Капсула хрусталика является достаточно плотной и эластичной наружной мембраной, что во многом определяет ее анатомо-функциональные особенности. Деление капсулы на две части — переднюю и заднюю — имеет под собой не только топографическую, но и морфологическую основу. Толщина передней капсулы хрусталика в несколько раз превышает аналогичный показатель задней и колеблется в пределах 4—24 мкм, что в свою очередь существенно повышает прочностные характеристики первой (особенно в центральной зоне). Хрусталик как объект биомеханических исследований, согласно классическим представлениям, следует рассматривать с позиций функционально заложенной необходимости изменения формы (т.е. деформации), обеспечивающей возможность усиления и ослабления оптической силы глаза в целом в процессе аккомодации [1].
Современные тенденции развития хирургии хрусталика (факохирургии) позволяют расширить эти представления, выделив в качестве еще одного направления изучения биомеханики хрусталика оценку прочностных свойств капсулы хрусталика. В микроинвазивной факохирургии передняя капсулотомия (круговой непрерывный капсулорексис) является важным технологическим этапом, от качества выполнения которого во многом зависит корректное и адекватное проведение последующих хирургических манипуляций (фрагментации ядра, удаления хрусталиковых масс, имплантации интраокулярной линзы — ИОЛ). В числе прочих характеристик передней капсулотомии (диаметр, центрация) в последнее время выделяют и биомеханические параметры ее края в контексте устойчивости к внутрикапсульным манипуляциям и стабильности расположения ИОЛ.
Первые экспериментальные исследования, посвященные оценке биомеханических свойств капсулы хрусталика, имели фундаментальную, а не прикладную направленность. Так, в серии экспериментальных исследований, проведенных R. Fisher и соавторами, были изучены константы эластичности (elastic constants по терминологии авторов) капсулы хрусталика кадаверных (т.е. полученных ex vivo) глаз человека и экспериментальных животных [2—4]. В качестве модели сравнения при проведении испытаний была выбрана аналогичная по толщине капсулы хрусталика вулканизированная резина. Значения модуля Юнга (модуль продольной упругости, Н/мм2, или МПа) — физическая величина, характеризующая свойство материала сопротивляться растяжению/сжатию при упругой деформации и определяемая как отношение напряжения к деформации капсулы хрусталика и резиновой мембраны, которое существенно отличалось: у резиновой мембраны при удлинении наблюдали снижение этого показателя. Деформация капсулы хрусталика (относительное удлинение образца, которое может быть рассчитано как перемещение, деленное на начальную длину образца) перед разрывом составила 25% (у резиновой мембраны — на несколько порядков выше), а максимальное механическое напряжение (определяется как отношение растягивающей силы к единице площади в данной точке рассматриваемого сечения) перед разрывом капсул — 2,3±0,7 Н/мм2 (Н — ньютон). Согласно результатам проведенных исследований, переднюю капсулу хрусталика следует рассматривать как многослойную пластинку, состоящую из коллагеновых закрученных макромолекул, образующих суперспирали, которые растягиваются под воздействием нагрузки.
В другом (сравнительном) исследовании [5] изучались биомеханические показатели передней капсулы хрусталика кадаверных коровьих, свиных, крысиных, человеческих глаз и десцеметовой мембраны роговицы. В животных образцах десцеметова мембрана была менее деформируемой, чем капсула хрусталика, а в человеческих — механические свойства этих структур оказались сходными.
Последующие исследования биомеханических свойств капсулы хрусталика носили прикладной характер и касались изучения возрастных изменений, значения биомеханики капсулы в механизме деформации хрусталика и влияния различных способов капсулотомии в процессе факохирургии на ее прочностные свойства.
S. Krag и соавт. [6] проанализировали возрастную зависимость биомеханических характеристик передней капсулы хрусталика человека ex vivo. Согласно полученным данным, толщина капсулы до 75 лет постепенно увеличивается, после чего происходит ее незначительное уменьшение. Ежегодное возрастное снижение таких биомеханических показателей, как предельное удлинение, предельное напряжение и модуль Юнга, составило 0,5; 1,0 и 0,9% соответственно. Эластичность капсулы хрусталика является доминирующим фактором, определяющим форму хрусталика, а ее возрастные изменения, возможно, имеют некоторое значение в формировании пресбиопии [7, 8].
