Die Entwicklung der Photodisruption und ihre Anwendung in der Ophthalmologie lässt sich anhand der Dauer der Pulsbreite, die für die Veränderung des Gewebes unter der Oberfläche verwendet wird, in verschiedene Phasen einteilen. In den 1970er Jahren konnten Augenärzte erstmals die nichtlineare Absorption zur Behandlung des Offenwinkelglaukoms mit einem gütegeschalteten Rubinlaser nutzen.1 Ein Jahrzehnt später begannen Chirurgen, die nichtlineare Ablation mit einem gütegeschalteten Nd:YAG-Laser einzusetzen, um die hintere Kapsel der Augenlinse nach einer hinteren Kapseltrübung2,3 durch Induktion von Multiphotonenabsorption zu schneiden.

Etwa zur gleichen Zeit entdeckten Josef Bille, PhD, und Stuart Brown, MD, dass sie durch Verkürzung der Pulsdauer einer Laserplattform eine hohe Intensität bei wesentlich niedrigeren Pulsenergien erzeugen konnten, was zu einer höheren Präzision bei der Bearbeitung von Gewebe führte. Unter der Leitung von Dr. Tibor Juhasz entwickelte das Team des Start-up-Unternehmens Intelligent Surgical Lasers einen Prototyp eines Lasers, der bei einer Wellenlänge von 1.053 μm arbeitete und Pulse mit einer Dauer von einigen zehn Pikosekunden und einer Pulsenergie von mehreren Millijoule emittierte.4,5 Obwohl dieser Laser sein Ziel – reproduzierbare intrastromale Ablationen – nicht erreichte, diente er als Sprungbrett für die Entwicklung des ersten Femtosekundenlasers.

Seit der Einführung des Femtosekundenlasers IntraLase (jetzt Abbott Medical Optics Inc.) für die Flap-Erstellung eingeführt wurde, haben vier weitere refraktiv-chirurgische Femtosekundenlaser ihren Weg auf den Markt gefunden: der Femtec (Technolas Perfect Vision), der Femto LDV (Ziemer Ophthalmic Systems AG), der FS200 (Alcon Laboratories, Inc.) und der VisuMax (Carl Zeiss Meditec).

Ophthalmologische Femtosekundenlaser fördern sichere Operationen und schnelle Heilungszeiten, da sie Gewebe und andere Materialien innerhalb eines 3-D-Volumens bearbeiten können, ohne dessen Oberfläche zu verändern. Der Erfolg dieser Plattform in der refraktiven und neuerdings auch in der Kataraktchirurgie beruht auf zwei einzigartigen Eigenschaften: (1) dem nichtlinearen Absorptionsprozess und (2) der extrem hohen Präzision und den geringen Nebenwirkungen, die sich aus dem niedrigen Energieniveau ergeben, das für die Photodisruption erforderlich ist. Durch den nichtlinearen Absorptionsprozess des Lasers kann der Chirurg das Gewebe dreidimensional bearbeiten, ohne durch eine Oberfläche eingeschränkt zu sein. (Dies unterscheidet sich von der linearen Absorption, wie z. B. beim Excimer-Laser-Hornhaut-Remodeling, das direkt an der Oberfläche des absorbierenden Gewebes stattfindet und von der Wellenlänge und den Absorptionseigenschaften des Gewebes bestimmt wird). Femtosekundenlaser haben viele Anwendungen in der Augenheilkunde, die im Folgenden erörtert werden.

EINZIGARTIGE MERKMALE

Bildgebung. Ophthalmische Femtosekundenlaser verwenden ein 3-D-Scanverfahren zum Schneiden von Gewebe. Die gleiche 3-D-Strahlführung, die zur Gewebedurchtrennung verwendet wird, kann auch zur Abbildung des Schneidprozesses vor, während und nach der Operation genutzt werden. Das Zielgewebe kann für die Bildgebung ohne zusätzliche Scannerspiegel oder Linsen gescannt werden. Die erste Generation der Femtosekundenlaser-Kataraktchirurgie nutzt diese einzigartige Funktion bereits, indem sie einen optischen Kohärenztomographiestrahl (OCT) entlang des Laserstrahls zur Abbildung des Zielgewebes führt. Dies kann vor der Operation geschehen, um die Laserpulse zu steuern.

