BIOMECÁNICA DE LA CÓRNEA
CORNEAL BIOMECHANICS
TORRES RM1, MERAYO-LLOVES J2, JARAMILLO MA3, GALVIS V4
| RESUMEN Objetivo: Realizar una revisión sobre la biomecánica de la córnea desde sus orígenes hasta la actualidad, con el objetivo de analizar, esclarecer y comprender su relevancia en la cirugía refractiva. | SUMMARY Objective: To review the corneal biomechanic concepts and to analyse, clarify and understand their relevance in refractive surgery. Key words: Corneal biomechanics; keratoconus, refractive surgery, post-operative keratectasia, customized ablation. |
Recibido: 19/8/04. Aceptado: 12/4/05. ]]>
1 Licenciado en Medicina. Unidad Cirugía Refractiva y Contactología. Instituto Universitario de Oftalmobiología Aplicada.
Universidad de Valladolid. Valladolid. España.
2 Doctor en Medicina. Unidad Cirugía Refractiva y Contactología. Instituto Universitario de Oftalmobiología Aplicada.
Universidad de Valladolid. Valladolid. España.
3 Licenciado en Medicina. Médico Residente. Fundación Oftalmológica de Santander. Clínica Carlos Ardilla Lulle. Bucaramanga. Colombia.
4 Doctor en Medicina. Presidente. Fundación Oftalmológica de Santander. Clínica Carlos Ardilla Lulle. Bucaramanga. Colombia.
Los autores manifiestan no tener interés comercial ni haber recibido apoyo económico para la realización de este trabajo.
Correspondencia:
Jesús Merayo Lloves ]]>
Instituto Universitario de Oftalmobiología Aplicada (IOBA)
Edificio de Ciencias de la Salud
Avda. Ramón y Cajal, 7
47005 Valladolid
España
E-mail: merayo@ioba.med.uva.es
INTRODUCCIÓN Y RESEÑA HISTÓRICA
La biomecánica de la córnea es una ciencia que trata del equilibrio y de la deformación del tejido sometido a cualquier fuerza (1). Surge de la conjunción de conocimientos y conceptos físico-matemáticos, arquitectónicos y mecánicos pero también biológicos. Explora la función y estructura de la cornea e intenta establecer bases para predecir su respuesta dinámica ante situaciones fisiológicas y patológicas.
Los conocimientos de las características estructurales y fisiológicas de la córnea (2) junto con el desarrollo de modelos para el estudio de la tonometría (3,4) constituyen el origen de las bases biomecánicas de la córnea, las que tomarán mayor consistencia y se harán explícitas a lo largo del estudio de una patología, como veremos a continuación. En 1978 los autores Foster y Yamamoto realizan un estudio donde cuestionan si la rigidez corneal se encuentra disminuida en el queratocono (5). En 1980 se publica un trabajo que discute las propiedades biomecánicas de la córnea normal y del queratocono, donde se concluye que una resistencia mecánica disminuida permite la protusión del tejido (6). Posteriormente se establece que el entrecruzamiento de las fibras colágenas se encuentra alterado y disminuido en el queratocono, lo que junto a rupturas en la membrana de Bowman, favorecen la «debilidad» estructural (7). A su vez en un estudio retrospectivo se observó que en personas diabéticas, donde el entrecruzamiento de fibras colágenas está aumentado, disminuye la posibilidad de desarrollar queratocono (8), remarcando la relevancia de la rigidez estructural en el desarrollo de la patología.
]]> Dentro de la estructura corneal existen áreas de mayor relevancia biomecánica, por ejemplo se ha observado que en conreas con queratocono la membrana de Bowman se encuentra alterada (6,9), presentando rupturas en sitios donde es atravesada por terminales nerviosas, invadida por queratocitos provenientes del estroma corneal anterior y por células epiteliales (10). Estos queratocitos se activan por interleuquinas derivadas del epitelio y entran en un proceso llamado apoptósis, que si bien se caracteriza por desarrollarse con una mínima liberación de enzimas colagenolíticas, la cronicidad en el tiempo origina su pérdida más acentuada en el estroma anterior, derivando en un adelgazamiento localizado y progresivo (11). Estos datos se confirman por un estudio realizado con microscopía confocal in vivo, que destaca una densidad disminuida de queratocitos en el estroma anterior y un espesor estromal total adelgazado en córneas queratocónicas, en comparación con córneas normales (12).En el queratocono, los cambios estructurales (destrucción tisular y cicatrización) de un tejido con su capacidad alterada en respuesta a los daños oxidativos (13), generan una debilidad arquitectónica a partir de la cual la estructura cede ante factores como la presión intraocular (12). La etiología del queratocono es discutida, postulándose tanto hipótesis genéticas como mecánicas, siendo más probable una conjunción de ambas (6,7). Y así, el concepto de la biomecánica de la córnea surge tímidamente en estudios de tonometría, asentando posteriormente su presencia para comprender una patología, conformando un factor más para el estudio e investigación del queratocono.
