Rozwój fotodysrupcji i jej zastosowania w okulistyce można podzielić na etapy według czasu trwania szerokości impulsu używanego do wykonywania podpowierzchniowych zmian tkanek. Po raz pierwszy w latach 70. okuliści byli w stanie wykorzystać absorpcję nieliniową w leczeniu jaskry z otwartym kątem za pomocą lasera rubinowego Q-switch.1 Dekadę później chirurdzy zaczęli stosować ablację nieliniową za pomocą lasera Nd:YAG Q-switch do przecinania tylnej torebki soczewki krystalicznej po tylnym zmętnieniu torebki2,3 poprzez wywoływanie absorpcji wielofotonowej.

Mniej więcej w tym samym czasie dr Josef Bille i dr Stuart Brown odkryli, że mogą uzyskać wysoką intensywność przy znacznie niższych energiach impulsu poprzez skrócenie czasu trwania impulsu platformy laserowej, co prowadzi do większej precyzji w przetwarzaniu tkanek. Pod kierownictwem dr Tibora Juhasza, głównego naukowca, ten zespół w nowo powstałej firmie Intelligent Surgical Lasers opracował prototyp lasera, który działał przy długości fali 1,053 μm i emitował impulsy o czasie trwania kilkudziesięciu pikosekund i energii kilku milijuszy.4,5 Chociaż laser ten nie osiągnął zamierzonego celu – powtarzalnych ablacji śródkostnych – posłużył jako kamień milowy do zaprojektowania pierwszego lasera femtosekundowego.

Od czasu wprowadzenia lasera femtosekundowego IntraLase (obecnie Abbott Medical Optics Inc.) został wprowadzony do tworzenia płatków, na rynek trafiły cztery inne lasery femtosekundowe do chirurgii refrakcyjnej: Femtec (Technolas Perfect Vision), Femto LDV (Ziemer Ophthalmic Systems AG), FS200 (Alcon Laboratories, Inc.), oraz VisuMax (Carl Zeiss Meditec).

Oftalmiczne lasery femtosekundowe promują bezpieczną chirurgię i szybki czas gojenia, ponieważ mogą przetwarzać tkankę i inne materiały w obrębie trójwymiarowej objętości bez zmiany jej powierzchni. Sukces tej platformy w chirurgii refrakcyjnej, a ostatnio także w chirurgii zaćmy, opiera się na dwóch unikalnych cechach: (1) nieliniowym procesie absorpcji oraz (2) niezwykle wysokiej precyzji i niskich efektach ubocznych wynikających z niskiego poziomu energii potrzebnej do fotodysrupcji. Dzięki nieliniowemu procesowi absorpcji lasera, chirurg może przetwarzać tkankę w trzech wymiarach bez ograniczenia przez jakąkolwiek powierzchnię. (Różni się to od absorpcji liniowej, takiej jak w przypadku remodelingu rogówki laserem excimerowym, która zachodzi bezpośrednio na powierzchni absorbującej tkanki i jest określona przez długość fali oraz charakterystykę absorpcji tkanki). Lasery femtosekundowe mają wiele zastosowań okulistycznych, które omówiono poniżej.

UNIKALNE CECHY

Obrazowanie. Okulistyczne lasery femtosekundowe wykorzystują procedurę skanowania 3-D do cięcia tkanek. To samo trójwymiarowe dostarczanie wiązki używane do rozbijania tkanki może być również używane do obrazowania procesu cięcia przed, w trakcie i po operacji. Tkanka docelowa może być skanowana w celu obrazowania bez konieczności stosowania lusterek lub soczewek skanujących. Pierwsza generacja operacji zaćmy z użyciem lasera femtosekundowego wykorzystuje już tę unikalną cechę, przepuszczając wiązkę optycznej koherentnej tomografii (OCT) wzdłuż ścieżki wiązki laserowej w celu zobrazowania tkanki docelowej. Można to zrobić przed operacją, aby nawigować impulsami lasera.

