Изучение связи биомеханических свойств склеры и гидродинамики глаза в эксперименте Текст научной статьи по специальности «Биотехнологии в медицине»

Мезо-, нано-, биомеханика и механика природных процессов Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского, 2011, № 4 (2), с. 445-447

УДК 617.7

ИЗУЧЕНИЕ СВЯЗИ БИОМЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СКЛЕРЫ И ГИДРОДИНАМИКИ ГЛАЗА В ЭКСПЕРИМЕНТЕ

© 2011 г. Е.Н. Иомдина, Л.А. Назаренко, О.А. Киселева

Московский НИИ глазных болезней им. Гельмгольца Минздравсоцразвития

iomdina@mail.ru

Поступила в редакцию 15.06.2011

Предполагают, что нарушение биомеханических свойств склеры в области диска зрительного нерва и всей корнеосклеральной оболочки глаза в целом может играть существенную роль в патогенезе первичной открытоугольной глаукомы (ПОУГ). Цель работы: изучить в эксперименте на кроликах влияние упругих характеристик склеры на состояние оттока внутриглазной жидкости. Для этого определяли механические характеристики и уровень поперечных сшивок склеры, а также гидродинамические показатели 1) интакт-ных глаз молодых (2-х месячных) и старых (2-х летних) кроликов, 2) глаз, подвергнутых in vivo воздействию треозы, повышающей поперечную связанность коллагена склеры; 3) глаз молодых и старых кроликов, а также кроликов, подвергнутых in vivo воздействию треозы, после воздействия in vivo протеолитическим ферментом (коллализином). Гидродинамические показатели оценивали с помощью Глаутест 60 (Россия). Для определения уровня поперечной связанности коллагена склеры использовали метод дифференциальной сканирующей калориметрии, определяли температуру денатурации, возрастание которой указывает на увеличение степени сшивания коллагена. Биомеханические показатели склеры оценивали с помощью Autograph AGS-H (SHIMADZU, Япония). Показано, что нормальное возрастное увеличение жесткости (модуля упругости) склеры с 23.1 ±4.2 МПа до 41.4±6.3 МПа сопровождается умеренным ростом поперечных сшивок и незначительным снижением оттока внутриглазной жидкости. В то же время повышение жесткости склеры (до 65.4±6.0 МПа), вызванное воздействием треозы, т.е. патологическим ростом уровня поперечной связанности, сопровождается небольшим повышением внутриглазного давления и значимым ухудшением оттока внутриглазной жидкости. Под воздействием коллализина у старых животных снизилась жесткость склеры (до 27.9±4.9 МПа) и улучшилась гидродинамика внутриглазной жидкости, соответствующие показатели у молодых животных изменились незначительно. Жесткость склеры, обработанной трео-зой и содержащей избыточные поперечные сшивки, также снизилась под воздействием коллализина (до 43.4±4.5 МПа), при этом улучшилась гидродинамика внутриглазной жидкости. Таким образом, биомеханические свойства склеры оказывают влияние на гидродинамику глаза: при повышении жесткости склеры за счет избыточного формирования поперечных связей в ее коллагеновых структурах отток внутриглазной жидкости снижается, что может быть риск-фактором развития ПОУГ. Протеолитическая терапия с помощью коллализина дает возможность снизить число таких сшивок, уменьшить жесткость склеры и улучшить гидродинамические показатели глаза.

Ключевые слова: глаз, склера, модуль упругости, поперечные сшивки, гидродинамика внутриглазной жидкости, кролики.

Согласно современным представлениям, нарушение биомеханических свойств склеры в области диска зрительного нерва и всей корнеосклеральной оболочки глаза в целом может играть существенную роль в патогенезе первичной открытоугольной глаукомы (ПОУГ). Изменение биомеханических свойств склеральной ткани при ПОУГ в сторону увеличения жесткости может оказывать негативное влияние на ее демпфирующую способность при скачках ВГД, свойственных течению глаукомы. Кроме того, патогенетически важным фактором, взаимосвязанным с повышенной жесткостью склеры глаз с ПОУГ, является повышенная плот-

ность склеры, обусловленная прежде всего избыточным содержанием коллагена и поперечных сшивок в коллагеновых структурах, что может препятствовать оттоку водянистой влаги через естественные дренажные пути. Для правильной интерпретации нарушения биомеханики склеры при глаукоме необходимо определить, является ли повышенная жесткость и плотность склеры глауком -ных глаз следствием глаукомного процесса или может быть одним из независимых риск-факторов его возникновения и развития? Одним из возможных путей поиска ответа на этот принципиальный вопрос является экспериментальное изучение связи биомеханических свойств склеры с