Diese Funktion wird noch nicht bei Femtosekundenlasern für die refraktive Hornhautchirurgie eingesetzt, aber sie wird zweifellos eingeführt werden, sobald die OCT-Technologie erschwinglicher wird. Derzeit verfügt nur eine einzige Femtosekundenlaser-Plattform für die Hornhautchirurgie über eine Bildgebungsfunktion, der CorneaSurgeon (Rowiak GmbH), der Hornhautspendergewebe für Keratoplastiken vorbereitet.

Femtosekundenlaser können auch für die Bildgebung mit der zweiten Harmonischen und die Multiphotonen-Fluoreszenz-Bildgebung eingesetzt werden, um hochauflösende Bilder zu liefern,6-8 die Informationen über die Anatomie und die Stoffwechselbedingungen des Gewebes liefern können.

Trübes Gewebe. Trübes Hornhautgewebe verursacht eine sehr starke Streuung. Glücklicherweise ist die Streuung bei langen Infrarotwellenlängen sehr gering, so dass trübes Gewebe an der Oberfläche, in tieferen Schichten und sogar in sklerotischen kristallinen Linsen und skleralem Gewebe bearbeitet werden kann.9-11 In Zukunft könnten Augenärzte diese Funktion des Femtosekundenlasers nutzen, um Glaukome mit neuartigen chirurgischen Verfahren zu behandeln.

Bearbeitungsgeschwindigkeit. Heute können ophthalmologische Femtosekundenlaser Repetitionsraten im Kilohertz-Bereich mit ausreichend hohen Pulsenergien liefern. In Zukunft könnten Laser mit Wiederholraten im Megahertz-Bereich eingesetzt werden, was die Behandlungszeiten weiter verkürzen würde.

NEUE ANWENDUNGEN

Laser-Katarakt-Chirurgie. Dies ist die jüngste ophthalmologische Anwendung des Femtosekundenlasers, wobei vier Unternehmen den Weg in diesen Bereich ebnen: OptiMedica Corp. mit seinem Catalys Precision Laser, LensAR mit der LensAR-Laserplattform, Alcon Laboratories, Inc. mit seiner LenSx-Laserplattform und Bausch + Lomb mit dem Victus. Der Hersteller des Victus hat erklärt, dass der Laser sowohl Katarakt- als auch Hornhautrefraktionsanwendungen durchführen kann.

Behandlung von traktiven Glaskörperanhaftungen. In naher Zukunft könnten ultrakurze Laserpulse die hintere Vitrektomie zur Behandlung von traktiven Glaskörperansätzen ersetzen. Diese nichtinvasive Strategie erfordert noch einige Entwicklungsarbeit, da Laserpulse, die durch den Glaskörper geleitet werden, verzerrt werden. Dies erfordert eine höhere Energie, was zu akustischen Schockwellen und thermischen Schäden führt. Wenn es jedoch gelingt, eine adaptive Optik in die Strahlführung einzubauen, können diese optischen Aberrationen eliminiert werden, so dass ein gut fokussierter, hochaufgelöster Laserspot entsteht (Abbildung 1).12

Umkehr der Alterssichtigkeit. Eine weitere vielversprechende Anwendung des Femtosekundenlasers ist die Umkehrung der Alterssichtigkeit durch Wiederherstellung der Flexibilität der kristallinen Linse. Man hofft, mit dem Femtosekundenlaser Mikroeinschnitte in der Linse anbringen zu können, ohne das Auge chirurgisch zu öffnen (Abbildung 2). Diese Mikrokanäle könnten die innere Reibung des Linsengewebes verringern und als Gleitebenen dienen. Bei der Anwendung an Kaninchenaugen verursachten diese Lasereinschnitte kein Kataraktwachstum oder Wundheilungsstörungen. 13-15 Bei der Anwendung an menschlichen Autopsieaugen wurde eine durchschnittliche Zunahme der anteroposterioren Linsendicke um 100 μm festgestellt, was einer Zunahme der akkommodativen Amplitude um 2,00 bis 3,00 D entspricht (Abbildung 3).

