Biophysikalische Grundlagen der Kollagenvernetzung

Zusammenfassung

Hintergrund: Die verringerte mechanische Stabilität der Hornhaut beim Keratokonus oder bei der iatrogenen Keratektasie nach Lasik kann durch photooxidative Vernetzung des Kollagens kompensiert werden. Für die sichere und effektive Anwendung dieser neuen Therapiemethode sollen die biophysikalischen Grundlagen zusammengestellt werden. Methode: Die Wahl der Therapieparameter soll anhand der Absorptionsverhältnisse in der Hornhaut erläutert werden. Die Sicherheit der Methode wird für das Endothel und für die Linse diskutiert. Die erzeugten Vernetzungen werden indirekt am Beispiel der dadurch veränderten physikochemischen Eigenschaften der Hornhaut aufgezeigt. Ergebnisse: Um eine hohe Absorption der Strahlungsenergie in der Hornhaut zu erreichen, wurden Riboflavin mit einer Konzentration von 0,1 % und UV-Licht der Wellenlänge von 370 nm entsprechend dem relativen Maximum der Absorption von Riboflavin gewählt. Eine Bestrahlungsstärke von 3 mW/cm² und eine Bestrahlungszeit von 30 min führen zu einer signifikanten Verfestigung. Durch die hohe Absorption innerhalb der Hornhaut wird das Endothel geschützt, d. h., bei einer Stromadicke größer 400 µm wird die Schädigungsschwelle des Endothels nicht erreicht. Als Nachweis der Vernetzungen gelten die Erhöhung der mechanischen Festigkeit, die Erhöhung der Resistenz gegen enzymatische Abbauprozesse, die geringere Quellungsneigung, eine erhöhte Schrumpfungstemperatur und ein vergrößerter Durchmesser der Kollagenfasern. Schlussfolgerung: Die Therapieparameter wurden experimentell getestet und haben sich klinisch bei der Kollagenvernetzung bewährt. Zum Erreichen eines sicheren Vernetzungseffektes ohne Schädigung umgebender Gewebe sollten diese Parameter eingehalten werden.

Abstract

Background: The reduced mechanical stability of the cornea in keratoconus or in keratectasia after Lasik may be increased by photooxidative cross-linking of corneal collagen. The biophysical principles are compiled for the safe and effective application of this new treatment method. Methods: The setting of the therapy parameters should be elucidated from the absorption behaviour of the cornea. The safety of the method for the endothelium cells and the lense will be discussed. The induced cross-links are shown to be the result of changes in the physico-chemical properties of the cornea. Results: To reach a high absorption of the irradiation energy in the cornea, riboflavin of a concentration of 0.1 % and UV light of a wavelength of 370 nm, corresponding to the relative maximum of absorption of riboflavin, were used. An irradiance of 3 mW/cm² and an irradiation time of 30 min lead to an increase of the mechanical stiffness. The endothelium cells will be protected due to the high absorption within the cornea, that means the damaging threshold of the endothelium cells will not be reached in a 400 µm thick stroma. As evidence for cross-links we can consider the increase of the biomechanical stiffness, the increased resistance against enzymatic degradation, a higher shrinkage temperature, a lower swelling rate and an increased diameter of collagen fibres. Conclusions: The therapy parameters were tested experimentally and have been proven clincally in the corneal collagen cross-linking. These parameters should be respected to reach a safe cross-linking effect without damage of the adjacent tissues.

Kornea - Keratokonus - Biomechanik - Vernetzung - ultraviolette Strahlung - Riboflavin

cornea - keratoconus - biomechanics - cross-linking - ultraviolet irradiation - riboflavin

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