состоянием гидродинамики глаза. С этой целью проведено исследование на 18 кроликах, которое включало три основных этапа: 1) сравнительное изучение биомеханических показателей склеры и показателей гидродинамики глаз «молодых» (2-х месячных) и «старых» (2-х летних) интактных кроликов (1 группа); 2) оценка изменения биомеханических показателей склеры и показателей гидродинамики глаз в результате субтеноновых инъекций гликирующего агента (раствора треозы), повышающего уровень поперечной связанности коллагена склеры (2 группа); 3) оценка изменения биомеханических показателей склеры и показателей гидродинамики глаз интактных кроликов и кроликов, получавших инъекции треозы, в результате субтеноновых инъекций протеолитичес-кого фермента коллализина (3 группа). Гидродинамические показатели оценивали с помощью прибора Глаутест 60 (Россия). Уровень поперечной связанности коллагена склеры оценивали методом дифференциальной сканирующей калориметрии, определяли температуру денатурации (Тд), возрастание которой указывает на увеличение степени сшивания ткани. Биомеханические показатели склеры оценивали с помощью Autograph AGS-H (SHIMADZU, Япония).

Результаты

Установлено, что модуль упругости склеры молодых животных (Е = 23.1 ±4.2 МПа) в 1.8 раза ниже, чем старых (Е = 41.4±6.3 МПа) (р < < 0.01). Ранее были изучены упруго-прочностные показатели склеры глаз интактных 8-12-месячных кроликов. По нашим данным, модуль упругости склеры кролика в этом возрастном периоде составляет 37.3±8.4 МПа. Сопоставление этих значений позволяет заключить, что модуль упругости склеры кролика закономерно повышается с возрастом. Возрастное повышение жесткости склеры сопровождается увеличением уровня поперечных сшивок: Тд коллагена склеры старых животных составляет 69.5± ±1.3 0С, а для склеры молодых кроликов Тд = = 67.7±1. 1 0С (р < 0.05), что соответствует известному по литературе возрастному увеличению модуля упругости и поперечной связанности других соединительнотканных образований организма, в частности, связок и сухожилий. Измерение ВГД тонометром Маклакова (груз 10 г) не выявило значимых различий между старыми и молодыми кроликами. В то же время коэффициент легкости оттока у молодых животных (С = 0.19±0.02 мм3/ мин/мм рт. ст.) оказался несколько выше, чем у старых (С = 0.15± 0.01 мм3/мин/мм рт.ст.).

Во 2 группе кроликов под тенонову капсулу правых (опытных) глаз инъецировали раствор гликирующего агента — треозы в концентрации 0.139 ммоль, левый глаз (контрольный) оставался ин-тактным. Всего в течение 20 дней произвели 9 инъекций. В опытных глазах через 1 мес. Е = 57.5± ±3.1 МПа, через 3 мес. Е оставался на том же повышенном уровне (Е = 65.4±6.0 МПа), в то же время в контроле Е был в среднем в 2 раза ниже (Е = 27.2±3.5 МПа) (р < 0.01). В соответствии с ростом модуля упругости значимо увеличился и уровень поперечных сшивок: в опытных глазах Тд = 76.6±1.6 °С, а в контроле Тд = 64.3±1.4 0С (р < 0.01). Повышение жесткости склеры и уровня ее поперечной связанности отразилось на состоянии гидродинамики опытных глаз. Через 1 мес. после окончания курса инъекций треозы на опытных глазах Р0 = 18.8± ±0.7 мм рт.ст. (на парном глазу 17.0±0.4 мм рт.ст.), С = 0.12 ±0.01 мм3/мин/ мм рт. ст. (на парном глазу 0.20±0.02 мм3/мин/мм рт ст.). Значимое ухудшение гидродинамических показателей глаза, развившееся после инъекций треозы, сохранялось и через 3 мес. после окончания курса этих инъекций: Р0 = 18. 8±2.0 мм рт.ст., С = 0.13±0.07 мм3/мин/мм рт. ст. На 3-м этапе эксперимента, посвященном оценке воздействия протеолитического фермента (коллализина), исследовано изменение показателей как интактных животных (группа 3 а), так и животных, предварительно получавших курс субтеноновых инъекций треозы (группа 3б).