Brechungsindexgestaltung. Wenn die Intensität des Femtosekundenlasers knapp unter der Schwelle des optischen Durchbruchs bleibt, ist es möglich, ein Plasma mit geringer Dichte zu erzeugen, das es freien Elektronen ermöglicht, mit dem umgebenden Gewebe zu interagieren. Diese chemischen Reaktionen könnten zu leichten Änderungen des Brechungsindexes optischer Medien führen, und dieses Phänomen könnte genutzt werden, um diffraktive Linsen in die Hornhaut oder die kristalline Linse zu programmieren. In Tierversuchen hat sich gezeigt, dass der Brechungsindex über mehrere Wochen oder Monate stabil bleibt;16 dieses Prinzip könnte auch zur Anpassung der Brechkraft einer IOL in situ genutzt werden.17

Corneale Kollagenvernetzung (CXL). Ultrakurze Laserpulse, die auf die hintere Hornhaut oder das Skleragewebe aufgebracht werden, könnten mit Hilfe der Zwei-Photonen-Absorption möglich sein. Daher könnten Chirurgen CXL auf tiefere Bereiche des Auges anwenden, um weitere positive Effekte bei Patienten mit Keratokonus zu erzielen.

Umkehrung des Grauen Stars. Das Photo-Bleaching oder die Verwendung von Multiphotonen-Absorption zur photochemischen Zerstörung von absorbierenden, fluoreszierenden und streuenden Proteinaggregaten im Kern kann die Vergilbung der Linse beseitigen. In einem Experiment wurden 18 menschliche Spenderlinsen mit einem 800-nm-Infrarot-Femtosekundenlaser behandelt. Nach der Behandlung stellten die Forscher fest, dass die altersbedingte Gelbverfärbung der Linse reduziert und die Lichtdurchlässigkeit erhöht wurde. Mit Hilfe der kohärenten Kontrolle, einer auf der Quantenmechanik basierenden Methode zur Steuerung dynamischer Lichtprozesse, könnte es schließlich möglich sein, die Augenlinse selektiv zu bleichen.19

ZUSAMMENFASSUNG

Mit Femtosekundenlasern ist ein hohes Maß an chirurgischer Präzision möglich, und Augenärzte haben diese Technologie bereits gut genutzt, zunächst in der refraktiven Chirurgie und jetzt auch in der Kataraktchirurgie. Die Grenzen der Netzhaut- und Glaukomchirurgie sind nicht mehr weit entfernt.

TAKE-HOME MESSAGE

• Femtosekundenlaser fördern sichere Operationen und schnelle Heilungszeiten, weil sie Gewebe und andere Materialien innerhalb eines 3-D-Volumens bearbeiten können, ohne dessen Oberfläche zu verändern.
• Zu den nützlichen Eigenschaften von Femtosekundenlasern gehören die Fähigkeit zur Bildgebung, lange Infrarotwellenlängen und hohe Reptionsraten.
• Zu den potenziellen Anwendungen gehören die Laser-Katarakt-Chirurgie, die Behandlung von traktiven Glaskörperanhaftungen, die Umkehrung der Presbyopie, die Brechungsindexgestaltung, CXL und die Umkehrung des Grauen Stars.

Holger Lubatschowski, PhD, ist Geschäftsführer der Rowiak GmbH, Deutschland. Professor Lubaschowski gibt an, dass er ein finanzielles Interesse am Bereich der Femtosekundenlaser-gestützten Chirurgie hat und Gesellschafter der Rowiak GmbH ist. Er ist erreichbar unter E-Mail: [email protected].

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