傳統(tǒng)上一般用長波紫外線照射核黃素誘導(dǎo)角膜基質(zhì)的交聯(lián)和固化,來治療圓錐角膜和LASIK術(shù)后擴(kuò)張導(dǎo)致的發(fā)展性嚴(yán)重散光。這種膠原交聯(lián)能夠增強(qiáng)藍(lán)色膠原自發(fā)熒光,并增強(qiáng)角膜的機(jī)械硬度,研究表明UVA交聯(lián)技術(shù)可以阻止或逆轉(zhuǎn)一些角膜病變。

UVA交聯(lián)有如下缺點(diǎn):

(1)UVA照射和氧自由基的產(chǎn)生具有細(xì)胞毒性,角膜厚度不足400 μm的患者不能接受標(biāo)準(zhǔn)治療。

(2)交聯(lián)操作不夠精確,交聯(lián)的橫向位置很難控制。

(3)單光子激發(fā)時(shí),基質(zhì)及核黃素對(duì)UVA的吸收降低角膜深處的交聯(lián)效率。

(4)長時(shí)間的核黃素激發(fā)也會(huì)導(dǎo)致光漂白以及核黃素激發(fā)和膠原交聯(lián)反應(yīng)的喪失。

使用近紅外光進(jìn)行核黃素的雙光子激發(fā)可以很好地規(guī)避這些缺點(diǎn)。第一篇文章中的裝置圖如圖1所示。波長為760nm的飛秒激光經(jīng)由一個(gè)可變擴(kuò)束器,從而調(diào)節(jié)系統(tǒng)的有效NA并控制焦體積的大小。之后經(jīng)由xy掃描鏡后再通過第二個(gè)固定光束展寬器在光束到達(dá)物鏡的后孔徑之前再次擴(kuò)束。深度掃描是由物鏡上電腦控制的馬達(dá)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)。在操作過程中,可拆卸的角膜接觸鏡錐用來維持角膜平坦、穩(wěn)定眼睛并確定零平面。

圖1 可變數(shù)值孔徑的多光子光學(xué)交聯(lián)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)中,離體活性兔眼球浸泡在核黃素溶液中,角膜中心處4mm的區(qū)域經(jīng)由不同參數(shù)下的激光激發(fā)。擴(kuò)束器設(shè)置對(duì)于焦體積大小和軸向長度都有很大影響:擴(kuò)束器能產(chǎn)生大于7．5倍的焦體積變化以及2．5倍軸向長度的減少。焦體積的整體軸向變化可以從0平面向下400μm。

光致交聯(lián)的程度可以由角膜膠原蛋白的熒光來表征,還可以使用探針壓痕法檢測(cè)光交聯(lián)對(duì)角膜的強(qiáng)化作用。與對(duì)照組比較,紫外光角膜交聯(lián)及非線性角膜交聯(lián)的機(jī)械硬度都有大幅提高。如圖2所示,與紫外光核黃素交聯(lián)相比,非線性角膜交聯(lián)的自發(fā)膠原熒光強(qiáng)度沒有很大差異,可以認(rèn)為兩種交聯(lián)技術(shù)都能產(chǎn)生很好的屈光矯正效果。

圖2 NLO-CXL,UVA-CXL及對(duì)照組的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)此

第一篇文章中使用的76 MHz fs激光器的單脈沖能量為11．8 nJ,平均功率為900 mW,不符合ANSI 46．1 mW的角膜安全限制。在第二篇文章中,該課題組對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn),使用1030nm種子源,經(jīng)非線性光參量放大器轉(zhuǎn)換為波長為760nm的飛秒脈沖,其重復(fù)頻率在50-150kHz,實(shí)驗(yàn)裝置如圖3。

圖3 改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)中,在離體及活體兔角膜上的非線性角膜交聯(lián)術(shù)都獲得了接近紫外光角膜交聯(lián)術(shù)的效果。臨床中發(fā)現(xiàn)手術(shù)48小時(shí)后的角膜沒有發(fā)紅腫脹和起霧(圖4A),圖4B、4C是2周后體內(nèi)共聚焦顯微鏡橫截面及深度在178微米處的平面圖象,說明在治療區(qū)域內(nèi)有細(xì)胞遷移。同時(shí)短期組成像還發(fā)現(xiàn)治療組眼上皮明顯增厚,基質(zhì)厚度不變,霧度有所增加。圖4D為兩周后膠原自發(fā)熒光測(cè)量結(jié)果,為一個(gè)皮下90微米處,連續(xù)的110微米厚的自發(fā)熒光帶。圖4E為染色后橫截面示意圖,發(fā)現(xiàn)治療區(qū)域都出現(xiàn)了角膜基質(zhì)細(xì)胞,與UVA治療的樣品有差異。

圖4 改進(jìn)后系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

總之這兩篇文章驗(yàn)證了在合適的參數(shù)下,非線性角膜交聯(lián)術(shù)可以產(chǎn)生與紫外角膜交聯(lián)術(shù)相媲的角膜交聯(lián)效果,可以增強(qiáng)角膜強(qiáng)度,進(jìn)行屈光矯正。兔角膜活體實(shí)驗(yàn)也表明非線性角膜交聯(lián)術(shù)具有潛在的臨床應(yīng)用價(jià)值,可用于進(jìn)行個(gè)性化交聯(lián)來治療屈光不正和圓錐形角膜。

參考文獻(xiàn):

[1] Bradford S M, Mikula E R, Chai D, et al． Custom built nonlinear optical crosslinking (NLO CXL) device capable of producing mechanical stiffening in ex vivo rabbit corneas[J]． Biomedical optics express, 2017, 8(10): 4788-4797．

[2] Bradford S, Mikula E, Kim S W, et al． Nonlinear optical corneal crosslinking, mechanical stiffening, and corneal flattening using amplified femtosecond pulses[J]． Translational vision science & technology, 2019, 8(6): 35-35．