В группе 3 а у молодых животных курс из 10 инъекций коллализина (150 ед.) в правый (опытный) глаз привел через 1 мес. после его окончания к небольшому снижению модуля упругости (Е = 19.3±4.2 МПа) по сравнению с парным глазом (Е = 23.1±4.2 МПа). В то же время эффект снижения жесткости склеры у старых животных был более значительным: на опытных глазах Е = = 27.9±4.9 МПа, а на парных глазах этот показатель был в среднем на 32.6% выше: Е = 41.4±6.3 МПа (р < 0.02). Снижение жесткости склеры старых животных под воздействием инъекций кол -лализина сопровождалось небольшим снижением Р0 = 15.3±0.3 мм рт.ст. и повышением С = = 0.21±0.04 мм3/мин/мм рт. ст. по сравнению с парным глазом (Р0 = 17.5±0.3 мм рт.ст., С = = 0.15±0.01 мм±/мин/мм рт. ст.). При этом ВГД и С глаз молодых кроликов под воздействием коллализина практически не изменились. В группе 3б, где через 1 мес. после курса инъекций треозы в оба глаза провели 10 субтеноно-вых инъекций коллализина в правые глаза (опытная группа), биомеханические испытания, выполненные через 1 мес. после окончания кур-

са протеолитической терапии, выявили достоверное снижение жесткости склеры по сравнению с левыми глазами (контрольная группа, где был проведен только курс инъекций треозы). Модуль упругости склеры опытных глаз снизился до 43.4±4.5 МПа и приблизился к среднему уровню нормы (37.3±8.4 МПа), в то время как Е парных глаз после воздействия треозы оставался высоким (65.4±4.9 МПа) (р < 0.02). В среднем снижение жесткости склеры, предварительно подвергнутой воздействию треозы, в результате протеолитической терапии составило 33.6%. Снижение жесткости склеры сопровождалось достоверным (р < 0.05) снижением ВГД и улучшением гидродинамических показателей: в опытной группе глаз Р0 составило 15.0± ±0.7 мм рт.ст. (на парных глазах Р0 = 19.5± ±2.0 мм рт.ст.), С = 0.21±0.06 мм3/мин/мм рт. ст.

(на парных глазах С = 0.14±0.04 мм3/мин/мм рт. ст.), КБ = 86±22.0 (на парных глазах КБ = = 145.5±7.3).

Заключение

Полученные экспериментальные результаты показывают, что биомеханические свойства склеры оказывают влияние на гидродинамику глаза: при повышении жесткости склеры за счет избыточного формирования поперечных связей (сшивок) в ее коллагеновых структурах отток внутриглазной жидкости снижается, что может быть риск-фактором развития ПОУГ. Протео-литическая терапия с помощью коллализина дает возможность снизить число таких сшивок, уменьшить жесткость склеры и улучшить гидродинамические показатели глаза.

ARE BIOMECHANICAL PROPERTIES OF THE SCLERA AND EYE HYDRODYNAMICS RELATED AN EXPERIMENTAL STUDY

E.N. Iomdina, L.A. Nazarenko, O.A. Kiseleva

It is hypothesized that the impaired biomechanical properties of the sclera around the optic disc and, largely, in the comeo scleral shell may play an essential role in the pathogenesis of primary open-angle glaucoma (POAG). The objective of the paper is to investigate the impact of elastic scleral properties on intraocular fluid (IF) outflow in the experiment on rabbits. We determined the mechanical characteristics and the crosslinking level of the sclera as well as hydrodynamic parameters in three groups of experimental animals: 1) intact eyes of young (2 months of age) and old (2 years) rabbits; 2) eyes treated in vivo by threose, which increases crosslinking of scleral collagen; 3a) eyes of young and old rabbits after they were treated by collalysin, a proteolytic enzyme, 3b) eyes of rabbits pre-treated by treose and subsequently treated by collalysin. The hydrodynamic parameters were measured using Glautest 60 (Russia). To determine the crosslinking level of scleral collagen, we used differential scanning calorimetry and measured denaturation temperature, whose rise points to an increased degree of collagen crosslinking. The biomechanical parameters of the sclera were determined by Autograph AGS-H, (SHIMADZU, Japan). The normal age-related increase of scleral stiffness (Young's modulus) from 23.1±4.2 MPa to 41.4±6. 3 MPa was shown to go together with a moderate growth of cross links and a somewhat reduced IF outflow. At the same time, an increase of scleral stiffness (to 65.4±6,0 MPa) caused by threose, i.e. a pathological growth of crosslinking, is accompanied by a certain IOP increase and a significant impairment of IF outflow. Collalysin-treated old rabbits revealed a fall in scleral stiffness (to 27.9±4.9 MPa) and an improved IF hydrodynamics, whereas young animals showed only a slight change in these parameters. The sclera treated by threose and containing excessive cross links also became less stiff (43.4±4.5 MPa) and improved IF hydrodynamics after collalysin treatment. It may be assumed that the biomechanical properties of the sclera have an effect on eye hydrodynamics. Indeed, IF outflow is deteriorating with the increase of scleral stiffness that is due to excessively generated cross links in its collagen structures, which may be a risk factor for POAG. Proteolytic therapy with collalysin helps reduce the amount of these links, make the sclera less stiff and improve hydrodynamic parameters of the eye.

Keywords: eye, sclera, elasticity modulus, cross-linking, eye humor hydrodynamics, rabbits.