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Brillouin – Um passo à frente na análise biomecânica da córnea

Autores do Artigo:

ANDRÉ LUÍS PICCININI

HONGYUAN ZHANG

GIULIANO SCARCELLI

J. BRADLEY RANDLEMAN

Edição da seção:

EMILIO A. TORRES-NETTO

 

Brillouin – Um passo à frente na análise biomecânica da córnea

A córnea tem uma das relações mais explícitas entre estrutura e função. Para que haja função adequada desse tecido, se faz necessária uma rigidez mecânica adequada para neutralizar tensões mecânicas externas e a pressão intraocular (PIO). Esforços crescentes têm sido feitos para usar as características biomecânicas dos tecidos oculares como instrumento diagnóstico devido à sua associação com inúmeras doenças oculares e erros refrativos.

Estudos demonstraram que em pacientes com ceratocone (KC) ocorre um desequilíbrio na produção de metaloproteinases e atividade reduzida da lysyl oxidase, induzindo fraqueza estrutural total do crosslinking do colágeno corneano. Além do KC, alterações na orientação das fibras de colágeno e redução da biomecânica têm sido verificadas nas córneas que desenvolveram ectasia pós-laser in situ keratomileusis (LASIK). A instabilidade mecânica da córnea tem o potencial de levar a protrusão progressiva da córnea e, em últimos casos, a redução significativa da acuidade visual.

A evolução tecnológica das medidas topográficas e tomográficas da córnea melhorou muito a capacidade de diagnóstico e tratamento do KC. No entanto, a avaliação morfológica não proporciona medidas diretas das características biomecânicas da córnea. Como consequência, essa avaliação limita a capacidade de predizer, por exemplo, suscetibilidade à progressão do KC ou ainda diagnosticar estágios subclínicos, antes do surgimento de alguma alteração morfológica, o que pode ter impacto direto na avaliação e segurança de pacientes candidatos a cirurgia refrativa. A diferenciação entre KC progressivo e não progressivo traz a necessidade de avaliações repetidas, com intervalos de meses, para monitorar progressão dos padrões morfológicos, o que aumenta o risco de resultados terapêuticos subótimos.

O desafio da identificação precoce dos casos propensos a progressão bem como diagnóstico de casos subclínicos de KC têm motivado cientistas a procurar outras abordagens diagnósticas. A maior parte do nosso conhecimento atual sobre as propriedades mecânicas da córnea tem se originado de estudos macroscópicos e destrutivos (ex-vivo), realizados com testes de tensãodeformação, rheometria dinâmica e outros exames mecânicos.

Recentemente, testes não invasivos têm sido utilizados para caracterização biomecânica da córnea. O Ocular Response Analyzer (ORA, Reichert Technologies Inc., EUA) e a tecnologia de imagem por Scheimpflug (Corvis ST, OCULUS, Alemanha) são aparelhos disponíveis que usam um disparo de jato de ar para induzir deformação da córnea em escala milimétrica para avaliar as propriedades mecânicas. Esses aparelhos têm identificado alterações biomecânicas em casos moderados a severos de KC, mas têm tido sucesso limitado em KC leve em função da sobreposição significativa de resultados com córneas normais. A deformação da córnea apresenta dependência estreita entre pressão intraocular (PIO) e geometria corneana, o que parece ser responsável pela sensibilidade e especificidade limitadas desse tipo de técnica. Second Harmonic Generation microscopy (GSH) e Optical Coherence Elastography são exemplos de outras técnicas promissoras em desenvolvimento.

A microscopia de Brillouin é uma tecnologia óptica desenvolvida para a avaliação biomecânica do tecido corneano com a capacidade de mapeamento em três dimensões com alta resolução espacial. Essa é uma técnica não invasiva e que não envolve deformação estrutural ou mecânica. Resumidamente, ela consiste de um microscópio confocal, um espectrômetro óptico de alta resolução e um laser “single mode”. A avaliação lateral e axial permite resolução de cerca de 1 e 8⌠m, respectivamente. A tecnologia é baseada na dispersão espontânea de luz de Brillouin, um fenômeno de dispersão inelástica onde fótons de luz são dispersos pelos phonons acústicos que ganham ou perdem energias durante a colisão inélastica. Quando a energia do fóton é determinada pela sua frequência, o resultado observado pode ser a mudança na frequência óptica. A magnitude da mudança na frequência se relaciona com a energia do phonon que é proporcional ao módulo longitudinal da elasticidade do tecido. Em resumo, a mudança da frequência óptica que foi induzida pelos phonons acústicos permite a determinação das propriedades elásticas (Figura 1).

Atualmente, a eficácia dessa tecnologia está sendo investigada na avaliação do impacto causado sobre a rigidez corneana focal em casos de ceratocone, criação do flap de LASIK e procedimento de crosslinking da córnea (CXL). A relação entre a microscopia de Brillouin e o Young’s modulus (avaliação padrão da tensão-deformação mecânica) já foi identificada e comprovada. Córneas saudáveis apresentam níveis mais altos de mudança de frequência na região anterior da córnea, diminuindo gradualmente na direção do endotélio. Lateralmente, a variação mostrou ser muito menor. Esses resultados correlacionam-se com testes mecânicos de tensão-deformação realizados.

