A fotodiszruptor fejlődése és alkalmazása a szemészetben a felszín alatti szövetek megváltoztatásához használt impulzusszélesség időtartama alapján szakaszokba sorolható. A szemészorvosok először az 1970-es években tudtak nemlineáris abszorpciót alkalmazni a nyitott zugú glaukóma kezelésére Q-kapcsolású rubinlézerrel1 . Egy évtizeddel később a sebészek egy Q-kapcsolású Nd:YAG lézerrel kezdték alkalmazni a nemlineáris ablációt a kristályos lencse hátsó kapszulájának vágására a hátsó kapszuláris homályosodás2,3 után, multifoton abszorpció kiváltásával.

Ezzel nagyjából egy időben Josef Bille, PhD és Stuart Brown, MD felfedezte, hogy egy lézerplatform impulzusidejének lerövidítésével lényegesen alacsonyabb impulzusenergiák mellett is nagy intenzitást lehet létrehozni, ami nagyobb pontosságot eredményez a szövetek feldolgozásában. Az Intelligent Surgical Lasers nevű start-up cégnél Dr. Juhász Tibor tudományos főmunkatárs vezetésével ez a csapat egy olyan lézerprototípust fejlesztett ki, amely 1053μm-es hullámhosszon működött, és több tíz pikoszekundumos időtartamú, több millijoule impulzusenergiájú impulzusokat bocsátott ki.4,5,5 Bár ez a lézer nem érte el a kitűzött célt – reprodukálható intrastromális ablációkat -, ugródeszkaként szolgált az első femtoszekundumos lézer tervezéséhez.

Mióta az IntraLase femtoszekundumos lézer (jelenleg Abbott Medical Optics Inc.) bevezetése óta négy másik refraktív sebészeti femtoszekundumos lézer is megjelent a piacon: a Femtec (Technolas Perfect Vision), a Femto LDV (Ziemer Ophthalmic Systems AG), az FS200 (Alcon Laboratories, Inc.), és a VisuMax (Carl Zeiss Meditec).

A szemészeti femtoszekundumos lézerek elősegítik a biztonságos műtéteket és a gyors gyógyulási időt, mivel képesek a szöveteket és más anyagokat egy háromdimenziós térfogaton belül feldolgozni anélkül, hogy annak felületét megváltoztatnák. E platform sikere a refraktív és újabban a szürkehályogsebészetben két egyedülálló tulajdonságon alapul: (1) a nemlineáris abszorpciós folyamat és (2) a rendkívül nagy pontosság és az alacsony mellékhatások, amelyek a fotodiszruptzióhoz szükséges alacsony energiaszintből adódnak. A lézer nemlineáris abszorpciós folyamatának köszönhetően a sebész a szövetet háromdimenziósan tudja megmunkálni anélkül, hogy bármilyen felület korlátozná. (Ez különbözik a lineáris abszorpciótól, mint például az excimer lézeres szaruhártya-átalakításnál, amely közvetlenül az abszorbeáló szövet felületén történik, és amelyet a hullámhossz és a szövet abszorpciós jellemzői határoznak meg.) A femtoszekundumos lézereknek számos szemészeti alkalmazása van, amelyeket az alábbiakban tárgyalunk.

EGYEDI JELLEMZŐK

Képalkotás. A szemészeti femtoszekundumos lézerek 3-D szkennelési eljárást alkalmaznak a szövetek vágásához. Ugyanaz a 3-D sugárkibocsátás, amelyet a szövetek megbontásához használnak, a vágási folyamat képalkotására is használható a műtét előtt, alatt és után. A célszövetet pásztázó tükrök vagy lencsék használata nélkül is le lehet pásztázni a képalkotáshoz. A femtoszekundumos lézeres szürkehályogműtétek első generációja már kihasználja ezt az egyedülálló tulajdonságot azáltal, hogy a célszövet leképezéséhez a lézersugár útja mentén optikai koherencia tomográfiás (OCT) sugarat vezet. Ezt a műtét előtt lehet elvégezni a lézerimpulzusok navigálása érdekében.