Ta sama funkcja nie jest jeszcze wykorzystywana w laserach femtosekundowych do chirurgii refrakcyjnej rogówki, ale bez wątpienia zostanie wprowadzona, gdy technologia OCT stanie się bardziej przystępna. Obecnie tylko jedna platforma chirurgiczna lasera femtosekundowego do rogówki zawiera funkcję obrazowania, CorneaSurgeon (Rowiak GmbH), która przygotowuje tkankę dawcy rogówki do keratoplastyki.

Lasery femtosekundowe mogą być również wykorzystywane do obrazowania drugiej harmonicznej oraz obrazowania fluorescencji wielofotonowej w celu uzyskania obrazów o wysokiej rozdzielczości,6-8 z możliwością dostarczenia informacji na temat anatomii, jak również warunków metabolicznych tkanki.

Tkanka mętna. Mętna tkanka rogówki powoduje bardzo silne rozpraszanie. Na szczęście przy długich falach podczerwonych rozpraszanie jest bardzo małe, co umożliwia przetwarzanie zmętniałej tkanki na jej powierzchni, w głębszych warstwach, a nawet w sklerotycznej soczewce krystalicznej i tkance twardówkowej.9-11 W przyszłości okuliści mogą wykorzystać tę funkcję lasera femtosekundowego do leczenia jaskry za pomocą nowatorskich procedur chirurgicznych.

Szybkość przetwarzania. Obecnie, okulistyczne lasery femtosekundowe mogą dostarczać częstotliwości powtórzeń w zakresie kiloherców z wystarczająco wysokimi energiami impulsów. W przyszłości może być możliwe zastosowanie częstotliwości powtarzania dostaw lasera w zakresie megaherców, co jeszcze bardziej skróci czas leczenia.

NOWE ZASTOSOWANIA

Laserowa chirurgia zaćmy. Jest to najnowsze okulistyczne zastosowanie lasera femtosekundowego, a drogę na tej arenie przecierają cztery firmy: OptiMedica Corp. ze swoim laserem Catalys Precision; LensAR z platformą laserową LensAR; Alcon Laboratories, Inc. z platformą laserową LenSx; oraz Bausch + Lomb z urządzeniem Victus. Producent lasera Victus stwierdził, że laser ten ma możliwość wykonywania aplikacji refrakcyjnych zarówno w przypadku zaćmy, jak i rogówki.

Leczenie trakcyjnych przyczepów ciała szklistego. W niedalekiej przyszłości ultrakrótkie impulsy laserowe mogą zastąpić witrektomię tylną w leczeniu trakcyjnych przyczepów ciała szklistego. Ta nieinwazyjna strategia wymaga pewnego rozwoju zanim będzie możliwa, ponieważ impulsy laserowe dostarczane przez szklistkę ulegają zniekształceniu. Wymaga to większej energii, powodując akustyczne fale uderzeniowe i uszkodzenia termiczne. Jeśli jednak uda się z powodzeniem włączyć optykę adaptacyjną do dostarczania wiązki, te aberracje optyczne można wyeliminować, uzyskując w ten sposób dobrze zogniskowaną, wysoce rozdzielczą plamkę laserową (rysunek 1).12

Odwrócenie prezbiopii. Innym obiecującym zastosowaniem lasera femtosekundowego jest odwracanie prezbiopii poprzez przywracanie elastyczności soczewki krystalicznej. Istnieje nadzieja, że laser femtosekundowy może być używany do tworzenia mikrokanałów wewnątrz soczewki bez chirurgicznego otwierania oka (rysunek 2). Te mikrokanały mogłyby zmniejszyć wewnętrzne tarcie tkanki soczewki, działając jak płaszczyzny ślizgowe. Po wprowadzeniu do oczu królika te nacięcia laserowe nie powodowały wzrostu zaćmy ani zaburzeń gojenia się ran. 13-15 Po zastosowaniu do ludzkich oczu z autopsji zaobserwowano średni wzrost grubości przednio-tylnej soczewki o 100 μm, co odpowiada przyrostowi amplitudy akomodacyjnej o 2,00 do 3,00 D (rysunek 3).

