Keratokonus: Biomechanik ex vivo

Zusammenfassung

Hintergrund Der Keratokonus geht mit einer Veränderung der kornealen Biomechanik einher. Mittels Nanoindentation kann eine ortsaufgelöste Charakterisierung biomechanischer Eigenschaften an humanem Hornhautgewebe erfolgen. Ziel der Studie ist die Erfassung der biomechanischen Eigenschaften von Hornhäuten mit Keratokonus im Vergleich zu einer gesunden Kontrollgruppe mit Spendergewebe, das nicht zur Transplantation geeignet ist.

Methoden 17 Gewebeexplantate von Patienten mit Keratokonus und 10 gesunde, nicht für Transplantationszwecke geeignete Hornhäute wurden in die Studie eingeschlossen. Alle Proben wurden für mindestens 24 h in Kulturmedium mit 15% Dextran äquilibriert. Anschließend erfolgte die Nanoindentation bis in eine Tiefe von 25 µm bei einer Kraftzunahme von 300 µN/min.

Ergebnisse Insgesamt wurden 2328 ortsaufgelöste einzelne Nanoindentationsmessungen durchgeführt. In der Keratokonusgruppe (1802 Indentationen) lag das mittlere Elastizitätsmodul bei 23,2 kPa (± 15,0 kPa). In der Kontrollgruppe (526 Indentationen) lag das mittlere Elastizitätsmodul bei 48,7 kPa (± 20,5 kPa). Im Wilcoxon-Test zeigte sich der Unterschied als statistisch signifikant.

Schlussfolgerung Mittels Nanoindentation konnte ex vivo bei Hornhäuten mit Keratokonus im Vergleich zu Hornhäuten ohne Keratokonus ein signifikant geringeres und damit weicheres Elastizitätsmodul gefunden werden. Diese Ergebnisse sind eine Basis für die Initiierung weiterer Studien, um ein besseres Verständnis über die pathologisch veränderte korneale Biomechanik bei Keratokonus zu entwickeln.

Abstract

Background Keratoconus is associated with an impairment in corneal biomechanics. Using nanoindentation, spatially resolved measurement of biomechanical properties can be performed on corneal tissue. The aim of this study is to assess the biomechanical properties of corneas with keratoconus in comparison to healthy controls.

Methods 17 corneas with keratoconus and 10 healthy corneas unsuitable for transplantation were included in the study. After explantation, corneas were kept in culture medium containing 15% dextran for at least 24 h. Nanoindentation was then performed to a depth of 25 µm at a force increase of 300 µN/min.

Results A total of 2328 individual indentations were performed for this study. In the keratoconus group; the mean modulus of elasticity was 23.2 kPa (± 15.0 kPa) for a total of 1802 indentations. In the control group, the mean modulus of elasticity was 48.7 kPa (± 20.5 kPa) with a total of 526 indentations. The Wilcoxon test showed that the differences were statistically significant.

Conclusion Using nanoindentation, a significantly lower elastic modulus was found in corneas with keratoconus compared to corneas without keratoconus. Further studies are needed to gain a better understanding of how keratoconus affects corneal biomechanics.

Fazit

Bereits bekannt:

• Der Keratokonus geht mit einer Veränderung der kornealen Biomechanik einher.

• Ziel der Studie ist die Erfassung der biomechanischen Eigenschaften von Hornhäuten mit Keratokonus im Vergleich zu einer gesunden Kontrollgruppe mittels Nanoindentation.

Neu beschrieben:

• Die Daten dieser Studie zeigen, dass das Elastizitätsmodul bei Hornhäuten mit Keratokonus insgesamt geringer ist als bei gesunden Hornhäuten.

