NANOCIRUGÍA DEL CRISTALINO pARA LA pRESbICIA CON

SECCIÓN I. EL LÁSER DE FEMTOSEGUNDO EN LA CIRUGÍA DEL CRISTALINO
Capítulo 4
Nanocirugía del cristalino para la
presbicia con láser de femtosegundos
Rafael I. Barraquer, Pablo Loza-Álvarez, Omar E. Olarte, David Merino, Gustavo Montenegro, Ralph Michael
INTRODUCCIÓN
La cirugía de la catarata asistida con láser ha pasado en poco tiempo de ser casi una leyenda –originada en los intentos infructuosos de hace más de
una década–, a ser una realidad práctica hoy día. Tal
cambio se debe a la introducción de los láseres de
femtosegundos (LFs), capaces de realizar disecciones
en los tejidos con precisión y seguridad antes inalcanzables. En el procedimiento de la catarata, los LFs
solamente realizan por ahora algunos pasos y facilitan otros, pero se ha planteado ya su aplicación en el
tratamiento de la presbicia. Aunque las experiencias
con LFs en este campo siguen en fase preliminar (1),
al menos hemos superado un cierto tabú: realizar cirugía en el cristalino con finalidad distinta de la de
extraerlo parece ya dentro de lo factible. Sin embargo, independientemente de si con ello se logrará o
no restaurar eficazmente la función acomodativa,
quedará la cuestión crucial de la posible inducción
catarata (2,3), cuya exclusión requerirá en todo caso
estudios clínicos a largo plazo. Esto justifica el interés de indagar la posibilidad de usar los propios
LFs en otras modalidades de aplicación menos invasivas sobre el cristalino, para ejercer cambios en sus
propiedades mecánicas u ópticas –en particular en
lo que concierne al proceso de la acomodación y la
presbicia–, actuando a una escala muy inferior de la
de sus actuales aplicaciones quirúrgicas. De ahí el
término de nanocirugía.
ANTECEDENTES: ACCIONES DE LOS LFS
Los LFs se caracterizan por su modo de acción
ultrarrápido, en una escala temporal del orden de
cientos de femtosegundos (un femtosegundo = 10-15
segundos) y el empleo de fluencias bajas (del orden
de decenas de micro-Julios/cm2), pero que al ser concentradas en un periodo de tiempo tan corto resultan
en potencias cercanas al billón (1012) de Watt/cm2.
Esta brevedad permite ritmos de repetición elevados,
desde decenas de miles hasta casi un centenar de millones de veces por segundo (104 – 108 Hz). Y debido a su naturaleza de onda en el infrarrojo cercano,
los LFs clínicos se transmiten muy bien a través del
agua y los tejidos transparentes o semitransparentes
(de hecho, mejor que la luz visible), lo que permite su acción sobre estructuras intraoculares como el
cristalino.
En el modo habitual en cirugía, los LFs actúan
por fotodisrupción, es decir, creando una nube microscópica de plasma que se expande a velocidad
supersónica y forma cavidades o «burbujas» en el tejido por efecto tipo onda de choque -una especie de
microexplosión. Tal acción es similar a la de los láseres de nanosegundos como el de Nd:YAG en modo
Q-switched, pero a una escala menor, logrando cavidades muy pequeñas, de 1 o pocas mm de diámetro. De ahí se deriva la gran precisión y seguridad
que ha permitido, en primer lugar en cirugía corneal,
realizar «cortes» o planos de disección con diferentes morfologías que hoy día son práctica habitual en
procedimientos refractivos, implantes intracorneales
y trasplantes de córnea. Acciones del mismo tipo se
están empleando en cirugía de la catarata para realizar las incisiones de entrada, la capsulotomía circular y series de planos de disección en su seno para
facilitar su extracción.
