Ceratocone, crosslinking e fatores moduladores da biomecânica da córnea
| dc.audience.educationlevel | Doutorado | |
| dc.contributor.advisor | Gomes, Jose Alvaro Pereira [UNIFESP] | |
| dc.contributor.author | Torres Netto, Emilio De Almeida [UNIFESP] | |
| dc.contributor.institution | Universidade Federal de São Paulo | pt |
| dc.date.accessioned | 2023-06-27T12:35:19Z | |
| dc.date.available | 2023-06-27T12:35:19Z | |
| dc.date.issued | 2021 | |
| dc.description.abstract | Objectives This thesis aims to present new perspectives involving the corneal biomechanical properties and to optimize the application of corneal crosslinking (CXL) in the treatment of keratoconus (KC). Secondary objectives are: 1. Estimate the prevalence of keratoconus in a pediatric population; 2. Establish mechanical forces that patients with keratoconus apply to their eyelids during the act of eye rubbing; 3. Describe the first association of late keratoconus progression after estrogen regulator therapy; 4. Compare high-order aberrations in keratoconus eyes using the Scheimpflug and double Scheimpflug Placido systems; 5. Assess the biomechanical characteristics of the human cornea and study the role of the Bowman layer with optical coherence elastography; 6. Study whether the Bowman's layer contributes to the biomechanical properties of the cornea clinically; 7. Estimate the biomechanical impact of transepithelial CXL assisted by iontophoresis (I-CXL); 8. Emphasize the importance of CXL modulating factors, especially of transepithelial protocols; 9. Compare functional results of CXL using standard, accelerated treatment and with increased fluency; 10. Develop and evaluate an unprecedented CXL algorithm to treat ultra-thin corneas; 11. Investigate target genes and identify molecular pathways that may be related to biomechanical stability after CXL. Methods The corresponding methodology for each study follows. 1. Prospective, crosssectional, observational and multicenter study, which collected data from pediatric patients from 6 to 21 years of age, using a Scheimpflug rotational corneal tomography system in order to estimate KC prevalence in Saudi Arabia; 2. Fifty-five patients with a clinical and topographic diagnosis of KC were prospectively asked to perform their individual eye rubbing movement on a high-precision scale. The type of rubbing movement and the applied force, represented in newtons (N), were recorded and analyzed. 3. Describe the first case of late keratoconus progression in a 49-year-old woman after the use of tibolone estrogen activity regulator. 4. Keratoconus patients were evaluated sequentially by Scheimpflug and dual Scheimpflug–Placido devices. Differences, correlations, and agreement between values for high order aberrations (HOAs) were analyzed. 5. Human corneal donor buttons were obtained, and Descemet’s membrane and endothelium were removed. In some corneas, Bowman’s layer was ablated by a 20 μm stromal excimer laser ablation. A spectral-domain optical coherence tomography scan was obtained, and displacements were analyzed by optical flow tracking. 6. Human corneas were obtained after endothelial removal for Descemet's membrane endothelial keratoplasty (DMEK). In some corneas, the Bowman layer was removed by a 20 μm excimer laser ablation. A 110 μm thick anterior lamella was obtained and then biomechanical properties were analyzed by twodimensional stress-strain extensometry. 7. One hundred and twelve porcine corneas were divided into 7 groups and analyzed: groups 1, 2 and 3 received standard CXL with epithelial removal (S-CXL) and 30 minutes of irradiation with ultraviolet A (UV-A) at 3mW/cm2, 10 minutes at 9mW/cm2, or were not irradiated (controls). Groups 4, 5, 6 and 7 received I-CXL for 60 minutes at 1.5mW/cm2, 30 minutes at 3mW/cm2, 10 minutes at 9mW/cm2 or were not irradiated (controls). Biomechanical properties were analyzed by one-dimensional stress-strain extensometry. 8. Review and clarification on the estimated efficiency of crosslinking procedures, especially during transepithelial protocols. 9. CXL was performed using three protocols with epithelial removal: Dresden (3mW/cm2 for 30 minutes), accelerated with equivalent total fluence (9mW/cm2 for 10 minutes) and accelerated with increased total fluence (30mW/cm2 for 4 minutes). Efficacy measurements were evaluated 12 months after treatment with Scheimpflug images and included changes in maximum keratometry (Kmax), better corrected distance visual acuity (BCVA), other keratometry, pachymetry, keratoconus indexes, astigmatism, asphericity, refraction and high-order aberrations. 