Kształtowanie współczynnika załamania światła. Jeśli intensywność lasera femtosekundowego pozostaje tuż poniżej progu załamania optycznego, możliwe jest wytworzenie plazmy o niskiej gęstości, co pozwoli wolnym elektronom na interakcję z otaczającą tkanką. Te reakcje chemiczne mogą powodować niewielkie zmiany we współczynniku załamania światła ośrodków optycznych, a zjawisko to można wykorzystać do programowania soczewek dyfrakcyjnych w rogówce lub soczewce krystalicznej. W badaniach na zwierzętach wykazano, że kształtowanie współczynnika załamania światła jest stabilne przez kilka tygodni lub miesięcy;16 zasada ta może być również wykorzystana do dostosowania mocy soczewki wewnątrzgałkowej in situ.17

Sieciowanie kolagenu rogówki (CXL). Zastosowanie ultrakrótkich impulsów lasera do tylnej części rogówki lub do tkanki twardówkowej może być możliwe dzięki absorpcji dwufotonowej. Dlatego chirurdzy mogliby zastosować CXL do głębszych obszarów oka w celu uzyskania dalszych korzystnych efektów u pacjentów z keratoconus.

Odwrócenie zaćmy. Fotowybielanie, czyli wykorzystanie absorpcji wielofotonowej do fotochemicznego niszczenia absorbujących, fluorescencyjnych i rozpraszających agregatów białkowych wewnątrz jądra, może usunąć zażółcenie soczewki krystalicznej. W jednym z eksperymentów 18 ludzkich soczewek dawcy zostało poddanych działaniu femtosekundowego lasera impulsowego o długości fali 800 nm w podczerwieni. Po leczeniu badacze stwierdzili, że związane z wiekiem żółte przebarwienia soczewki zostały zredukowane, a transmisja światła wzrosła. Wreszcie, wykorzystując sterowanie koherentne, opartą na mechanice kwantowej metodę sterowania dynamicznymi procesami świetlnymi, można by selektywnie wybielić soczewkę krystaliczną.19

Podsumowanie

Wysoki poziom precyzji chirurgicznej jest możliwy dzięki laserom femtosekundowym, a okuliści już dobrze wykorzystali tę technologię, początkowo w chirurgii refrakcyjnej, a obecnie również w chirurgii zaćmy. Granice chirurgii siatkówki i jaskry nie są daleko w tyle.

TAKE-HOME MESSAGE

• Lasery femtosekundowe promują bezpieczną chirurgię i szybkie czasy gojenia, ponieważ mogą przetwarzać tkankę i inne materiały w trójwymiarowej objętości bez zmiany jej powierzchni.
• Użyteczne cechy laserów femtosekundowych obejmują możliwość obrazowania, długie fale podczerwone i wysokie współczynniki reptekcji.
• Potencjalne zastosowania obejmują laserową chirurgię zaćmy, leczenie trakcyjnych przyczepów ciała szklistego, odwracanie starczowzroczności, kształtowanie współczynnika refrakcji, CXL i odwracanie zaćmy.

Holger Lubatschowski, PhD, jest dyrektorem generalnym w Rowiak GmbH, Niemcy. Profesor Lubaschowski oświadcza, że ma interes finansowy w dziedzinie chirurgii wspomaganej laserem femtosekundowym i jest udziałowcem w Rowiak GmbH. Można się z nim skontaktować pod adresem 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.19806(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.Intrastromal usuwanie tkanki za pomocą podczerwonego pikosekundowego lasera okulistycznego Nd:YLF działającego przy długości fali 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 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 refractive 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.

.