Sin embargo, la fotodisrupción no es el único
modo de acción posible de los LFs. Empleando otros
parámetros de apertura, energía y repetición pueden obtenerse efectos distintos de la formación de
cavidades. Los LFs pueden usarse como fuente de
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4. Nanocirugía del cristalino para la presbicia con láser de femtosegundos
luz para un instrumento de observación (microscopio), permitiendo obtener imágenes de estructuras de
otra forma difícilmente visibles. Esto se ha aplicado,
por ejemplo, en el estudio de la estructura fina tridimensional del colágeno corneal (4,5) o de la capa
de fibras nerviosas de la retina (6). También pueden
producir, en un material o tejido, cambios de distinta
naturaleza y a una escala mucho menor que con los
LFs en uso clínico. Una reciente aplicación de LFs en
esta línea ha permitido modificar el índice de refracción del material acrílico de las lentes intraoculares,
abriendo el camino para un ajuste postoperatorio generalizado de su poder refractivo.7
POSIBLE PAPEL DE LOS LFS EN EL TRATAMIENTO
DE LA PRESBICIA
Los LFs se han usado en cirugía de la presbicia
en primer lugar en la córnea, en general con el objeto de crear una superficie dióptrica multifocal, sea
mediante queratotomías intraestromales (Intracor) o
como asistencia en una técnica de ablación con láser
de excímeros (presbyLASIK). Sin embargo, la multifocalidad no es sino una forma de pseudoacomodación, es decir, no se restaura el verdadero mecanismo
acomodativo. Para lograr esto último debemos actuar
sobre el órgano que, según la teoría de Helmholtz de
la acomodación –la más sólidamente basada en las
evidencias científicas disponibles–, sería el principal
responsable de la pérdida de esta función: el cristalino.
Existen varias maneras en que los LFs podrían
participar en la corrección de la presbicia actuando
sobre el cristalino:
– Como asistentes en una cirugía de substitución
del contenido del cristalino mediante su relleno con
un gel óptico capaz de restaurar la acomodación
(phaco-ersatz). Los LFs permitirían realizar con precisión y seguridad las capsulorrexis de tamaño mínimo (<1 mm), necesario para respetar las propiedades
elásticas del saco capsular. Además, su capacidad
para fragmentar o «ablandar» el material nuclear
haría factible su aspiración por tales vías submilimétricas. El principal problema de este tipo de planteamiento sigue radicando en la prevención de la opacificación capsular.
– Realizando intervenciones a escala micrométrica sobre el material del cristalino, como cavitaciones,
microperforaciones, cortes o planos de deslizamiento, que genéricamente han recibido la denominación
de lentotomías. Este concepto data al menos de la
última década del siglo pasado8, aunque incluye a
menos dos posibles tipos de acción: (1) inducir un
colapso dentro del material del cristalino que daría
lugar a un cambio en la curvatura de su superficie
anterior (creando así una especie de cristalino multifocal) (fig. 1), o bien (2): modificar las propiedades
mecánicas o viscoelásticas de la estructura de fibras
del cristalino (mejorar su elasticidad o permitir un
mejor deslizamiento entre sus capas), para devolverle la capacidad acomodativa9.
Realizando intervenciones a escala nanométrica
sobre el material del cristalino. Esto supondría dos
posibles tipos de acción: (1) modificar las propiedades ópticas (el índice de refracción) del material cristaliniano, dando lugar a una óptica multifocal dentro
del cristalino (por medios diferentes del método antes
citado de cavitación-colapso), o bien (2) modificar
las propiedades mecánicas (viscoelásticas) del cristalino, como en la lentotomía pero a una escala mucho
menor y por tanto con menor riesgo de inducir catarata. Nuestra investigación actual se enmarca en esta
última vía de actuación.
LENTOTOMÍA MICROMÉTRICA CON LFS COMO
TRATAMIENTO DE LA PRESBICIA: MECANISMO Y
RESULTADOS
Las experiencias que emplean la lentotomía con
LFs para tratar la presbicia se basan, en primer lugar,
en el concepto de que la acomodación depende ante
todo de cambios en la forma del núcleo del cristalino
–y secundariamente de sus superficies externas– pero
no de cambios en la forma del córtex (10). En segundo lugar, las propiedades viscoelásticas del núcleo y
Fig. 1: Primeras experiencias de cavitación con láser del
cristalino (Myers y Krueger, 1998).
4. Nanocirugía del cristalino para la presbicia con láser de femtosegundos
del córtex difieren entre sí y en función de la edad.
En los jóvenes el córtex es de hecho más rígido que el
núcleo –en términos de módulo de cizallamiento–. A
lo largo de la vida ese módulo va aumentando tanto
en el córtex como el núcleo, pero más en éste, de forma que la diferencia se va acortando y se invierte a
partir de la edad en que se inicia la presbicia. A partir
de los 60 años el núcleo llega a ser 10 o más veces
más rígido que el córtex (11,12). Este incremento en
la rigidez nuclear se ha atribuido a una disminución
en los niveles de la cristalina alfa soluble, a medida
que esta proteína pasa a formar parte de los agregados insolubles de alto peso molecular (13). En consecuencia, para recuperar la acomodación, el núcleo
debe hacerse más «blando» que el córtex.