Ugyanezt a funkciót a szaruhártya refraktív sebészeti femtoszekundumos lézerek még nem használják, de kétségtelenül be fogják vezetni, amint az OCT-technológia megfizethetőbbé válik. Jelenleg csak egy femtoszekundumos lézeres szaruhártya-sebészeti platform tartalmaz képalkotó funkciót, a CorneaSurgeon (Rowiak GmbH), amely a szaruhártya donorszövetét készíti elő keratoplasztikához.

A femtoszekundumos lézerekkel másodharmonikus képalkotás és multifoton fluoreszcencia képalkotás is végezhető, amely nagy felbontású képeket szolgáltat,6-8 amelyek képesek információt szolgáltatni az anatómiáról, valamint a szövet anyagcsere állapotáról.

Turbid szövet. A zavaros szaruhártyaszövet nagyon erős szórást indukál. Szerencsére hosszú infravörös hullámhosszok esetén a szórás nagyon alacsony, ami lehetővé teszi a zavaros szövet feldolgozását a felszínén, a mélyebb rétegekben, sőt még a szklerotikus kristályos lencsében és a szklerális szövetben is.9-11 A jövőben a szemészorvosok a femtoszekundumos lézernek ezt a funkcióját a glaukóma újszerű sebészeti eljárásokkal történő kezelésére is felhasználhatják.

Feldolgozási sebességek. Ma a szemészeti femtoszekundumos lézerek a kilohertzes tartományba eső ismétlési frekvenciákat képesek biztosítani kellően nagy impulzusenergiával. A jövőben lehetőség nyílhat a megahertzes tartományba eső lézeres ismétlési sebességek alkalmazására, tovább csökkentve a kezelési időt.

ÚJ ALKALMAZÁSOK

Lézeres szürkehályogműtét. Ez a femtoszekundumos lézer legújabb szemészeti alkalmazása, és ezen a téren négy cég is utat tör magának: OptiMedica Corp. a Catalys Precision lézerrel; LensAR a LensAR lézerplatformmal; Alcon Laboratories, Inc. a LenSx lézerplatformmal; és Bausch + Lomb a Victus lézerrel. A Victus gyártója kijelentette, hogy a lézer alkalmas a szürkehályog és a szaruhártya refraktív alkalmazások elvégzésére is.

A trakciós üvegtesti csatolások kezelése. A közeljövőben az ultrarövid lézerimpulzusok kiválthatják a hátsó vitrectomiát a trakciós üvegtesti kötődések kezelésében. Ez a noninvazív stratégia még némi fejlesztést igényel, mielőtt megvalósíthatóvá válik, mivel az üvegtesten keresztül beadott lézerimpulzusok torzulnak. Ehhez nagyobb energiára van szükség, ami akusztikus lökéshullámokat és termikus károsodást okoz. Ha azonban az adaptív optikát sikeresen be lehet építeni a sugárkibocsátásba, akkor ezek az optikai aberrációk kiküszöbölhetők, és így jól fókuszált, nagy felbontású lézerfolt érhető el (1. ábra).12

A presbyopia visszafordítása. A femtoszekundumos lézer másik ígéretes alkalmazása a presbyopia visszafordítása a kristályos lencse rugalmasságának helyreállításával. A remény az, hogy a femtoszekundumos lézerrel a szem műtéti megnyitása nélkül mikrometszeteket lehet létrehozni a lencsén belül (2. ábra). Ezek a mikrocsatornák csökkenthetik a lencseszövet belső súrlódását, csúszósíkokként működve. Nyulak szemébe juttatva ezek a lézeres bemetszések nem okoztak szürkehályog-növekedést vagy sebgyógyulási rendellenességeket. 13-15 Amikor emberi boncolt szemeken alkalmazták, átlagosan 100 μm-es növekedést tapasztaltak az anteroposterior lencse vastagságában, ami az akkomodációs amplitúdó 2,00-3,00 D nyereségének felel meg (3. ábra).

