По мнению S. Roberts и S. Dupps, первоначальное изменение биомеханических свойств роговицы при кератоконусе (КК) является очаговым, роговица вне зоны эктазии остается интактной [1]. Признание ведущей роли локального изменения биомеханических свойств роговицы при развитии эктазии привело к разработке более эффективных протоколов локального лечения КК [2—5].

Как показывает обзор имеющихся в литературе сведений, среди исследователей пока нет единого мнения, что считать центром локального воздействия при проведении ультрафиолетового кросслинкинга роговичного коллагена (УфКРК). В одном авторы едины: лечение должно быть проведено в зоне с наиболее ослабленными биомеханическими свойствами.

Новые возможности для оценки биомеханики роговицы открыли внедрение в клиническую практику различных модификаций бесконтактных тонометров, разработанных для обеспечения более точного измерения внутриглазного давления (ВГД) с учетом свойств роговицы, в частности, применение системы Pentacam AXL и Corvis ST, которая представляет собой сочетание бесконтактного тонометра с коллимированным воздушным импульсом с фиксированным давлением, с шаймпфлюг-анализатором для мониторинга деформации роговицы [1, 6—11]. Недостатком систем, оценивающих биомеханические свойства роговицы, является их диагностическая направленность на центральную область роговицы. Так, анализатор роговичного ответа Ocular Response Analyzer ORA (Reichert, США) позволяет оценивать деформацию зоны роговицы диаметром 3—6 мм относительно апекса, а Pentacam AXL и Corvis ST (OCULUS Optikgeräte GmbH, Германия) — деформацию зоны роговицы 8,0 мм по горизонтали [12, 13]. Единственный инструмент, позволяющий описать изменение биомеханических свойств роговицы в зонах, недоступных оценке с помощью приборов, является математическое моделирование [14—16].

На наш взгляд, требуется разработка новой модификации УфКРК, ориентированной на воздействие в области роговицы с наиболее ослабленными биомеханическими свойствами на основе математического моделирования в сопоставлении с данными Pentacam AXL и Corvis ST.

Цель исследования — разработать модифицированную персонализированную топографически и томографически ориентированную методику УфКРК с расположением зоны воздействия в области роговицы с ослабленными биомеханическими свойствами, определенными с помощью математического моделирования.

Материал и методы

Проведен проспективный анализ результатов выполнения модифицированной персонализированной топографически и томографически ориентированной методики УфКРК для лечения прогрессирующего КК 1-й и 2-й стадии у 36 пациентов (36 глаз) в клинике Волгоградского филиала ФГАУ «НМИЦ «МНТК “Микрохирургия глаза” им. акад. С.Н. Федорова» Минздрава России.

Возрастной и гендерный состав исследуемой группы представлен в табл. 1.

Таблица 1. Демографические характеристики и стадия заболевания группы наблюдения, n=36; 36 глаз

Сроки наблюдения: до операции, 1-е сутки, 1 мес, 6 мес и 1 год после операции.

Для оценки результатов до и после операции в разные сроки наблюдения всем пациентам проводили расширенное офтальмологическое обследование, включающее, кроме стандартных методов исследования, оптическую когерентную томографию (ОКТ) роговицы на когерентном томографе RTVue-100 (Optovue, США), регистрацию гистоморфологических изменений роговицы и определение плотности эндотелиальных клеток с помощью конфокальной микроскопии (Confoscan4; Nidek, Япония), оценку вязкоэластических свойств роговицы с помощью анализатора роговичного ответа Ocular Response Analyzer ORA (Reichert, США) с определением значений корнеального гистерезиса (CH), фактора резистентности роговицы (CRF) и роговично-компенсированного ВГД (IOPcc) [8]. С помощью Pentacam AXL и Corvis ST (OCULUS Optikgeräte GmbH, Германия) оценивали среднее и максимальное значения кератометрии (K_m и K_max), индекс напряжения-деформации (Stress-Strain Index, SSI), показатель жесткости роговицы (Stiffness Parameter, SP-A1), а также биомеханически компенсированное ВГД (bIOP) [6—11].

Статистический анализ был выполнен с использованием программного обеспечения SPSS Statistics for Windows (версия 22.0, IBM Corp.). Нормальность распределения данных оценивали с использованием критериев Колмогорова—Смирнова. С учетом того, что все исследуемые показатели соответствовали нормальному распределению, в работе были использованы параметрические методы статистики. Данные были выражены в виде среднего значения ± стандартное отклонение (M±σ), медианы, а также минимального и максимального значений (min—max). Для определения различий между полученными результатами в разные сроки наблюдения относительно исходных значений в каждой группе применяли t-критерий Стьюдента для повторных измерений (зависимых выборок). При его величине ≥2,0 и показателе значимости различий p<0,05 различие расценивали как статистически значимое.