A tal fin se han realizado lentotomías de diversos
tipos, con LFs en la misma modalidad que se aplica en cirugía de cataratas, la cual produce cavitaciones de escala micrométrica (que se agregan en
planos de escala milimétrica). Teniendo en cuenta la
teoría de la acomodación y presbicia antes citada,
para ser efectivas, las lentotomías deben situarse en
el núcleo -aunque respetando el eje visual. El grupo de Schumacher, Lubatschowski y colaboradores
realizaron con LFs, en ojos humanos de banco y en
conejos in vivo, series de 8 cortes radiales anteroposteriores en la periferia del núcleo, los cuales gene-
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rarían «planos de deslizamiento» reduciendo así su
rigidez. Mediante el test de centrifugación de Fischer
demuestran un aumento del 16% en la capacidad de
deformación del cristalino a 1.620 rpm (fig. 2) (14).
Las opacidades creadas por las lentotomías en conejos no parecen progresar en el curso de 6 meses de
postoperatorio (9).
Se están llevando a cabo, en México y Filipinas,
ensayos clínicos de lentotomías en humanos que emplean una de las plataformas comerciales de LFs para
cirugía de la catarata (LenSAR Inc., Orlando, Florida). Se trata de crear planos anteroposteriores forma
de retículo sobre la periferia del núcleo respetando
un área central de sección cuadrada. Los resultados
preliminares indican que las opacidades visibles en
el postoperatorio inmediato tienden a atenuarse en
curso de la primera semana, aunque sin desaparecer
del todo. Por otro lado, no se ha podido demostrar
por ahora una mejoría clínica en la capacidad acomodativa de estos pacientes (15,16).
En cualquier caso, es bien sabido que el cristalino
tiende a comportarse como un sistema cerrado con
alto grado de «memoria». Esto hace que incluso un
traumatismo limitado pueda a la larga dar lugar a la
formación de una catarata. Por ello, demostrar que
un procedimiento de lentotomía con LFs es seguro
y no induce cataratas, o que las pequeñas opacida-
Fig. 2: Experiencias de lentotomía radial y demostración del incremento en la deformación del cristalino por centrifugación (Lubatschowski et al., 2010).
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4. Nanocirugía del cristalino para la presbicia con láser de femtosegundos
des creadas directamente por las cavitaciones relativamente cerca del eje visual no causan alteraciones
visuales, probablemente requerirá un seguimiento a
largo plazo.
NANOCIRUGÍA DEL CRISTALINO CON LFS
El problema de la seguridad a largo plazo de las
lentotomías micrométricas con LFs nos lleva a preguntarnos si existiría una forma mantener las ventajas de la energía de los LFs minimizando al mismo
tiempo los riesgos de inducir una catarata, incluso
sin inducir ningún tipo de opacidad clínicamente
significativa en el cristalino. Para ello hemos iniciado un estudio de nanocirugía experimental en cristalinos humanos ex vivo. Incluye dos aspectos: (1) la
creación de diversos patrones de ablación a escala
nanométrica en el cristalino, y (2) la medición de los
cambios en las propiedades biomecánicas del cristalino mediante un dispositivo de simulación de la
acomodación por estiramiento del complejo ciliozónulo-cristaliniano.
Nuestro sistema quirúrgico (fig. 3) se basa en
una estación de trabajo de microscopía multifotón, adaptada sobre un sistema confocal comercial
(Nikon Eclipse C1Si). Esto permite dos tipos distin-
Fig. 3: Estación de trabajo para microscopía multifotón
confocal (TSIL, TPEF) y ablación con láser de femtosegundo.
tos de microscopía confocal: (1) la de transmisión
por barrido de luz infrarroja (TSIL, por Transmitted
Scanned Infrared Light), y (2) la de fluorescencia por
excitación mediante dos fotones (TPEF, por Two Photon Excitation Fluorescence). La ablación se realiza
mediante un láser de femtosegundos Mira 900f, con
longitud de onda de 860 nm, duración de pulsos de
150 fs y repetición de 76 MHz, lo que da lugar a
una potencia de 90 mW en el plano de la muestra. Se han empleado objetivos de 20x, con apertura
numérica (NA) = 0,4 y distancia de trabajo (DT) =
16 mm; de 40x con NA= 0,6 y DT = 3,2 mm; y de
60x, de inmersión en aceite, con NA = 1,4 y DT
= 0,11 mm. Este sistema permite al mismo tiempo
realizar las intervenciones y observar sus efectos a la
escala nanométrica.