Törésmutató alakítása. Ha a femtoszekundumos lézer intenzitása éppen az optikai bomlás küszöbértéke alatt marad, akkor alacsony sűrűségű plazma hozható létre, amely lehetővé teszi a szabad elektronok kölcsönhatását a környező szövetekkel. Ezek a kémiai reakciók az optikai közeg törésmutatójának kismértékű változását eredményezhetik, és ez a jelenség felhasználható diffraktív lencsék szaruhártyába vagy kristályos lencsébe történő programozására. Állatkísérletekben a törésmutató alakítása több hétig vagy hónapig stabilnak bizonyult;16 ez az elv felhasználható lenne egy IOL erejének in situ beállítására is.17

Korneális kollagén keresztkötés (CXL). A hátsó szaruhártyára vagy a scleraszövetre alkalmazott ultrarövid lézerimpulzusok alkalmazása kétfotonos abszorpcióval lehetséges. Ezért a sebészek a CXL-t a szem mélyebb területein is alkalmazhatnák a keratoconusban szenvedő betegeknél további kedvező hatások elérése érdekében.

A szürkehályog visszafordítása. A fotófehérítés, vagyis a többfotonos abszorpció alkalmazása az abszorbeáló, fluoreszkáló és szóró fehérjeaggregátumok fotokémiai úton történő elpusztítására a szemmagban, megszüntetheti a kristályos lencse sárgulását. Egy kísérletben18 emberi donorlencsét kezeltek 800 nm-es infravörös femtoszekundumos impulzuslézerrel. A kezelés után a kutatók megállapították, hogy a lencse korral járó sárga elszíneződése csökkent, és a fényáteresztés megnőtt. Végül a koherens vezérléssel, a dinamikus fényfolyamatok vezérlésére szolgáló kvantummechanikai alapú módszerrel talán lehetővé válik a kristályos lencse szelektív fehérítése.19

Összefoglalás

A femtoszekundumos lézerekkel nagyfokú sebészeti pontosság érhető el, és a szemészek már jól használják ezt a technológiát, eredetileg a refraktív sebészetben, most pedig a szürkehályogsebészetben is. A retina- és glaukómasebészet határai sincsenek messze mögötte.

TAKE-HOME MESSAGE

• A femtoszekundumos lézerek elősegítik a biztonságos műtéteket és a gyors gyógyulási időt, mivel képesek a szöveteket és más anyagokat egy háromdimenziós térfogaton belül feldolgozni anélkül, hogy annak felszínét megváltoztatnák.
• A femtoszekundumos lézerek hasznos jellemzői közé tartozik a képalkotó képesség, a hosszú infravörös hullámhossz és a nagy reptetési arány.
• A lehetséges alkalmazások közé tartozik a lézeres szürkehályogműtét, a trakciós üvegtest-kötések kezelése, a presbyopia visszafordítása, a törésmutató alakítása, a CXL és a szürkehályog visszafordítása.

Holger Lubatschowski, PhD, a németországi Rowiak GmbH vezérigazgatója. Lubaschowski professzor kijelenti, hogy pénzügyi érdekeltségei vannak a femtoszekundumos lézerrel támogatott sebészet területén, és a Rowiak GmbH részvényese. Elérhető e-mailben: [email protected].