Необходимость изучения биомеханических свойств передней капсулы хрусталика в аспекте факохирургии, как уже указывалось выше, связана с техническими особенностями современных микроинвазивных технологий (в частности, с такими элементами, как капсулотомия, манипуляции в капсульном мешке, имплантация ИОЛ), которые потенциально могут быть источником существенных деформаций капсулы. В настоящее время интерес к данной проблеме обусловлен в том числе внедрением в клиническую практику метода фемтолазерной передней капсулотомии, при котором в отличие от мануальной техники, базирующейся на рассечении и разрыве капсулы с помощью специальных инструментов через тоннельный разрез, разделение тканей происходит до вскрытия фиброзной оболочки глаза в результате лазериндуцированного образования и слияния мельчайших пузырьков газа.
Морфологическим субстратом возможных различий биомеханических показателей передней капсулы после мануальной и фемтолазерной капсулотомии являются особенности структуры края капсулы после применения указанных методов [9—14]:
1. Край передней капсулы после фемтолазерной капсулотомии является не ровным, а имеет вид, близкий (в грубом приближении) к перфорации почтовой марки.
2. При исследовании методом электронной микроскопии край передней капсулы после воздействия фемтосекундного лазера имеет множественные микронеровности (микроразрывы) — как следы импульсов лазерного излучения.
3. Профиль свободного края капсулы при выполнении мануального капсулорексиса выглядит более ровным по всему периметру, и лишь при большом увеличении можно различить единичные насечки, небольшие углубления и мелкие «заусеницы» высотой до 4 мкм.
4. Независимо от метода вдоль свободного края передней капсулы имеет место выраженная в различной степени зона деэпителизации: после мануальной капсулотомии бесклеточная зона имеет ширину, сопоставимую с диаметром всего одного эпителиоцита, а после фемтолазерной — ширина пограничной бесклеточной зоны увеличивается пропорционально мощности излучения фемтосекундного лазера.
Для оценки биомеханической «устойчивости» края передней капсулы после разных методов капсулотомии использовали кадаверные свиные [15—18] и человеческие глаза [19—22]. Сравнительный анализ этих исследований, представленный нами в опубликованном ранее обзоре литературы, позволил сделать следующие основные выводы [23]:
1. Использование в качестве экспериментальных моделей для оценки биомеханических характеристик образцов передней капсулы хрусталика человека и свиньи, полученных ex vivo, не исключает возможного влияния на результаты исследований как постмортальных изменений, так и анатомических особенностей капсулы животных.
2. Вариабельность полученных в разных исследованиях абсолютных показателей, характеризующих устойчивость передней капсулы к разрыву (сила разрыва, эластичность, удлинение), может быть обусловлена рядом факторов: выбором экспериментальной модели, технологией капсулотомии и получения образцов, особенностями механических испытаний. Исходя из этого, при сравнении механической устойчивости края капсулы после различных методов капсулотомии целесообразно использовать относительные показатели, полученные в рамках конкретного исследования.
3. Учитывая неоднородность полученных в разных работах результатов, вопрос сравнительной оценки механической устойчивости капсулы хрусталика человека после мануальной и фемтолазерной капсулотомии нуждается в дальнейшем изучении в условиях, максимально приближенных к исследованиям in vivo.
4. Проведение механических испытаний периферического края капсулотомического отверстия предполагает заполнение остатков капсульного мешка какими-либо вязкими субстанциями (желатин, гиалуроновая кислота), «смачивание» края капсулы, которые могут влиять на его механическую прочность.
Исходя из этого, нами было высказано предложение о целесообразности использования для оценки биомеханической устойчивости передней капсулы не края капсульного мешка или его периферических отделов (как практически во всех проведенных исследованиях), а центрального фрагмента передней капсулы человека, полученного в процессе микроинвазивной факохирургии [23]. Теоретические предпосылки к применению именно такого подхода базируются на естественной конгруэнтности центрального и периферического краев капсулотомии. Подобная модель была использована в единственном, опубликованном позже сравнительном исследовании [24], в котором, однако, отсутствует подробное описание методики подготовки центрального фрагмента капсулы после мануальной и фемтолазерной капсулотомии для проведения «разрывных» тестов. Последнее обстоятельство, на наш взгляд, имеет основополагающее значение при решении данной проблемы, учитывая толщину капсулы и, самое главное, разницу в конфигурации образцов, обусловленную наличием дополнительной насечки (разрыва) края образца после мануальной капсулотомии (рис. 1).
Цель настоящего исследования — сравнительная оценка биомеханических показателей передней капсулы хрусталика после разных методов капсулотомии на основе теста, максимально приближенного к условиям испытаний in vivo.