Schlüsselwörter

Keratokonus - Biomechanik - Elastizität - Nanoindentation

Key words

keratoconus - biomechanics - elasticity - nanoindentation

Publication History

Received: 30 November 2022

Accepted: 13 March 2023

Article published online:
05 May 2023

• Literatur

• 1 Ertan A, Muftuoglu O. Keratoconus clinical findings according to different age and gender groups. Cornea 2008; 27: 1109-1113
• 2 Buzzonetti L, Bohringer D, Liskova P. et al. Keratoconus in Children: A Literature Review. Cornea 2020; 39: 1592-1598
• 3 Saunier V, Mercier AE, Gaboriau T. et al. Vision-related quality of life and dependency in French keratoconus patients: Impact study. J Cataract Refract Surg 2017; 43: 1582-1590
• 4 Downie LE, Lindsay RG. Contact lens management of keratoconus. Clin Exp Optom 2015; 98: 299-311
• 5 Lang SJ, Reinhard T. [Crosslinking in Keratoconus]. Klin Monbl Augenheilkd 2016; 233: 713-716
• 6 Lang SJ, Bischoff M, Böhringer D. et al. Analysis of the changes in keratoplasty indications and preferred techniques. PLoS One 2014; 9: e112696
• 7 Spoerl E, Huhle M, Seiler T. Induction of cross-links in corneal tissue. Exp Eye Res 1998; 66: 97-103
• 8 Wollensak G, Wilsch M, Spoerl E. et al. Collagen fiber diameter in the rabbit cornea after collagen crosslinking by riboflavin/UVA. Cornea 2004; 23: 503-507
• 9 Wollensak G, Spoerl E, Seiler T. Riboflavin/ultraviolet-a-induced collagen crosslinking for the treatment of keratoconus. Am J Ophthalmol 2003; 135: 620-627
• 10 Wittig-Silva C, Chan E, Islam FMA. et al. A randomized, controlled trial of corneal collagen cross-linking in progressive keratoconus: three-year results. Ophthalmology 2014; 121: 812-821
• 11 Lang SJ, Messmer EM, Geerling G. et al. Prospective, randomized, double-blind trial to investigate the efficacy and safety of corneal cross-linking to halt the progression of keratoconus. BMC Ophthalmol 2015; 15: 78
• 12 Sharma N, Suri K, Sehra SV. et al. Collagen cross-linking in keratoconus in Asian eyes: visual, refractive and confocal microscopy outcomes in a prospective randomized controlled trial. Int Ophthalmol 2015; 35: 827-832
• 13 Hersh PS, Stulting RD, Muller D. et al. United States Multicenter Clinical Trial of Corneal Collagen Crosslinking for Keratoconus Treatment. Ophthalmology 2017; 124: 1259-1270
• 14 Flockerzi E, Vinciguerra R, Belin MW. et al. Correlation of the Corvis Biomechanical Factor with tomographic parameters in keratoconus. J Cataract Refract Surg 2022; 48: 215-221
• 15 Andreassen TT, Simonsen AH, Oxlund H. Biomechanical properties of keratoconus and normal corneas. Exp Eye Res 1980; 31: 435-441
• 16 Zhao Y, Yang H, Li Y. et al. Quantitative Assessment of Biomechanical Properties of the Human Keratoconus Cornea Using Acoustic Radiation Force Optical Coherence Elastography. Transl Vis Sci Technol 2022; 11: 4
• 17 Shao P, Eltony AM, Seiler TG. et al. Spatially-resolved Brillouin spectroscopy reveals biomechanical abnormalities in mild to advanced keratoconus in vivo. Sci Rep 2019; 9: 7467
• 18 Seiler TG, Shao P, Eltony A. et al. Brillouin Spectroscopy of Normal and Keratoconus Corneas. Am J Ophthalmol 2019; 202: 118-125
• 19 Swain MV, Nohava J, Eberwein P. A simple basis for determination of the modulus and hydraulic conductivity of human ocular surface using nano-indentation. Acta Biomater 2017; 50: 312-321
• 20 Nohava J, Swain M, Lang SJ. et al. Instrumented indentation for determination of mechanical properties of human cornea after ultraviolet-A crosslinking. J Biomed Mater Res A 2018; 106: 1413-1420
• 21 Mikula ER, Jester JV, Juhasz T. Measurement of an Elasticity Map in the Human Cornea. Invest Ophthalmol Vis Sci 2016; 57: 3282-3286
• 22 Mikula E, Winkler M, Juhasz T. et al. Axial mechanical and structural characterization of keratoconus corneas. Exp Eye Res 2018; 175: 14-19
• 23 Gatzioufas Z, Seitz B. [New aspects on biomechanics of the cornea in keratoconus]. Ophthalmologe 2013; 110: 810 812–817
• 24 Knox Cartwright NE, Tyrer JR, Marshall J. Age-related differences in the elasticity of the human cornea. Invest Ophthalmol Vis Sci 2011; 52: 4324-4329
• 25 El Massry AAK, Said AA, Osman IM. et al. Corneal biomechanics in different age groups. Int Ophthalmol 2020; 40: 967-974
• 26 Alenezi B, Kazaili A, Akhtar R. et al. Corneal biomechanical properties following corneal cross-linking: Does age have an effect?. Exp Eye Res 2022; 214: 108839