Моделирование механического поведения роговицы под действием ВГД и под давлением импульса воздушной струи при пневмотонометрическом тесте проводили с использованием программного обеспечения COMSOL Multiphysics (COMSOL AB, Швеция). Методом конечных элементов решалась система дифференциальных уравнений квазистатического равновесия при граничных условиях, задающих действующие нагрузки на передней и задней поверхностях роговицы и перемещения на поверхностях сопряжения со склерой [16].

Геометрическую модель роговицы представляли пространственным сегментом выпуклой тонкостенной оболочки с переменной толщиной стенки и произвольной формой передней и задней поверхностей, задаваемых путем интерполяции экспериментальных карт высот, полученных из данных томографического исследования роговицы конкретного пациента с помощью кератотопографа Pentacam AXL.

Материал оболочки, моделирующей роговицу, считали однородным, изотропным и нелинейно-упругим, его деформации описывали моделью гиперупругости O.H. Yeoh [17]. Коэффициенты жесткости данной модели устанавливали исходя из сопоставления результатов численного моделирования параметров деформации роговицы при воздействии воздушного импульса и их определения на бесконтактном тонометре Corvis ST. При наличии эктатического процесса в окрестностях соответствующей зоны роговицы в модели вводили локальную область со снижающимися коэффициентами жесткости материала. Размеры, форму, положение и характер изменения жесткости внутри такой области устанавливали путем решения обратных задач по минимизации разницы между результатами моделирования и экспериментального измерения кератотопометрических и деформационных параметров в характерных точках роговицы.

Для моделирования процедуры УфКРК в стенке оболочки вводили дополнительную зону (кругового профиля) с повышенными коэффициентами жесткости. Диаметр данной области соответствовал диаметру зоны эксимерлазерной деэпителизации, а изменение характеристик жесткости материала по глубине и радиусу задавали в соответствии с экспериментальными данными о распределении фотосенсибилизирующего вещества при его диффузии в роговице и плотности потока ультрафиолетового (УФ) излучения заданной мощности.

На основе результатов расчетов по разработанной модели в виде трехмерных картин распределения интенсивностей напряжений и деформаций в объеме роговицы и их сопоставления с основными топографическими и томографическими картами Pentacam AXL, а также данными о биомеханических свойствах Corvis ST устанавливали положение и размеры ослабленной области роговицы и варианты воздействия на нее при УФ-кросслинкинге.

Топографически ориентированную деэпителизацию точно в области КК возможно осуществить, в частности, с использованием эксимерного лазера. Неравномерная толщина эпителия роговицы при КК усложняет проведение полной деэпителизации роговицы. Решает задачу обозначения границ КК частичная деэпителизация роговицы на глубину ²/₃ толщины эпителиального слоя с последующим удалением оставшегося эпителия. Центром воздействия при проведении модифицированной методики УфКРК считали точку с наименьшим значением пахиметрии в отчете Pentacam AXL Topometric/KC Staging. Границей зоны КК считали внешнюю границу желтого цвета по Интуитивной шкале Белина с 61 цветом и шагом 5,0 мкм (рис. 1, а). Определяли диаметр зоны эксимерлазерного воздействия с использованием указанных ориентиров. После проведения эксимерлазерной фототерапевтической кератэктомии по заданным параметрам механически удаляли оставшуюся часть эпителиального слоя в пределах границ абляции. Дальнейший ход операции соответствовал Дрезденскому протоколу. Проводили инстилляционное насыщение роговицы 0,1% раствором рибофлавина мононуклеотида на декстране Т500 в течение 30 мин. УФ-облучение длиной волны 365 нм мощностью 3 мВт/см² с диаметром светового пятна 7,0 мм проводили в течение 30 мин с центрацией в концентрически деэпителизированной зоне роговицы на фоне дополнительных инстилляций раствора рибофлавина каждые 2 мин. Воздействие УФ-облучением осуществляли как на участок деэпителизированной роговицы в области КК, где было получено максимальное насыщение фотосенсибилизатором и происходил стандартный УФ-кросслинкинг, так и на перифокальную зону недеэпителизированной роговицы, где происходил трансэпителиальный УФ-кросслинкинг с поверхностным эффектом (рис 1, б).