Материал и методы
Для проведения исследования было использовано 28 образцов передней капсулы хрусталика, полученных в процессе хирургического лечения катаракты с помощью циркулярной (диаметром 5—5,5 мм) мануальной и фемтолазерной капсулотомии (15 и 13 образцов соответственно). Все вмешательства были выполнены одним хирургом. Непосредственно для механических испытаний было использовано по 8 образцов из каждой группы, а остальные — для отработки методики испытаний. Первоначально для решения поставленных задач планировали исследование большего числа образцов передней капсулы, однако однородность полученных результатов позволила ограничить рамки анализа указанным выше количеством.
Для мануального капсулорексиса после предварительной «насечки» передней капсулы использовали капсульный пинцет с прямыми браншами и так называемое центростремительное направление манипуляций, для фемтосекундной капсулотомии — лазерную установку VICTUS («Technolas Perfect System», Германия). Инфракрасный фемтосекундный лазер был настроен на частоту обновлений, равную 80 кГц, длину импульса от 230 до 550 фс и длину волны 1023 нм. Уровень энергии при формировании капсулорексиса составил 7000 нДж c расстоянием между точками 5 мкм, а между слоями — 2 мкм. Диаметр поверхности «жесткого» интерфейса составлял 10,8 мм, кривизна — 8,3 мм. Контроль фемтосекундной лазерной капсулотомии осуществляли с помощью интегрированного в лазерную установку оптического когерентного томографа в реальном времени. Интерфейс пациента состоял из аппланационной линзы, иммерсионного раствора между линзой и роговицей, вакуумного кольца и трубки. Образцы помещали в физиологический раствор, время от забора до проведения испытаний составляло от 1,5 до 5 ч.
Возраст пациентов колебался в диапазоне 55—60 лет. Критерии исключения из исследования: наличие сахарного диабета, выраженный подвывих хрусталика, псевдоэксфолиативный синдром и недостаточный предоперационный мидриаз.
Схема на рис. 2 иллюстрирует
Результаты и обсуждение
Алгоритм исследования предполагал решение нескольких задач. Первая из них, как указывалось выше, была связана с необходимостью проведения исследований в условиях, максимально приближенных к прижизненной оценке. С этой целью для механических испытаний использовали центральные фрагменты передней капсулы, удаленные интраоперационно в процессе микроинвазивной факохирургии в результате мануальной и фемтолазерной капсулотомии. Испытания проводили в ближайшие несколько часов после забора образцов, которые до этого момента сохраняли в сбалансированном физиологическом растворе.
Решение второй задачи было обусловлено потенциальным требованием к стандартизации подготовки полученных в результате различных методов капсулотомии образцов для проведения механических испытаний: если при применении лазера образцы имели форму, близкую к кругу, то при мануальной технике имела место насечка (разрыв) края, обусловленная первичным локальным вскрытием передней капсулы (см. рис. 1). Кроме того, следует учитывать, что нижняя граница диапазона чувствительности механических датчиков исследовательских испытательных приборов близка к n·10–2—10–5Н. Такая чувствительность достаточна для оценки биомеханических свойств большинства биологических структур, вплоть до описания механического поведения некоторых макромолекул. Несмотря на некоторый запас чувствительности датчиков использованной в данном исследовании испытательной машины, решение задачи корректной оценки биомеханических свойств кромки фрагмента капсулы хрусталика связано с рядом технических затруднений. Первая проблема — работа датчика в диапазоне измеряемых значений, близких к нижней границе чувствительности, может приводить к увеличению доли шумов относительно доли полезного механического сигнала. Вторая проблема — исходная неоднородность свойств кромки фрагмента капсулы, требующая множественных измерений для накопления статистических данных, что затруднительно с учетом физических размеров объекта измерения. Третья проблема — геометрия приложения растягивающих усилий к объекту дисковидной формы, частично зажатому в пневматические тиски за две противолежащие хорды, будет вызывать в нем напряжения преимущественно по оси растяжения и не позволит оценить биомеханические качества его кромок. И, наконец, четвертая проблема — дополнительный разрыв в капсуле, неизбежно возникающий при применении мануальной техники, не должен принимать участия в ответе образца на прикладываемое растяжение.
Предлагаемая методика механических испытаний в известной степени нивелирует влияние описанных выше факторов на результаты механических испытаний за счет оригинального метода закрепления образца, который позволяет:
— оценивать механический ответ преимущественно от края образца;
— получать усредненный ответ сразу от четырех кромок, что, с одной стороны, решает проблему неоднородности, а с другой — повышает регистрируемые усилия до диапазона комфортной работы регистрирующего датчика;
— практически исключить влияние дополнительной насечки края образца.