Pero por otro lado, comienza el crecimiento y desarrollo de la cirugía refractiva de la córnea, hasta que la llegada de los sistemas de ablación con láser excimer determinan su gran expansión. Posteriormente, con la búsqueda de mejorar la calidad visual y obtener más cantidad (alcanzar la supervisión), llegan los sistemas de ablación personalizados. Pero a pesar de una probada eficacia, predictibilidad y seguridad, se observan casos con resultados no predecibles, regresiones y ectasias corneales post-operatorias y se propone a la respuesta biomecánica como una de las principales causas (14-20). Así, como veremos a lo largo de esta revisión, la biomecánica de la córnea toma importancia en el estudio de las ectasias post-quirúrgicas para comprender su fisiopatología, identificar sus factores de riesgo e intentar prevenirlas, como asimismo, su relevancia se reconoce como una variable más a considerar en el desarrollo de modelos matemáticos y algoritmos de ablación personalizados.
CONCEPTOS BÁSICOS SOBRE BIOMECÁNICA DE LA CÓRNEA
Existen diferentes factores que determinan la estabilidad de la córnea y que se pueden definir en extra e intra-corneales (tabla I). Éstos se conjugan como fuerzas contrapuestas en equilibrio dinámico (fig. 1). Dentro de los factores extra-corneales, el más importante es la presión intraocular que ejerce una fuerza sobre la cara interna de la córnea (21-23). Menos relevante resulta la presión atmosférica que actúa sobre la cara externa, a la que se suman los párpados (22), los músculos extraoculares, (indirectamente a través de sus inserciones esclerales) y el músculo ciliar que durante la acomodación produce un acortamiento del diámetro corneal e induce un cambio de curvatura equivalente a 0,60-0,72 dioptrías (24).
Fig. 1. Interacción entre variables que determinan la estabilidad de la estructura de la córnea
(PIO: presión intraocular; M.Ci.: músculo ciliar; M.Ex.: músculos extraoculares; P.A.: presión atmosférica;
T.Pa.: tensión palpebral; C.: estructura de la córnea).
La función de la membrana de Bowman es también discutida (31), pero se sostiene que la misma es importante para mantener la estabilidad de la curvatura de la cornea, lo cual se observa en trabajos experimentales (32,33). Aunque esto se contrapone con la experiencia clínica, donde la mayoría de las personas operadas de queratotomía fotorrefractiva (PRK) (en quienes la membrana de Bowman fue ablacionada) no derivan normalmente en ectasias corneales. A modo de resumen, si bien el tercio estromal anterior resulta relevante para mantener la curvatura de la córnea (30), no se debe olvidar que esto depende también de otros factores (tabla I) como se ha expuesto anteriormente.
BIOMECÁNICA Y CIRUGÍA REFRACTIVA DE LA CÓRNEA
El poder refractivo de la córnea, puede ser modificado de diferentes maneras: alterando el radio de curvatura anterior, alterando el índice de refacción de la córnea, o alterando el radio de su curvatura posterior. Las diversas técnicas de cirugía refractiva de la cornea buscan modificar la curvatura de la superficie anterior de la cornea, logrando un nuevo estado refractivo y de equilibrio, idealmente estable en el tiempo. Esto se puede lograr modificando arcos de tensión, ya sea debilitando o reforzando la cornea en determinados sitios (centro o periferia) para inducir los cambios deseados, expresión de la respuesta biomecánica del tejido.
Se revisa seguidamente la relación entre la biomecánica corneal y los procedimientos refractivos incisionales, el láser excimer y su relevancia en las ablaciones personalizadas.
Biomecánica de la córnea y procedimientos incisionales
Al realizar una incisión y cortar una lámina estromal, disminuye el número de fibras colágenas efectivas para mantener la carga de la presión intraocular, aumentando así la tensión que deben soportar las fibras no cortadas, que responden estirándose. La tensión se redistribuye y bajo este principio biomecánico cambia la curvatura corneal (34). En la queratotomía radial, la periferia corneal se abomba y el centro se aplana, y en la queratotomía arcuata el aplanamiento se observa en el meridiano incisional debido a cambios de elevación periférica a este meridiano (34).
El efecto puede variar si cambiamos la zona óptica, número de incisiones y su profundidad, como se observa en la práctica clínica y como se puede reproducir experimentalmente aplicando modelos biomecánicos (21,34-37). Estas características hacen que el procedimiento requiera gran destreza quirúrgica para obtener el resultado refractivo deseado de forma reproducible (38). Además, después del procedimiento la estabilidad corneal disminuye y las incisiones representan un punto de debilidad proporcional a su profundidad, lo cual se ha comprobado en modelos animales (21,34) y también en una córneas humanas (39).