Es importante recordar el papel de la NA en la
forma de aplicación y el efecto de los LFs. La NA
se relaciona de forma directa con el ángulo (m) que
forma el cono de luz que pasa por una lente al focalizarse sobre un punto, según la expresión: NA =
(n) * sin (m). Esto implica que cuanto mayor sea NA,
mayor el ángulo m y por tanto menor la distancia de
trabajo (fig. 4). Así una NA = 0,12 corresponde a un
ángulo de 7º, NA = 0,34 a uno de 20º y NA = 0,87 a
uno de 60º. Por otra parte, la NA también supone la
relación entre la anchura del haz de láser (w) antes
de pasar por la lente o sistema óptico y la distancia
focal (f), según la expresión: NA = w/f. Esto significa
que, con una NA baja, el láser se enfocará más lejos
y de forma menos precisa, es decir, en un volumen
mayor, necesitando más energía y creando más daño
colateral. En cambio, con una NA alta se enfocará
más cerca y de forma más concentrada, con lo cual
se necesitará menos energía para alcanzar un cierto
umbral, en un menor el volumen y con menor daño
colateral (fig. 5).
En un primer ensayo realizamos ablaciones simples lineales, de cara a valorar el efecto de las distintas NA. Constatamos que el mayor efecto se lograba
con la mayor de las tres ensayadas (NA = 1,4). Con
ésta, la ablación nanométrica es visible tanto en microscopía TSIL como en la TPEF –aunque más aparente en esta última–. Con los objetivos de NA = 0,6
y 0,4 no se aprecian cambios en la imagen por TSIL y
no hay señal TPEF (fig. 6).
Estos resultados se confirman al realizar ablaciones en patrón con estructuras complejas como líneas
entrecruzadas o círculos; de nuevo sólo son visibles
mediante TPEF (fig. 7). En la actualidad estamos pendientes de ensayar ópticas que, manteniendo una NA
alta, alcancen distancias de trabajo mayores que nos
4. Nanocirugía del cristalino para la presbicia con láser de femtosegundos
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Fig. 4: Relación entre apertura numérica (NA), ángulo óptico (µ) y distancia de trabajo.
permitan trabajar a mayores profundidades dentro
del núcleo del cristalino.
MEDICIÓN DE LAS PROPIEDADES
BIOMECÁNICAS DEL CRISTALINO
Fig. 5: Relación entre la apertura numérica (NA) y concentración de la energía en un láser de femtosegundos.
Para medir los efectos de las intervenciones
sobre las propiedades mecánicas del cristalino,
hemos desarrollado un aparato de recreación o
simulación biomecánica ex vivo de la acomodación (ASBA). Basado en diseños previos de Fischer,
Fig. 6: Efecto de la apertura numérica (NA) sobre la ablación lineal nanométrica con láser de femtosegundo en cristalino humano, así como de la observación mediante TSIL o TPEF.
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4. Nanocirugía del cristalino para la presbicia con láser de femtosegundos
Fig. 7: Creación de patrones de ablación con estructuras complejas en cristalinos humanos con láser de femtosegundo. Se confirma la mejor visualización mediante TPEF en comparación con TSIL.
Campbell, Parel y Glasser (17-19), nuestro aparato
consiste en un banco de trabajo rígido que permite sostener y aplicar tracciones sobre secciones
coronales de globo ocular (zona ciliar incluyendo
el cristalino). La tracción radial, ejercida por una
serie de hilos de sutura fijados a la pieza anatómica, se genera mediante un motor de pasos (stepper)
unido a un tornillo micrométrico (Palmer), lo que
permite medir con precisión las distancias y desplazamientos lineales. Una balanza digital situada
en serie con el sistema de tracción permite medir
las cargas aplicadas. Todo el sistema se contro-
la a través de interfaz digital mediante rutinas de
MathLab (figs. 8 y 9). Prueba de simulación de la
acomodación con el ASBA con una sección de ojo
humano de 90 años.
Con el ASBA hemos comprobado el ciclo de simulación de la acomodación en secciones de ojos
humanos ex vivo (fig. 9), con rangos de desplazamiento y tensiones aplicadas dentro de los valores
fisiológicos, lo que lo valida como instrumento para
la medición de los posibles efectos de intervenciones
como la lentotomía sobre las propiedades biomecánicas del cristalino.
4. Nanocirugía del cristalino para la presbicia con láser de femtosegundos
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Fig. 8: Aparato para la simulación ex vivo de la acomodación y medición de las propiedades biomecánicas del cristalino.
Fig. 9: Prueba de simulación de la acomodación con el ASBA con una sección de ojo humano de 90 años.
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