10. 52 eyes with progressive keratoconus and stromal thickness below 400 µm were included. With the ‘sub400’ algorithm developed to treat ultra-thin corneas by adapting fluence individually, corneas were treated without alternative corneal thickening solutions. The study evaluated the efficiency of the new treatment in halting the progression of keratoconus up to 12 months after treatment. 11. Fifteen corneas from eight rabbits were analyzed with corneal transcriptome by cDNA sequencing (RNA-seq) before and after treatment with CXL Results The results are presented in the same order. 1. Five hundred and twenty two patients (1044 eyes) in Saudi Arabia, with a mean age of 16.8 ± 4.2 years, were evaluated. The diagnostic agreement between examiners was 0.81 (almost perfect, according to Cohen kappa coefficient), with a discrepancy in only nine cases. Final KC prevalence of 4.79% (95% CI 2.96 to 6.62) or 1:21 individuals. 2. Three different types of rubbing eyes were detected. Eye rubbing with the fingertip was more frequent (51%), followed by eye rubbing with the knuckle (44%) and with the fingernail (6%). Average applied forces were different: knuckle type eye rubbing applied significantly more force (9.6 ± 6.3N) to the eyelids than with the fingertips (4.3 ± 3.1N) or fingernail (2 , 6 ± 3.3N) (p <0.001 and p = 0.016, respectively). 3. Excessive and late bilateral progression of keratoconus occurred in previously stable eyes in a 49-year-old patient after therapy with selective regulator of tissue estrogenic activity (STEAR). 4. Fifty eyes from 50 patients were evaluated. Trefoil, spherical aberration, and total RMS were significantly different between groups (P < .05). 5. Vertical corneal strain distribution was negative in the anterior and positive in the posterior cornea, indicating simultaneous corneal compression and expansion, respectively. Bowman’s layer caused minor localized differences in corneal strain distribution. 6. No significant differences were observed between the flaps with or without the Bowman layer in the elastic module, neither during preconditioning (874±70 vs 937±106 kPa, p=0.086), nor in destructive tests until rupture (1.03±0.14 vs 1.17±0.14 MPa, p=0.080). 7. In groups I-CXL, only irradiation of 1.5 mW/cm2 for 60 minutes (group 4) showed a significant biomechanical stiffening effect. All S-CXL groups provided a significantly greater effect than I-CXL. 8. In addition to riboflavin and UV-A light, oxygen is the third and fundamental element for crosslinking, and must be taken into account specially in transepithelial procedures. 9. The Dresden Protocol achieved greater changes in the surface variance index (IVS), vertical asymmetry index (IVA), keratoconus index (KI) and regularization index compared to other treatment protocols. There were no other differences between the protocols. 10. New algorithm ‘sub400’ for performing individualized CXL halted keratoconus progression in 90% of the evaluated eyes. No eye showed signs of endothelial decompensation. No significant changes were found for BCVA (p=0.868), sphere (p=0.951) or cylinder (p=0.878). 11. A total of 297 differentially transcribed genes were identified after treatment with CXL. In 9.1% of the significantly different genes, the standard CXL induced a more distinct change in gene transcription than accelerated protocols, which induced a lower biomechanical stiffening effect. Conclusions Finally, here are described the conclusions reached in each of the proposed objectives. 1. The prevalence of KC in the pediatric population in Saudi Arabia is considerably higher than reported in previous studies and in similar studies in other countries; 2. There is great variation in the force exerted on the eyelids, depending on the type of movement when rubbing the eyes. Such data are prerequisites for the development of experimental models of eye rubbing; 3. Patients being treated with STEAR must be monitored closely for changes in the cornea. 4. Significant differences were found between measurements of corneal HOAs generated by Scheimpflug and dual Scheimpflug–Placido devices in patients with keratoconus, and measurements from these devices should not be considered equivalent. 