De ontwikkeling van fotodisruptie en de toepassing ervan in de oogheelkunde kunnen worden ingedeeld in fasen naargelang de duur van de pulsbreedte die wordt gebruikt om onderhuidse weefselveranderingen uit te voeren. In de jaren 1970 konden oogartsen voor het eerst niet-lineaire absorptie gebruiken om open-hoekglaucoom te behandelen met een Q-switched robijnlaser.1 Een decennium later begonnen chirurgen niet-lineaire ablatie te gebruiken met een Q-switched Nd:YAG laser om het achterste kapsel van de kristallijne lens te snijden na posterieure kapselopacificatie2,3 door multiphotonabsorptie te induceren.

Omstreeks dezelfde tijd ontdekten Josef Bille, PhD, en Stuart Brown, MD, dat zij hoge intensiteit konden creëren bij aanzienlijk lagere pulsenergieën door de pulsduur van een laserplatform te verkorten, wat leidde tot grotere precisie bij het bewerken van weefsel. Met Tibor Juhasz, PhD, als Chief Scientist, ontwierp dit team van het startende bedrijf Intelligent Surgical Lasers een prototype van een laser die werkte bij een golflengte van 1,053 μm en pulsen uitzond met een duur van enkele tientallen picoseconden en een pulsenergie van enkele millijoules.4,5 Hoewel met deze laser het beoogde doel – reproduceerbare intrastromale ablaties – niet werd bereikt, diende hij als springplank voor het ontwerp van de eerste femtoseconde laser.

Sinds de IntraLase femtoseconde laser (nu Abbott Medical Optics Inc.) werd geïntroduceerd voor het maken van flapjes, zijn er vier andere refractieve chirurgische femtosecond lasers op de markt gekomen: de Femtec (Technolas Perfect Vision), de Femto LDV (Ziemer Ophthalmic Systems AG), de FS200 (Alcon Laboratories, Inc.), en de VisuMax (Carl Zeiss Meditec).

Oftalmologische femtosecond lasers bevorderen veilige chirurgie en snelle genezingstijden omdat zij weefsel en andere materialen binnen een 3-D volume kunnen bewerken zonder het oppervlak te veranderen. Het succes van dit platform in refractieve en, meer recent, cataractchirurgie is gebaseerd op twee unieke kenmerken: (1) het niet-lineaire absorptieproces en (2) extreem hoge precisie en lage neveneffecten als gevolg van het lage energieniveau dat nodig is voor fotodisruptie. Met het niet-lineaire absorptieproces van de laser kan de chirurg weefsel driedimensionaal bewerken zonder door een oppervlak te worden beperkt. (Dit verschilt van lineaire absorptie, zoals in excimer laser corneal remodeling, die direct aan de oppervlakte van het absorberende weefsel voorkomt en door de golflengte en de absorptiekenmerken van het weefsel wordt bepaald). Femtosecond lasers hebben vele oftalmologische toepassingen, die hieronder worden besproken.

UNIEKE KENMERKEN

Imaging. Oogheelkundige femtosecond lasers gebruiken een 3-D scanprocedure voor het snijden van weefsel. Dezelfde 3-D bundelafgifte die wordt gebruikt om weefsel te onderbreken, kan ook worden gebruikt om het snijproces voor, tijdens en na de operatie af te beelden. Het doelweefsel kan worden gescand voor beeldvorming zonder toevoeging van scannerspiegels of lenzen. De eerste generatie femtoseconde lasercataractchirurgie maakt reeds gebruik van deze unieke mogelijkheid door een optische coherentietomograaf (OCT) langs het pad van de laserstraal te laten gaan om het doelweefsel af te beelden. Dit kan vóór de operatie worden gedaan om de laserpulsen te navigeren.