Scarcelli et al. avaliaram as propriedades elásticas da córnea em olhos frescos de suínos com Brillouin e realizaram CXL com diferentes dosagens de luz e tempos de pré-submersão de riboflavina. Os resultados mostram que o desvio de frequência de Brillouin variou conforme a profundidade do estroma avaliado, indicando o estroma anterior como responsável pelo maior desvio de frequência e ainda uma proporção linear de desvio nas diferentes doses de luz aplicada nos grupos de estudo. Quando comparado com o procedimento de CXL com remoção do epitélio corneano (técnica epithelium-off), o grupo em que não foi feita a remoção do epitélio (técnica epithelium-on) apresentou um aumento de rigidez corneana de apenas um terço daquela observada na técnica epithelium-off.

Randleman et al. avaliaram as alterações biomecânicas em olhos suínos após a confecção do flap de LASIK seguido pela realização de CXL (técnica fast-CXL), usando como controle olhos não submetidos a nenhum dos procedimentos. Mesmo que a redução biomecânica depois da criação do flap de LASIK seja presumida, os dados existentes são limitados para comprovar ou quantificar essa alteração. Protocolos de fast-CXL em combinação com LASIK têm sido propostos para melhorar a integridade biomecânica. Se bem sucedido, esse processo poderá, teoricamente, reduzir a regressão refrativa e, potencialmente, reduzir a incidência de ectasia pós-operatória. Os resultados mostraram que após a criação do flap de LASIK, o desvio de frequência de Brillouin nas regiões anterior e central eram significativamente menores que o controle. Em seguida, mesmo o desvio de frequência de Brillouin sendo ligeiramente maior após o fast-CXL do que o observado após a realização do flap, não se verificou diferença estatisticamente significativa na resistência das córneas em nenhum nível.

Scarcelli et al. encontraram resultados interessantes quando as propriedades mecânicas do ceratocone foram comparadas com córneas humanas saudáveis em ex-vivo. Córneas com ceratocone mostraram uma média significativamente menor de desvio da frequência de Brillouin no estroma anterior (200⌠m) na área do cone. Entretanto, córneas com ceratocone apresentaram desvio de frequência nas regiões distantes do ápice do cone significativamente maior do que dentro da região do cone, mostrando uma mudança de frequência similar as de córneas saudáveis. Recentemente, Peng S. et al. apresentaram o primeiro estudo in vivo de larga escala usando a microscopia Brillouin para medir as propriedades elásticas da córnea em 200 sujeitos, incluindo olhos normais e olhos com KC. Os pacientes foram agrupados em quatro estágios de severidade. Para casos avançados, os mapas Brillouin mostraram valores de mudança de frequência consideravelmente baixos quando comparados com córneas saudáveis. As córneas estágio I de KC caracterizadas por anormalidades morfológicas leves exibiram mapas Brillouin muito mais uniformes com regiões de desvio de frequência menos proeminentes do que em casos avançados.

Enquanto que a redução da mudança de frequência é evidente para KC avançado, nenhuma redução significativa foi observada entre os estágios I-II de KC e córneas normais. Entretanto, córneas com KC apresentaram uma tendência em aumentar, de maneira linear, as mudanças de frequência quanto mais afastada do ápice do cone, incluindo os estágios I e II. Os autores também compararam a simetria entre olho esquerdo e direito nos valores centrais de Brillouin, pois observaram um alto nível de simetria entre os olhos dos sujeitos saudáveis.

Uma assimetria significativamente maior foi encontrada entre os olhos esquerdo e direito do grupo de pacientes com ceratocone, inclusive no estágio I, o que os levou a acreditar que a simetria bilateral pode ser uma medida promissora de diagnóstico nos estágios iniciais de KC. Quando avaliado o grupo de olhos com ceratocone submetidos ao protocolo standard de CXL, os autores não encontraram diferença significativa entre a análise destes olhos com o grupo de olhos saudáveis, sugerindo que o grau de crosslinking induzido pelo protocolo standard é tamanho, que a rigidez corneana induzida é semelhante aos níveis de rigidez de córneas saudáveis.

Os estudos clínicos mais recentes realizados usando a microscopia Brillouin são animadores. Essa tecnologia tem demonstrado precisão para detectar as diferenças biomecânicas entre as córneas saudáveis e córneas com ceratocone, capacidade de monitorar e determinar o impacto biomecânico de procedimentos como CXL e cirurgias refrativas, disponibilizando ainda mapas de alta resolução espacial. Transformar o Brillouin em um aparelho portátil, acelerar a aquisição das medidas, aumentar sua sensibilidade, facilitar o seu manuseio por não especialistas e diminuir o custo do instrumento são pontos cruciais para o uso difundido desta promissora tecnologia.

 


Figura 1: Mapas Brillouin de olho de coelho ex-vivo. A: Desvio de frequência do olho virgem de coelho ex-vivo. B: Desvio de frequência do mesmo olho de coelho após o crosslinking da córnea (protocolo standard). A escala de cor mostra uma mudança maior após o procedimento de crosslinking, o que representa aumento da rigidez da córnea. Cortesia de Hongyuan Zhang, PhD – USC Roski Eye Institute.