5. Corneal strain distribution are more complex than previously assumed, with a fundamental difference in mechanical response between the anterior and posterior stroma. Clinically, OCE technology might be used to monitor the progression of corneal ectatic diseases and to determine the success of corneal cross-linking. 6. The presence or absence of the Bowman layer did not alter the stiffness of a 110μm corneal lamella. Results may have implications for refractive laser surgery procedures, but also for the new Bowman layer transplantation technique for keratoconus treatment. 7. The biomechanical effect of ICXL increased significantly using low irradiance and long UV-A irradiation. The diffusion of oxygen, therefore, represents a limiting factor, even when the penetration of riboflavin is improved via iontophoresis. 8. Stromal riboflavin concentration is not the only modulating factor in CXL. The epithelium serves not only as a barrier for riboflavin penetration but also as a barrier for oxygen diffusion. Epithelial oxygen consumption is approximately 10 times higher than stromal oxygen consumption; thus, oxygen availability might affect the efficacy of CXL in techniques that are claimed to preserve the epithelium, such as I-CXL. 9. All three protocols showed improvements in Kmax, BCVA and other variables, with similar functional results despite the biggest change in keratoconus indexes after the Dresden protocol. 10. Individualized CXL using the ‘sub400’ protocol halted the progression of keratoconus in ultra-thin corneas in 90% of cases. Although failure rate might be higher than standard CXL, treatment with corneas as thin as 215 µm for the first time is possible. 11. Several target genes have been identified that may be related to biomechanical stability and corneal shape. Understanding the molecular mechanisms after CXL will allow an optimization and individualization of clinical treatment. | en |
| dc.description.abstract | Objetivos Esta tese tem como objetivo apresentar novas perspectivas envolvendo as propriedades biomecânicas da córnea e otimizar a aplicação do crosslinking (CXL) de córnea no tratamento do ceratocone (KC). Como objetivos secundários, procurou-se: 1. Estimar prevalência do ceratocone em uma população pediátrica; 2. Estabelecer forças mecânicas que pacientes com ceratocone aplicam às suas pálpebras durante o ato de coçar/esfregar os olhos; 3. Descrever a primeira associação de progressão tardia de ceratocone após terapia com regulador estrogênico; 4. Comparar aberrações de ordem alta ordem em olhos com ceratocone usando os sistemas de Scheimpflug e duplo Scheimpflug associado a Plácido; 5. Avaliar as características biomecânicas da córnea humana e estudar o papel da camada de Bowman com elastografia de coerência óptica; 6. Estudar se a camada de Bowman contribui para propriedades biomecânicas da córnea de maneira clinicamente significativa; 7. Estimar o impacto biomecânico do CXL transepitelial assistido por iontoforese (I-CXL); 8. Ressaltar a importância dos fatores moduladores do CXL, especialmente dos protocolos transepiteliais; 9. Comparar resultados funcionais do CXL utilizando tratamento padrão, acelerado e com fluência aumentada; 10. Desenvolver e avaliar inédito algoritmo de CXL para tratar córneas ultrafinas; 11. Investigar genes-alvo e identificar vias moleculares que possam estar relacionadas à estabilidade biomecânica após CXL. Métodos A seguir, metodologia correspondente de cada estudo. 1. Estudo prospectivo, observacional e multicêntrico, que coletou dados de pacientes pediátricos utilizando um sistema de tomografia rotacional Scheimpflug; 2. Pacientes com diagnóstico clínico e topográfico de KC foram solicitados prospectivamente a executar seu movimento individual de fricção ocular em uma balança de alta precisão. O tipo de movimento e a força aplicada, representada em newtons (N), foram registrados e analisados. 3. Descrever associação de progressão tardia do ceratocone após início do tratamento para endometriose usando regulador de atividade do estrogênio com tibolona. 4. Pacientes com ceratocone foram avaliados sequencialmente pelos dispositivos Scheimpflug e duplo Scheimpflug–Plácido. Foram analisadas diferenças, correlações e concordância entre aberrações de alta ordem (HOAs). 5. Botões de doadores de córnea humana tiveram a membrana de Descemet e o endotélio removidos. Em algumas córneas, a camada de Bowman foi removida por uma ablação a excimer laser 20 μm. Tomografia de coerência óptica foi realizada e os deslocamentos foram analisados por rastreamento óptico de fluxo (Elastografia de coerência óptica quase-estática (OCE)). 