Рис. 1. Схема определения размеров зоны эксимерлазерного воздействия (а) и общий вид роговицы пациента во время операции (б).

Ведение раннего послеоперационного периода осуществляли так же, как и при выполнении стандартной методики УфКРК. На технологию получен Патент РФ на изобретение №2760482 от 25.11.2021.

Результаты

Длительность полной реэпителизации роговицы во всех случаях составила 24,2±1,0 ч. Изменения клинико-функциональных показателей в исследуемой группе отражены в табл. 2.

Таблица 2. Клинико-функциональные показатели в наблюдаемой группе, n=36

Примечание. В табл. 2—4: различия между средними значениями, отмеченные значками * и **, ** и ***, а также * и ***, статистически значимы (t>2,0; p<0,05).

Достоверное повышение НКОЗ и МКОЗ, а также понижение K_m и K_max отмечено в сроки наблюдения 6—12 мес.

В табл. 3 и 4 представлены основные биомеханические роговичные параметры и показатели вязкоэластических свойств роговицы пациентов исследуемой группы на разных сроках наблюдения.

Таблица 3. Биомеханические роговичные параметры в наблюдаемой группе, n=36

Таблица 4. Показатели вязкоэластических свойств роговицы пациентов наблюдаемой группы, n=36

Незначительное повышение, по сравнению с дооперационным уровнем, bIOP, а также достоверное повышение основных показателей жесткости роговицы — SP-A1 и SSI — отмечалось уже на сроке наблюдения 1 мес. На сроке наблюдения 1 год было отмечено повышение значений SP-A1, bIOP и SSI по сравнению с дооперационными значениями на 18; 11 и 23% соответственно (t>2,0; p<0,05).

На сроке наблюдения 1 год было отмечено повышение значений CH, CRF и IOPcc по сравнению с дооперационными значениями на 12; 15 и 11% соответственно (t>2,0; p<0,05).

По данным ОКТ роговицы, демаркационная линия во всех случаях визуализировалась к сроку 1 мес после операции и сохранялась на более поздних сроках наблюдения (рис. 2). Значения глубины залегания демаркационной линии в проекции точки с наименьшей пахиметрией p_min представлены в табл. 5.

Рис. 2. Результаты ОКТ роговицы на сроке наблюдения 1 мес после операции.

Таблица 5. Глубина залегания демаркационной линии на разных сроках наблюдения (n=36), мкм

На рис. 2 видно, что в зоне деэпителизированной роговицы, соответствующей области КК, глубина демаркационной линии составляет около половины толщины роговицы. В перифокальной зоне недеэпителизированной роговицы отмечено более поверхностное формирование демаркационной линии.

При проведении конфокальной микроскопии на сроке наблюдения 1 мес во всех случаях отмечали появление заднего стромального хейза в виде гиперрефлектирующих структур веретенообразной и звездчатой формы, что расценивали как скопления коллагена, производимого активированными кератоцитами [18]. Плотность эндотелиальных клеток оставалась неизменной на всех сроках наблюдения.

Клиническое наблюдение. В клинику Волгоградского филиала обратился пациент К. 33 лет с жалобами на постепенное снижение остроты зрения левого глаза в течение пяти лет. Пациент использует очковую коррекцию. Было проведено полное офтальмологическое обследование, получены следующие результаты: НКОЗ OD=0,8, МКОЗ OD=1,0, рефракция OD sph –0,25 дптр, cyl –0,5 дптр ax 95; НКОЗ OS=0,05, МКОЗ OS=0,3, рефракция OS sph –3,5 дптр, cyl –2,75 дптр ax 106, величина переднезадней оси OD=23,5 мм, OS=23,9 мм, пахиметрия в центральной оптической зоне OD=519 мкм, минимальное значение пахиметрии OD=505 мкм, пахиметрия в центральной оптической зоне OS = 510 мкм, минимальное значение пахиметрии OS 496 мкм. Плотность эндотелиальных клеток OD = 2902 CD/мм², плотность эндотелиальных клеток OS = 2628 CD/мм². Кератотопографически на OS — картина паттерна КК в нижнем отделе. Кератометрия на вершине КК 47,8 дптр, среднее значение кератометрии — 43,4 дптр. Показатели жесткости роговицы OS — SP-A1 и SSI — составляли 71,7 и 0,84 соответственно, значения корнеального гистерезиса СН и фактора резистентности роговицы CRF — 8,7 и 8,3 соответственно. Толщина эпителия на вершине КК — 47 мкм. Поставлен клинический диагноз: «Кератоконус OS 2-й стадии, рефракционная амблиопия слабой степени».