Результаты механических испытаний образцов передней капсулы хрусталика после разных методов капсулотомии представлены в таблице.
Результаты ранее проведенных исследований механической прочности периферического края капсулы после мануальной и фемтолазерной капсулотомии, в которых в качестве экспериментальной модели использовали свиные глаза, достаточно разноречивы. При применении тестов, предполагающих заполнение капсульного мешка желатином или гиалуроновой кислотой, и последующем растяжении с помощью ретракторов край капсулы после лазерного воздействия оказался достоверно прочнее, чем при мануальной технике [15, 16]. При растяжении же изолированных, периферических, кольцевидных образцов передней капсулы был получен результат противоположного характера: средняя сила, регистрируемая при разрыве, оказалась достоверно выше после мануальной капсулотомии (155 мН против 119 мН), причем этот показатель снижался по мере увеличения энергии лазерного излучения (в среднем со 119 до 108 мН) [17, 18]. Не исключено, что в первом случае на результаты могло повлиять применение желатина и гиалуроновой кислоты в процессе проведения механических испытаний. «Смачивание» края капсулы такими вязкими субстанциями может в какой-то степени увеличивать его механическую прочность. Причем отмеченные выше по данным морфологических исследований микронеровности края капсулы после фемтосекундной капсулотомии увеличивают общую площадь поверхности края капсулы по сравнению с аналогичным показателем после мануального капсулорексиса, что в большей степени может влиять на результаты механических испытаний. Кроме того, при потенциальном переносе результатов данных исследований в клиническую практику следует учитывать отличия капсулы хрусталика свиньи и человека: первая приблизительно в 4 раза толще и существенно эластичнее, а ее модуль Юнга колеблется в диапазоне 10,0—31,5 Н/мм2 (у человека, по данным R. Fisher — 0,7—2,3 Н/мм2). Это обстоятельство не позволяет рассматривать данную экспериментальную модель в качестве адекватной основы для сравнения разных методов капсулотомии в клинической факохирургии. В известной степени влияние этих различий на результаты биомеханических исследований минимизируется за счет использования молодых (в возрасте 6—12 мес) экспериментальных животных.
На достоверность также достаточно разноречивых результатов, полученных при механических испытаниях образцов капсулы кадаверных (т.е. полученных ех vivo) глаз человека [19—22], могли существенно повлиять постмортальные изменения тканей. Только в работе N. Chan и соавторов для механических испытаний были использованы центральные фрагменты передней капсулы, полученные интраоперационно на парных глазах в результате мануальной и фемтолазерной капсулотомии, т. е. в условиях, максимально приближенных к исследованиям in vivo [24]. В процессе механических тестов образцы закрепляли между двумя зажимами испытательной машины на расстоянии 1,5 мм и подвергали растяжению. Средняя сила разрыва капсулы после мануального и лазерного метода составила 2,3 и 2 г соответственно, однако разница была статистически недостоверна. В 5 случаях она оказалась существенной, что побудило авторов исследовать эти «фемтолазерные» образцы с помощью сканирующей электронной микроскопии — каких-либо специфических дефектов края капсулы выявлено не было. Из представленного в исследовании описания методики механических испытаний не совсем ясно, каким образом была нивелирована разница в конфигурации «мануальных» и «лазерных» образцов и насколько полученные результаты отражают механические свойства именно края капсулы. Очевидно, поэтому при обсуждении правомерности использования данной модели механических испытаний авторы высказывают, возможно, спорное предположение: «несмотря на то что в процессе операции усилие, оказываемое инструментами на край капсулы, направлено к периферии, его можно сравнить с продольным направлением при растяжении, которому подвергаются маленькие сегменты капсул между зажимами во время тестирования…».
Выводы
1. Разработанная методика позволяет оценивать механическую устойчивость края передней капсулы хрусталика независимо от конфигурации образца в условиях, максимально приближенных к исследованию in vivo.
2. После мануальной капсулотомии показатели максимального усилия и удлинения образца передней капсулы при максимальном усилии на разрыв оказались существенно выше, чем аналогичные характеристики образцов после фемтолазерного метода.
Участие авторов:
Концепция и дизайн исследования: К.А., С.А., И.Н.
Сбор и обработка материала: К.А., Н.Б., Н.Б., И.Х.
Написание текста: К.А.
Редактирование: С.А., И.Н.
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Сведения об авторах
Аветисов Константин Сергеевич — канд. мед. наук, ст. науч. сотр. отдела факохирургии и интраокулярной коррекции
e-mail: avetisov.k.s@gmail.com
https://orcid.org/0000-0001-9195-8908