Dezelfde functie wordt nog niet gebruikt in corneale refractieve chirurgie femtosecond lasers, maar het zal ongetwijfeld worden geïntroduceerd als OCT-technologie meer betaalbaar wordt. Momenteel heeft slechts één femtosecond laser cornea chirurgisch platform een beeldvormende functie, de CorneaSurgeon (Rowiak GmbH), die hoornvlies donorweefsel voorbereidt voor keratoplastie.

Femtosecond lasers kunnen ook worden gebruikt om tweede harmonische beeldvorming en multiphoton fluorescentiebeeldvorming uit te voeren om beelden met hoge resolutie te leveren,6-8 met de mogelijkheid om informatie te leveren over zowel de anatomie als de metabolische condities van het weefsel.

Turbide weefsel. Troebel hoornvliesweefsel induceert zeer sterke verstrooiing. Gelukkig, met lange infrarode golflengten, is de verstrooiing zeer laag, toestaand troebel weefsel om aan zijn oppervlakte, in diepere lagen, en zelfs in sclerotic kristallijne lenzen en scleral weefsel.9-11 In de toekomst, kunnen de oftalmologen deze functie van femtosecond laser gebruiken om glaucoom met nieuwe chirurgische procedures te behandelen.

Verwerkingssnelheden. Vandaag de dag kunnen oftalmologische femtoseconde lasers herhalingssnelheden in het kilohertzgebied leveren met voldoende hoge puls energieën. In de toekomst kan het mogelijk zijn om herhalingsfrequenties van laserafgifte in het megahertz bereik te gebruiken, waardoor de behandelingstijd nog verder wordt verkort.

NIEUWE TOEPASSINGEN

Laser cataractchirurgie. Dit is de nieuwste oftalmologische toepassing van de femtosecond laser, met vier bedrijven die de weg bereiden in deze arena: OptiMedica Corp., met zijn Catalys Precision Laser; LensAR, met het LensAR laserplatform; Alcon Laboratories, Inc., met zijn LenSx laserplatform; en Bausch + Lomb, met de Victus. De fabrikant van de Victus heeft verklaard dat de laser zowel cataract- als corneale refractieve toepassingen kan uitvoeren.

Behandeling van tractionele glasvochtaanhechtingen. In de nabije toekomst kunnen ultrakorte laserpulsen de vitrectomie achteraan vervangen voor de behandeling van tractionele glasvochtaanhechtingen. Deze niet-invasieve strategie vergt nog enige ontwikkeling, aangezien laserpulsen die door het glasvocht worden afgegeven, vervormd zijn. Dit vereist een hogere energie, waardoor akoestische schokgolven en thermische schade worden veroorzaakt. Indien echter met succes adaptieve optica in de bundelafgifte kan worden geïntegreerd, kunnen deze optische aberraties worden geëlimineerd, waardoor een goed gefocuste, sterk opgeloste laserspot wordt verkregen (figuur 1).12

Het omkeren van presbyopia. Een andere veelbelovende toepassing van de femtosecond laser is het omkeren van presbyopie door het herstellen van de flexibiliteit van de kristallijne lens. De hoop is dat de femtosecond laser kan worden gebruikt om microincisies in de lens te maken zonder het oog chirurgisch te openen (figuur 2). Deze microkanalen zouden de inwendige wrijving van het lensweefsel kunnen verminderen en zo als glijvlakken kunnen fungeren. Bij toediening aan konijnenogen veroorzaakten deze laserincisies geen cataractgroei of wondgenezingsafwijkingen. 13-15 Bij toepassing op menselijke autopsie-ogen werd een gemiddelde toename van 100 μm in de anteroposterior lensdikte gezien, wat overeenkomt met een 2,00 tot 3,00 D winst in accommoderende amplitude (figuur 3).

