傳統(tǒng)上一般用長波紫外線照射核黃素誘導角膜基質的交聯(lián)和固化,來治療圓錐角膜和LASIK術后擴張導致的發(fā)展性嚴重散光。這種膠原交聯(lián)能夠增強藍色膠原自發(fā)熒光,并增強角膜的機械硬度,研究表明UVA交聯(lián)技術可以阻止或逆轉一些角膜病變。

UVA交聯(lián)有如下缺點:

(1)UVA照射和氧自由基的產生具有細胞毒性,角膜厚度不足400 μm的患者不能接受標準治療。

(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,基質及核黃素對UVA的吸收降低角膜深處的交聯(lián)效率。

(4)長時間的核黃素激發(fā)也會導致光漂白以及核黃素激發(fā)和膠原交聯(lián)反應的喪失。

使用近紅外光進行核黃素的雙光子激發(fā)可以很好地規(guī)避這些缺點。第一篇文章中的裝置圖如圖1所示。波長為760nm的飛秒激光經由一個可變擴束器,從而調節(jié)系統(tǒng)的有效NA并控制焦體積的大小。之后經由xy掃描鏡后再通過第二個固定光束展寬器在光束到達物鏡的后孔徑之前再次擴束。深度掃描是由物鏡上電腦控制的馬達驅動實現。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 可變數值孔徑的多光子光學交聯(lián)系統(tǒng)

實驗中,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)域經由不同參數下的激光激發(fā)。擴束器設置對于焦體積大小和軸向長度都有很大影響:擴束器能產生大于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光交聯(lián)對角膜的強化作用。與對照組比較,紫外光角膜交聯(lián)及非線性角膜交聯(lián)的機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)膠原熒光強度沒有很大差異,可以認為兩種交聯(lián)技術都能產生很好的屈光矯正效果。

圖2 NLO-CXL,UVA-CXL及對照組的實驗結果對此

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,該課題組對系統(tǒng)進行了改進,使用1030nm種子源,經非線性光參量放大器轉換為波長為760nm的飛秒脈沖,其重復頻率在50-150kHz,實驗裝置如圖3。

圖3 改進后的實驗裝置

實驗中,在離體及活體兔角膜上的非線性角膜交聯(lián)術都獲得了接近紫外光角膜交聯(lián)術的效果。臨床中發(fā)現手術48小時后的角膜沒有發(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)域內有細胞遷移。同時短期組成像還發(fā)現治療組眼上皮明顯增厚,基質厚度不變,霧度有所增加。圖4D為兩周后膠原自發(fā)熒光測量結果,為一個皮下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)現治療區(qū)域都出現了角膜基質細胞,與UVA治療的樣品有差異。

圖4 改進后系統(tǒng)的實驗結果

總之這兩篇文章驗證了在合適的參數下,非線性角膜交聯(lián)術可以產生與紫外角膜交聯(lián)術相媲的角膜交聯(lián)效果,可以增強角膜強度,進行屈光矯正。兔角膜活體實驗也表明非線性角膜交聯(lián)術具有潛在的臨床應用價值,可用于進行個性化交聯(lián)來治療屈光不正和圓錐形角膜。

參考文獻:

[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．