от 3° до 7°, возросла с 2,5 до 4,0% (рис. 5, а). Максимум светорассеивающей способности наблюдался через 1 мин после замены раствора на нормотонический. В дальнейшем следовало последовательное ее уменьшение за исключением незначительного повышения через 1 ч после замены раствора.

Рис. 5. Изменение светорассеивающей способности (I) вещества интраокулярной линзы, предварительно выдержанной в гипоосмолярных (а) и гиперосмолярных (б) условиях, после помещения в жидкость с нормальной осмолярностью.

После предшествующей экспозиции линзы в гипертоническом растворе и последующего перемещения в нормотонические условия нарастание мощности рассеянного света происходило медленнее (рис. 5, б). Наибольшее значение светорассеяния веществом ИОЛ было достигнуто через 1 ч после помещения в нормотонический раствор. При этом относительная мощность (I) лучей, отклонившихся на углы от 3° до 7°, возросла до 3,5% с последующим быстрым (ко 2-му часу) восстановлением прозрачности до исходных значений.

В экспериментальных моделях, имитирующих перемещение ИОЛ из аномальных условий (нарушение условий хранения) в нормальные (имитация имплантации), к 1-м суткам наблюдения зарегистрировано восстановление прозрачности вещества линзы. Следует отметить, что базовый уровень светорассеяния в эксперименте (~2,5% мощности отклоненного света) связан с системой «линза — фотометр» и не отражает реальную светорассеивающую способность «нормальной» ИОЛ, прозрачность которой выше этих значений. Однако прирост светорассеивающей способности относительно базового уровня при проведении эксперимента обусловлен изменением вещества линзы за счет неравномерной гидратации-дегидратации. Таким образом, дополнительная светорассеивающая способность в 1,0—1,5% сверх базовой интегральной мощности отклоненных лучей может иметь клиническое значение, поскольку номинальная рассеивающая способность полимера ИОЛ составляет сотые доли процента (при оценке сферического интегрального светорассеяния).

Классическими материалами для изготовления ИОЛ, используемых в современной факохирургии, являются ПММА, гидрофобный акрил, гидрофильный акрил, силикон, колламер. Линзы из ПММА и акрила могут иметь широкий диапазон оптической силы и UV-фильтр для защиты сетчатки от ультрафиолетового излучения, относительно легко имплантируются, обладают устойчивостью к проведению последующих лазерных вмешательств и биосовместимы с тканями глаза [10]. К преимуществам гидрофильных акриловых ИОЛ следует отнести простую технологию изготовления и отсутствие оптических недостатков, характерных для линз из гидрофобных материалов (в частности, эффекта дисфотопсии) [5]. Однако известно, что как гидрофильные акриловые линзы, так и ИОЛ из ПММА могут быть подвержены изменениям в виде необратимых либо обратимых помутнений оптического элемента, особенно при наличии сопутствующих глазных и общих заболеваний [6—8, 11—19].

Дополнительно следует отметить, что для линз из гидрофильных материалов в отличие от других типов ИОЛ существует принципиальная возможность изменять оптическую силу и регулярность волнового фронта за счет содержания связанной воды в самом веществе линзы. Количество связанной воды, или степень гидратации гидрофильного полимера, оказывает влияние на показатель преломления полимера [20, 21], что опосредованно сказывается на рефракционной силе линзы. При этом характер распределения воды, содержащейся в линзе в определенный момент времени, влияет на светорассеивающую способность ИОЛ.

Содержание воды в веществе гидрофильной ИОЛ не является постоянным параметром. Полимер способен обмениваться молекулами воды со средой, непосредственно окружающей линзу. По этой причине реальная осмолярность среды в каждый момент и ее изменения могут выступать факторами, влияющими на текущий коэффициент преломления и оптические качества линзы. Безусловно, этот вопрос детально исследуется инженерами и технологами, разрабатывающими ИОЛ и формулирующими условия их транспортировки. Однако исследования, посвященные влиянию осмолярности среды при имплантации (т. е. при перемещении в нормальную биологическую систему) линз после нарушения режима их хранения, в доступной литературе отсутствуют. Это относится и к сведениям о возможном объеме оптических изменений ИОЛ при аномальных характеристиках осмолярности внутренних сред глаза. Не исключено, что часть технологических данных относительно свойств конкретных гидрофильных полимеров является внутренней служебной либо коммерческой информацией производителей линз.

В данной экспериментальной работе рассматривается одна из возможных причин обратимых изменений оптических свойств ИОЛ в раннем послеоперационном периоде, а именно влияние девиаций осмолярности среды на светорассеивание и рефракционные показатели вещества линз.

Биохимические показатели внутриглазных сред поддерживаются в определенном диапазоне. Водянистая влага в норме на 98% состоит из воды, а также содержит микроэлементы, электролиты и метаболиты (Na⁺ 163 ммоль/л, Cl⁻ 134 ммоль/л, HCO₃⁻ 20 ммоль/л, аскорбат 1,06 ммоль/л, глюкоза 3 ммоль/л). Осмолярность водянистой влаги составляет 304 мОсм/л. Стекловидное тело (СТ) также на 98—99% состоит из воды; среди присутствующих в нем органических соединений количественно превалируют гиалуроновая кислота, растворимые белки (альбумины, глобулины). Осмолярность СТ в среднем равна 288—323 мОсм/л. Содержание в нем органических веществ может значительно колебаться в зависимости от системных метаболических нарушений. Следует подчеркнуть, что адгезия остаточной передней капсулы к ИОЛ по краю капсулорексиса создает условия для формирования нового внутриглазного компартмента, на границе сред которого с внутриглазной жидкостью и СТ могут происходить осмотические процессы.