Refractieve index shaping. Als de intensiteit van de femtoseconde laser blijft net onder de drempel van optische afbraak, is het mogelijk om lage-dichtheid plasma, waardoor vrije elektronen om te interageren met het omliggende weefsel. Deze chemische reacties kunnen resulteren in kleine veranderingen in de brekingsindex van optische media, en dit fenomeen zou kunnen worden gebruikt om diffractieve lenzen in het hoornvlies of de kristallijne lens te programmeren. In dierstudies is aangetoond dat het veranderen van de brekingsindex enkele weken of maanden stabiel blijft;16 dit principe zou ook kunnen worden gebruikt om de sterkte van een IOL ter plaatse aan te passen.17

Corneale collageen crosslinking (CXL). Ultrakorte laserpulsen die op het achterste hoornvlies of op het sclerale weefsel worden toegepast, zijn wellicht mogelijk met behulp van tweefotonabsorptie. Daarom zouden chirurgen CXL kunnen toepassen op diepere delen van het oog voor verdere gunstige effecten bij patiënten met keratoconus.

Herstel van cataract. Fotoverbleking, oftewel het gebruik van multiphotonabsorptie om fotochemisch absorberende, fluorescerende en verstrooiende eiwitaggregaten in de kern te vernietigen, kan de vergeling van de kristallijne lens verwijderen. In een experiment werden 18 menselijke donorlenzen behandeld met een 800 nm infrarood femtoseconde gepulseerde laser. Na de behandeling stelden de onderzoekers vast dat de leeftijdsgebonden gele verkleuring van de lens was verminderd en de lichttransmissie was toegenomen. Met behulp van coherente controle, een op kwantummechanica gebaseerde methode voor het controleren van dynamische lichtprocessen, zou het tenslotte mogelijk kunnen zijn de kristallijne lens selectief te bleken.19

CONCLUSIE

Een hoge mate van chirurgische precisie is mogelijk met femtoseconde lasers, en oogartsen hebben al goed gebruik gemaakt van deze technologie, oorspronkelijk bij refractieve chirurgie en nu ook bij cataractchirurgie. De grenzen van de netvlies- en glaucoomchirurgie liggen niet ver achter.

TAKE-HOME MESSAGE

• Femtosecond lasers bevorderen veilige chirurgie en snelle genezingstijden omdat ze weefsel en andere materialen binnen een 3-D volume kunnen bewerken zonder het oppervlak te veranderen.
• Gebruikskenmerken van femtosecond lasers zijn onder meer beeldvormend vermogen, lange infrarode golflengten en hoge reptiesnelheden.
• Mogelijke toepassingen zijn onder meer lasercataractchirurgie, behandeling van tractionele glasvochtaanhechtingen, omkeren van presbyopie, vormgeven van refractie-index, CXL, en omkeren van cataract.

Holger Lubatschowski, PhD, is CEO bij Rowiak GmbH, Duitsland. Professor Lubaschowski verklaart dat hij een financieel belang heeft op het gebied van femtosecond laser geassisteerde chirurgie, en hij is een aandeelhouder in Rowiak GmbH. Hij is te bereiken via e-mail: [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 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 means of a Q-switched laser.Int Ophthalmol. 1981;3(3):129-139.
4. Remmel R,Dardenne C,Bille J.Intrastromale weefselverwijdering met behulp van een infrarode picoseconde Nd:YLF ooglaser werkend bij 1053 nm.Laser Light Ophthalmol.1992;4(3/4):169-173.
5. Niemz MH,Hoppeler TP,Juhasz T,Bille J.Intrastromal ablations for refractive 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 ofhthalmic 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.200334(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.201042(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.200531(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.20103(5-6):265-268.
16. Ding L,Knox WH,Bühren,Nagy LJ,Huxlin KR.Intratissue refractive index shaping (IRIS) of the cornea and lens using a low-pulse-energy femtosecond laser oscillator.Invest Ophthalmol Vis Sci.200849(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.20115(3):e9711.
19. König K,Uchugonova A,Straub M,et al.Sub-100nm materiaalverwerking met sub-15 femtoseconde picojoule nabij infrarood laserpulsen.Paper gepresenteerd op:Multiphoton Microscopy in the Biomedical Sciences XI;23 januari 2011; San Francisco.