1. Krasnov M.Laser puncture of anterior chamber angle in glaucoma (a preliminary report).Vestn Oftalmol. 1972;3:27-31.
2. Aron-Rosa D,Aron JJ,Griesemann JC,Thyzel R.Use of the neodymium-YAG laser to open the posterior capsule after lens implant surgery:a preliminary report.J Am Intraocul Implant Soc.1980;6(4):352-354.
3. Fankhauser F,Roussel P,Steffen J,Van der Zypen E,Chrenkova A.Clinical studies on the efficiency of high power laser radiation upon the some structures of the anterior segment of the eye.First experiences of the treatment of some pathological conditions of the anterior segment of the human eye by a Q-switched laser.Int Ophthalmol. 1981;3(3):129-139.
4. Remmel R,Dardenne C,Bille J.Intrastromalis szöveteltávolítás 1053 nm-en működő infravörös pikoszekundumos Nd:YLF szemészeti lézerrel.Laser Light Ophthalmol.1992.;4(3/4):169-173.
5. Niemz MH,Hoppeler TP,Juhasz T,Bille J.Intrastromalis ablations for refraktív corneal surgery using picosecond infrared laser pulses.Laser Light Ophthalmol.1993;5(3):149-155.
6. Gibson EA,Masihzadeh O,Lei TC,Ammar DA,Kahook MY.Multiphoton microscopy for ophthalmic imaging. J Ophthalmol.2011.doi:10.1155/2011/87079.
7. Zipfel WR,Williams RM,Webb WW.Nonlinear magic:multiphoton microscopy in the biosciences.Nat Biotechnol. 2003;21(11):1369-1377.
8. Helmchen F,Denk W.Deep tissue two photon microscopy.Nat Methods.2005;2(12):932-940.
9. Sacks ZS,Kurtz RM,Juhasz T,Spooner G,Mouroua GA.Subsurface photodisruption in human sclera:wavelength dependence.Ophthalmic Surg Lasers Imaging.2003.;34(2):104-113.
10. Chai D,Chaudhary G,Mikula E,Sun H,Kurtz R,Juhasz T.In vivo femtosecond laser subsurface scleral treatment in rabbit eyes.Lasers Surg Med.2010;42(7):647-651.
11. Plamann K,Aptel F,Arnold CL,et al.Ultrashort pulse laser surgery of the cornea and the sclera. J Optic. 2011;12(8).doi:10.1088/2040-8978/12/8/084002.
12. Hansen A,Ripken T,Krueger RR,Lubatschowski H.Lowering threshold energy for femtosecond laser pulse photodisruption through turbid media using adaptive optics.Paper presented at:Ophthalmic Technologies XXI;January 22,2011;San Francisco.
13. Krueger RR,Kuszak J,Lubatschowski H,Myers RI,Ripken T,Heisterkamp A.First safety study of femtosecond laser photodisruption in animal lenses:tissue morphology and cataractogenesis.J Cataract Refract Surg.2005.;31(12):2386-2394.
14. .Schumacher S,Oberheide U,Fromm M,et al.Femtosecond laser induced flexibility change of human donor lenses.Vision Res.2009;49(14):1853-1859.
15. Lubatschowski H,Schumacher S,Fromm M,et al.Femtosecond lentotomy:generating gliding planes inside the crystalline lens to regain accommodation ability.J Biophotonics.2010.;3(5-6):265-268.
16. Ding L,Knox WH,Bühren,Nagy LJ,Huxlin KR.Intratissue refraktív index shaping (IRIS) of the cornea and lens using a low-pulse-energy femtosecond laser oscillator.Invest Ophthalmol Vis Sci.2008.;49(12):5332-5339.
17. Bille JF.Generation and in situ modification of customized IOLs.Paper presented at:the ASCRS Symposium of Cataract,IOL and Refractive Surgery;March 28,2011;San Diego.
18. Kessel L,Eskildsen L,van der Poel M,Larsen M.Non-invasive bleaching of the human lens by femtosecond laser photolysis.PLoS ONE.2011.;5(3):e9711.
19. König K,Uchugonova A,Straub M,et al.Sub-100nm material processing with sub-15 femtosecond picojoule near infrared laser pulses.Paper presented at:Multiphoton Microscopy in the Biomedical Sciences XI;January 23,2011; San Francisco.