При транспортировке и хранении ИОЛ используются специально разработанные контейнеры, заполненные солевым раствором. Состав таких растворов может отличаться, но наиболее часто используются растворы, разработанные компанией Alcon (Швейцария) — BSS (сбалансированный солевой раствор, balanced salt solution) и BSS Plus. Необходимо отметить, что они несколько отличаются по ионному составу и осмолярности от водянистой влаги. Так, осмолярность BSS и BSS Plus составляет 298 и 305 мОсм/л соответственно при соответствующем значении для водянистой влаги 304 мОсм/л. Известно, что химические свойства растворов могут меняться в зависимости от температуры окружающей среды, поэтому одно из требований производителя относится к соблюдению температурного режима при хранении и транспортировке ИОЛ во избежание их повреждения или изменения оптических характеристик.

Две из созданных в настоящем исследовании экспериментальных моделей (первая и третья) предполагали соответственно кратковременное и долговременное нахождение ИОЛ в гипотонических условиях. В реальности это может служить условным аналогом следующих ситуаций:

— долговременное хранение контейнера в статичном положении, приводящее к высаливанию части растворенных веществ на кромке жидкости;

— двухступенчатое (сильное, а затем умеренное) переохлаждение блистера перед передачей в операционную с выпадением части веществ в виде кристаллогидратов;

— ошибочное перемещение из блистера в промежуточный раствор — «промывка».

Две последние ситуации практически исключены при соблюдении рекомендаций производителя по хранению и транспортировке линз, в то время как первая теоретически может иметь некоторое распространение. Даже не очень длительное пребывание ИОЛ в гипотонических условиях способно приводить к снижению ее рефракционной силы. В этом случае возвращение к нормотоническим условиям естественной влаги передней камеры при имплантации приводит к постепенному возврату диоптрийности (оптической силы) ИОЛ к заявленной величине в течение 1 ч. После долговременного пребывания в гипотоническом растворе в момент имплантации линза значительно мутнеет и сохраняет повышенное светорассеяние на протяжении 3 ч.

В свою очередь, две другие экспериментальные модели (вторая и четвертая) «имитировали» соответственно кратковременную и долговременную экспозицию ИОЛ в гипертонических условиях во время хранения, транспортировки или на этапе непосредственной подготовки к вмешательству, в частности в следующих возможных случаях:

— скрытое повреждение контейнера, допускающее испарение раствора;

— сильное переохлаждение блистера перед передачей в операционную с вымерзанием воды как избыточного компонента эвтектики;

— ошибочное перемещение из блистера в промежуточный раствор —«промывка».

В реальной практике при соблюдении соответствующих рекомендаций две последние ситуации также практически исключены. В первом же случае испарение раствора возможно даже при относительно кратковременном нарушении герметичности контейнера, если относительная влажность воздуха в операционной составляет ниже 60%.

30-минутное нахождение ИОЛ в гипертонических условиях приводит к заметному увеличению ее рефракционной силы. При этом в гипертонических условиях такие изменения более выражены по сравнению с отклонениями на фоне экспозиции линзы в аномально гипотоническом растворе. Имплантация обеспечивает пребывание ИОЛ в естественных «нормотонических» условиях влаги передней камеры, что приводит к постепенному возврату диоптрийности ИОЛ к заявленному значению на протяжении 2—4 ч. Экспериментально выявленный объем рефракционных аномалий и сроки их возникновения согласуются с реальными колебаниями рефракции от 0,25 до 0,60 дптр, отмеченными некоторыми исследователями в раннем послеоперационном периоде [6, 7]. Помимо изменения рефракции установлено, что после долговременного пребывания в гипотоническом растворе через 3 ч после условной имплантации линза незначительно мутнеет, однако этот эффект быстро перестает регистрироваться.

В работе экспериментально подтверждена возможность изменения оптической силы гидрофильной ИОЛ при ее кратковременном перемещении в среды с аномальной осмолярностью. Показано соответствие профиля светорассеяния изменениям осмолярности как в гипер-, так и гипотоническом растворе. Колебания осмолярности могут приводить к обратимым изменениям светорассеяния ИОЛ и являться причиной ее помутнения. Характер рефракционных отклонений требует дальнейших исследований.

Участие авторов:

Концепция и дизайн исследования: Новиков И.А., Нарбут М.Н.

Сбор и обработка материала: Пырков Ю.Н., Пак О.А., Туаев Г.М., Аглямутдинов Р.Р.

Статистическая обработка: Новиков И.А., Нарбут М.Н., Пырков Ю.Н.

Написание текста: Новиков И.А., Пырков Ю.Н., Нарбут М.Н., Аглямутдинов Р.Р., Воронин Г.В.

Редактирование: Аветисов С.Э., Юсеф Ю.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.