Этапы лечения пациента

1. Математическое моделирование.

2. Применение модифицированной методики на основе полученных данных.

С использованием полученных с помощью Pentacam AXL и Corvis ST данных пациента построена конечно-элементная 3D-модель роговицы. На полученном «цифровом двойнике» проведена серия вычислительных экспериментов по моделированию деформаций роговицы в ходе пневмотонометрического теста. Из сопоставления расчетных результатов и данных клинического обследования пациента на приборе Corvis ST установлены коэффициенты жесткости в модели роговицы и степень их максимального снижения (22%) в центре зоны КК.

По результатам расчетов определены величины интенсивности деформаций, построены карты их распределения по объему роговицы. Эти результаты совместно с экспериментальными данными о размерах и конфигурации области наименьшей пахиметрии (шкала Белина, Pentacam) позволяют предварительно установить диаметр зоны эксимерлазерного воздействия при кросслинкинге (рис. 3, а, б).

Рис. 3. Этапы расчетно-экспериментального анализа пациент-ориентированной методики кросслинкинга.

а — карта пахиметрии до операции (шкала Белина, Pentacam); б — расчетная интенсивность деформаций роговицы с КК; в — зависимость максимальной амплитуды деформаций роговицы от диаметра и положения зоны кросслинкинга; г — сопоставление расчетных кривых деформации роговицы после кросслинкинга по различным вариантам и данных пневмотонометрии пациента.

На следующем этапе проводили прогнозирование биомеханических параметров (в частности, максимальной амплитуды деформации при пневмотесте) модели роговицы после кросслинкинга для различных вариантов расположения и размеров зоны воздействия при кросслинкинге (рис. 3, в) и уточняли ее эффективный диаметр и положение центра (приняли: =5 мм, центр — в точке минимальной пахиметрии p_min).

При постоперационном расчетном анализе сопоставляли прогностические кривые деформирования роговицы после кросслинкинга с данными пациента, полученными при помощи прибора Corvis ST через 629 сут после операции (рис. 3, г).

Через 6 мес после операции получены следующие результаты: НКОЗ OS=0,1, МКОЗ OS=0,6, рефракция OS sph –3,5 дптр, cyl –2,0 дптр ax 100, пахиметрия в центральной оптической зоне OS = 505 мкм, минимальное значение пахмиетрии OS = 483 мкм. Плотность эндотелиальных клеток OS = 2727 CD мм². Кератометрия на вершине КК 46,8 дптр, среднее значение кератометрии — 42,9 дптр. Показатели жесткости роговицы OS — SP-A1 и SSI — составляли 75,4 и 1,05 соответственно, значения корнеального гистерезиса СН и фактора резистентности роговицы CRF — 8,9 и 10,1 соответственно. При проведении ОКТ роговицы визуализировалась демаркационная линия с максимальной глубиной 219 мкм в проекции зоны с минимальной пахиметрией.

Обсуждение

На сегодняшний день применяются разные подходы к персонализации кросслинкинга. T. Seiler и соавторы проводили селективный кросслинкинг с различной энергией облучения ультрафиолетом с центром воздействия в точке наибольшей элевации задней поверхности роговицы [3]. R. Shetty и соавторы использовали топографически ориентированный УфКРК с центром воздействия в точке наибольшей кератометрии тангенциальной карты передней поверхности роговицы [4, 5]. Проведенное в данной работе сопоставление карты распределения деформации, полученной с помощью математического моделирования (рис. 4, а), с пахиметрической картой (рис. 4, б) и картой задней элевации (рис. 4, в), полученными экспериментально (Pentacam AXL), показало, что локальная область роговицы с наименьшей толщиной (желтая область по шкале Белина) подвергается наибольшим деформациям. При этом точка максимальной интенсивности деформаций (точка ε_max на рис. 4) локализуется вблизи точки минимальной пахиметрии (p_min) и области наибольшей элевации (e_max) задней поверхности. В этом смысле принятая в данном исследовании стратегия определения размеров и положения области УФ-облучения при кросслинкинге (см. рис. 1, а) видится достаточно обоснованной.