6. Córneas humanas obtidas após remoção endotelial para ceratoplastia endotelial de membrana de Descemet (DMEK). Em algumas córneas, a camada de Bowman foi removida por uma ablação a excimer laser 20 μm. Uma lamela anterior de 110 μm de espessura foi obtida e em seguida, propriedades biomecânicas foram analisadas por extensometria de tensãodeformação bidimensional. 7. Córneas porcinas foram divididas em 7 grupos e analisadas: os grupos 1, 2 e 3 receberam CXL padrão com remoção epitelial (S-CXL) e 30 minutos de irradiação com UV-A a 3mW/cm2, 10 minutos a 9mW/cm2, ou não foram irradiados (controles). Os grupos 4, 5, 6 e 7 receberam I-CXL por 60 minutos a 1,5mW/cm2, 30 minutos a 3mW/cm2, 10 minutos a 9 mW/cm2 ou não foram irradiados (controles). Propriedades biomecânicas foram analisadas por extensometria de tensão-deformação unidimensional. 8. Revisão e esclarecimentos sobre a eficiência estimada dos procedimentos de crosslinking, principalmente durante protocolos de CXL transepiteliais. 9. CXL foi realizado usando três protocolos com remoção epitelial: Dresden (3mW/cm2 por 30 minutos), acelerado com fluência total equivalente (9mW/cm2 por 10 minutos) e acelerado com aumento da fluência total (30mW/cm2 por 4 minutos). Medições de eficácia foram avaliadas 12 meses após o tratamento com imagens de Scheimpflug e dados clínicos. 10. Foram incluídos olhos com ceratocone e espessuras estromais inferiores a 400 µm. Com o algoritmo ‘sub400’, córneas ultrafinas foram tratadas com CXL individualizado usando adaptação da fluência de UV-A individualizada. O estudo avaliou eficiência do novo tratamento em interromper a progressão do ceratocone. 11. Córneas de coelhos foram analisadas com transcriptoma da córnea através do sequenciamento de cDNA (RNA-seq) antes ou após tratamentos diversos de CXL. Os resultados são apresentados na mesma ordem. 1. Foram avaliados 522 pacientes (1044 olhos) na Arábia Saudita, com idade média de 16,8 ± 4,2 anos. A concordância de diagnostico entre examinadores foi de 0,81 (quase perfeita, de acordo com coeficiente de kappa Cohen), com discrepância em apenas nove casos. Prevalência final de KC de 4,79% (IC95% 2,96 a 6,62) ou 1:21 indivíduos. 2. Três tipos diferentes de esfregar os olhos foram detectados. A fricção com a ponta do dedo foi mais frequente (51%), seguida da fricção com a epífise da articulação interfalangeana proximal (44%) e fricção com a unha (6%). Forças médias aplicadas foram diferentes: fricção com a articulação (saliência óssea) dos dedos aplicou significativamente mais força (9,6 ± 6,3N) nas pálpebras do que com ponta dos dedos (4,3 ± 3,1N) ou unha (2,6 ± 3,3N) (p <0,001 e p = 0,016, respectivamente). 3. Progressão bilateral excessiva e tardia do ceratocone ocorreu em olhos previamente estáveis em paciente de 49 anos de idade após terapia com regulador seletivo da atividade estrogênica tecidual (STEAR). 4. Cinqüenta olhos de 50 pacientes foram avaliados. Trefoil, aberração esférica e RMS total foram significativamente diferentes entre os grupos (P <0,05). 5. A distribuição vertical da tensão da córnea foi negativa na córnea anterior e positiva na córnea posterior, indicando compressão e expansão simultânea da córnea, respectivamente. A camada de Bowman causou pequenas diferenças localizadas na distribuição da tensão da córnea. 6. Não foram observadas diferenças significativas entre os flaps com ou sem a camada de Bowman no módulo elástico, nem durante o pré-condicionamento (874±70 vs 937±106 kPa, p=0.086), nem em testes destrutivos até a ruptura (1.03±0.14 vs 1.17±0.14 MPa, p=0.080). 7. Nos grupos I-CXL, apenas irradiação de 1,5 mW/cm2 por 60 minutos (grupo 4) mostrou um efeito de enrijecimento biomecânico significativo. Todos os grupos S-CXL proporcionaram um efeito significativamente maior que o I-CXL. 8. Além da riboflavina e luz UV-A, oxigênio é o terceiro e fundamental elemento para a realização de crosslinking, e deve ser levado em conta em procedimentos transepiteliais. 9. O Protocolo Dresden atingiu maiores mudanças no índice de variância da superfície (IVS), índice de assimetria vertical (IVA), índice de ceratocone (KI) e índice de regularização em comparação com demais protocolos de tratamento. Não houveram outras diferenças entre os protocolos. 