Рис. 4. Сопоставление характерной расчетной картины интенсивности деформации (а) в роговице под действием ВГД с картой пахиметрии (б) и задней элевации (в).

p_min — точка минимальной пахиметрии, e_max — область наибольшей элевации, ε_max — точка максимальной интенсивности деформации роговицы.

Воздействие точно в зоне роговицы с ослабленными биомеханическими свойствами может быть обеспечено только применением эксимерлазерных технологий, в частности топографически ориентированной фототерапевтической кератэктомии, причем не на полную эпителиальную глубину, а лишь на ²/₃ толщины эпителия. Полная эксимерлазерная деэпителизация сопряжена с риском повреждения глубжележащих слоев роговицы, учитывая неравномерную толщину эпителиального слоя. Предложенная глубина абляции позволяет визуализировать границы искомой области. Для получения достаточного насыщения стромы роговицы рибофлавином оставшийся после абляции эпителий требуется удалить механически, что не представляет сложности в обозначенных границах.

Применение методики локального УфКРК в отношении снижения значений максимальной кератометрии и, как следствие, повышения остроты зрения, так же эффективно, как и применение стандартного протокола. Полученные результаты подтверждают повышение топографической регулярности роговицы, с одной стороны, и демонстрируют повышение безопасности операции УфКРК за счет минимизации интраоперационной травмы поверхностных слоев роговицы и уменьшения количества энергии ультрафиолета-А, проникающей в строму, сокращения реабилитационного периода, по сравнению со стандартным протоколом, — с другой.

Предложенная модифицированная методика не уступает по эффективности известным в литературе локальным процедурам УфКРК. В методике персонализированного УФ-кросслинкинга, предложенной T. Seiler и соавт. [3], градиентный лечебный эффект УфКРК обеспечивается изменением мощности УФ-воздействия на различном удалении от точки максимальной задней роговичной элевации. Авторами представлены результаты персонализированного УфКРК при лечении 19 глаз с КК 1-й и 2-й стадии. На сроке наблюдения 1 год было отмечено достоверное снижение K_max в 7 из 19 глаз (37%) на 2 дптр или более (p=0,03), в среднем на 1,7±2,0 дптр, повышение МКОЗ (logMAR) на 0,07±0,2 (p=0,08). Продолжительность реэпителизации составила 2,56±0,50 сут.

В предложенной нами методике кросслинкинга градиентный лечебный эффект обеспечивается сохранением эпителиального слоя в периферических отделах зоны облучения. Основные критерии эффективности УфКРК — кератостабилизирующий эффект и повышение биомеханических свойств роговицы.

Представленные результаты разработанной нами методики УфКРК демонстрируют улучшение всех исследуемых показателей жесткости и вязкоэластичности роговицы на максимальном сроке наблюдения. К сожалению, в доступной литературе отсутствуют сведения о сравнительном анализе улучшения биомеханических свойств роговицы при проведении различных модификаций УфКРК. Одной из задач проводимого нами исследования является набор и анализ такого материала.

Заключение

Применение математического моделирования позволило установить центр воздействия при проведении модифицированной методики УфКРК в точке с наименьшей пахиметрией как зоны пониженной жесткости и наибольшей интенсивности деформаций роговицы. Разработанная модифицированная персонализированная топографически и томографически ориентированная методика УфКРК позволяет получить явный кератостабилизирующий эффект за счет повышения показателя жесткости роговицы и роговичного индекса напряжения-деформации на 15,1±5,04 (18%) и 0,21±0,20 (23%) соответственно (p<0,05), повысить НКОЗ и МКОЗ на 0,2±0,19 (23%) и 0,1±0,14 (29%) соответственно (p<0,05), при снижении значений максимальной кератометрии на 1,35±1,63% (3%; p<0,05), повысить безопасность лечения КК за счет уменьшения дозы УФ-воздействия на роговицу и интраокулярные структуры и гарантированной сохранности лимбальной зоны эпителия, особенно при воздействии на роговицы со сниженной толщиной. Сокращение продолжительности реэпителизации до 24,2±1,0 ч обусловливает более комфортное протекание раннего послеоперационного периода для пациентов.

Финансирование. Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект №22-21-20085).

Участие авторов:

Концепция и дизайн исследования: Е.С., И.З., Б.М.

Сбор и обработка материала: Е.С., И.З., В.Х.

Статистическая обработка: Е.Л., С.Б.

Написание текста: Е.С.

Редактирование: Б.М., В.Ф., И.З., С.Б.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.