10. Novo algoritmo para realização de CXL individualizado ‘sub400’ interrompeu progressão do ceratocone em 90% dos olhos avaliados Nenhum olho mostrou sinais de descompensação endotelial e não foram encontradas alterações significativas de CDVA ou dados refracionais. 11. Um total de 297 genes transcritos diferencialmente foram identificados após o tratamento com CXL. Em 9,1% dos genes significativamente diferentes, o CXL padrão induziu uma alteração mais distinta na transcrição de genes do que os protocolos acelerados. Conclusões Em seguida, conclusões alcançadas em cada um dos objetivos propostos. 1. A prevalência de KC em população pediátrica é consideravelmente superior a números relatados em estudos anteriores e em estudos similares em outros países. 2. Existe grande variação na força exercida nas pálpebras, dependendo do tipo de movimento ao esfregar os olhos. Tais dados são pré-requisitos para o desenvolvimento de modelos experimentais de fricção ocular. 3. Pacientes em tratamento com STEAR devem ser monitorados de perto quanto a alterações na córnea. 4. Diferenças significativas foram encontradas entre as medidas de HOAs encontradas pelo dispositivo Scheimpflug e duplo Scheimpflug–Plácido em pacientes com ceratocone e as medições desses dispositivos não devem ser consideradas equivalentes. 5. A distribuição da tensão da córnea é complexa, com uma diferença fundamental entre o estroma anterior e posterior. Clinicamente, a tecnologia OCE pode ser usada para monitorar a progressão das doenças ectáticas da córnea e para determinar o sucesso do CXL. 6. A presença ou ausência da camada de Bowman não alterou a rigidez de uma lamela corneana de 110μm. Resultados podem ter implicações nos procedimentos de cirurgia refrativa a laser, mas também na nova técnica de transplante da camada de Bowman para tratamento de ceratocone. 7. O efeito biomecânico do I-CXL aumentou significativamente utilizando-se baixa irradiância e longa irradiação UV-A. A difusão de oxigênio, portanto, representa um fator limitante, mesmo quando a penetração da riboflavina é melhorada via iontoforese. 8. A concentração estromal de riboflavina não é o único fator modulador no CXL, e o consumo epitelial de oxigênio é aproximadamente 10 vezes maior que o consumo estromal de oxigênio; portanto, a disponibilidade de oxigênio pode afetar a eficácia de CXL em técnicas que reivindicam preservar o epitélio, como o I-CXL. 9. Todos os três protocolos mostraram melhorias no Kmax, BCVA e outras variáveis, com resultados funcionais semelhantes apesar da maior mudança nos índices de ceratocone após o protocolo de Dresden. 10. CXL individualizado usando o protocolo ‘sub400’ interrompeu a progressão do ceratocone em córneas ultrafinas em 90% dos casos. Embora taxa de falha seja mais alta do que a CXL padrão, pela primeira vez é possível o tratamento com CXL de córneas tão finas quanto 215 µm. 11. Foram identificados vários genes-alvo que podem estar relacionados à estabilidade biomecânica e ao formato da córnea. A compreensão dos mecanismos moleculares após CXL permitirá uma otimização e individualização do tratamento clínico. | pt |
| dc.description.source | Dados abertos - Sucupira - Teses e dissertações (2021) | |
| dc.format.extent | 153 p. | |
| dc.identifier | https://sucupira.capes.gov.br/sucupira/public/consultas/coleta/trabalhoConclusao/viewTrabalhoConclusao.jsf?popup=true&id_trabalho=11174348 | pt |
| dc.identifier.file | EMILIO DE ALMEIDA TORRES NETTO-A.pdf | |
| dc.identifier.uri | https://repositorio.unifesp.br/handle/11600/68310 | |
| dc.language.iso | por | |
| dc.publisher | Universidade Federal de São Paulo (UNIFESP) | |
| dc.rights | info:eu-repo/semantics/openAccess | |
| dc.subject | Cornea | en |
| dc.subject | Ophthalmology | en |
| dc.subject | Keratoconus | en |
| dc.subject | Crosslinking | en |
| dc.subject | Prevalence | en |
| dc.subject | Córnea | pt |
| dc.subject | Oftalmologia | pt |
| dc.subject | Ceratocone | pt |
| dc.subject | Crosslinking | pt |
| dc.subject | Prevalência | pt |
| dc.title | Ceratocone, crosslinking e fatores moduladores da biomecânica da córnea | pt |
| dc.type | info:eu-repo/semantics/doctoralThesis | |
| unifesp.campus | São Paulo, Escola Paulista de Medicina (EPM) | pt |
| unifesp.graduateProgram | Oftalmologia e Ciências Visuais | pt |
| unifesp.knowledgeArea | Análise Da Eficácia De Protocolos De Intervenção | pt |
| unifesp.researchArea | Bioengenharia Da Superfície Ocular | pt |
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