Finalmente debemos destacar que en actos quirúrgicos de diversa índole, desde realizar una incisión, como suturar, ajustar o cortar un punto corneal, siempre ha existido de forma implícita el concepto de la biomecánica de la córnea.
Láser excimer y biomecánica de la córnea: una nueva era
]]> En los inicios de los procedimientos refractivos (40), la córnea es tratada como un trozo de plástico (41), al cual se le puede quitar, agregar o esculpir una forma deseada. Esto se basa en el supuesto de que el tejido acepta los cambios impuestos sin una respuesta, lo cual es falso, ya que si fuera como un trozo de plástico carente de respuesta biomecánica, la cirugía incisional no tendría ningún efecto. Con el láser excimer la cirugía refractiva comienza su mayor expansión. Se crean los primeros modelos matemáticos y Munnerlyn (42) aporta un algoritmo de substracción de tejido para corregir errores esfero-cilíndricos, que resulta útil pero que no es absolutamente eficaz en algunos pacientes (41) por ignorar las propiedades biomecánicas de la córnea (37).Los algoritmos de ablación derivan de largos análisis estadísticos cuyas variables han sido evaluadas por su capacidad para predecir o provocar cambios refractivos. Mientras más variables se consideren, más preciso será el algoritmo y con este concepto se han diseñado ablaciones personalizadas, guiadas por topografías y frente de ondas. Sin embargo y de forma imprevista, las aberraciones esféricas aumentan incluso después de tratamientos personalizados (43,44).
La interacción láser-tejido, factor inicialmente ignorado, es responsable por ejemplo de la pérdida de la transparencia corneal (por excesiva/anómala respuesta cicatrizal) (45,46). También se pueden producir cambios menos evidentes que afectan la calidad visual (47) posiblemente secundarios a una alteración óptica del tejido corneal, como se ha demostrado experimentalmente (48). Así, a partir de observaciones experimentales y clínicas se establecen nuevos límites de tratamiento y simultáneamente crece la investigación básica tanto en áreas biológicas como físico-matemáticas, aunando esfuerzos por mejorar patrones de ablación y predecir la respuesta cicatrizal.
La importancia de considerar el factor biomecánico en los modelos de cirugía refractiva fue creciendo a partir de diversos trabajos (36,49-51) hasta que finalmente se postula abiertamente que la biomecánica de la córnea es una de estas variables no considerada hasta el momento en los algoritmos de ablación y en el año 2000 Roberts C (41) explica que no sólo cambia la porción de la córnea tratada, sino que también se modifica el resto del tejido, afectando al resultado refractivo tanto en cantidad como en calidad de visión. Expone que la córnea funciona como si fueran varias bandas elásticas superpuestas, y que al modificar la tensión a nivel central se produce contracción en el resto de bandas aumentando el espesor en la periferia. Mientras más profunda sea la ablación central, mayor será el cambio periférico. Este engrosamiento resulta secundario al aumento del espacio entre las fibras de colágeno, espacio llenado por matriz extracelular embebida de agua. Asimismo se produce un aplanamiento central. Este fenómeno biomecánico es responsable de un aumento del efecto de una ablación miópica, contrarresta el de una ablación hipermetrópica, e induce hipermetropía (leve) luego de realizar un tratamiento de queratotomía foto-terapéutica (PTK) (41,52).
La biomecánica de la córnea también es importante si deseamos corregir aberraciones ópticas. Se ha observado que tras procedimientos de PRK y queratomileusis in situ asistida por láser (LASIK) convencional, las aberraciones ópticas aumentan (47,53-56). Con las ablaciones personalizadas guiadas por frente de ondas, si bien disminuyen, aún se producen una cantidad de aberraciones ópticas que no se pueden predecir ni explicar completamente (43,44). Sí se ha demostrado que en los casos donde aumenta la curvatura corneal posterior se induce un incremento de aberraciones esféricas negativas y se postula que la respuesta biomecánica esta en parte relacionada (55), constituyendo un factor de error no previsto por las ablaciones personalizadas. La ablación láser sería responsable de la mayoría de las aberraciones inducidas, pero también se deben tener en cuenta como variables la localización de la bisagra corneal en el LASIK o el tipo de microquerátomo, ya que estos pueden modificar la cantidad y orientación de aberraciones de alto orden (44).
Existen múltiples factores (tanto físico-matemáticos como clínico-biológicos) a tener en cuenta a la hora de evaluar las discrepancias observadas entre simulaciones de modelos matemáticos y resultados clínicos (57). Se ha demostrado que no solo cambia la zona tratada y que el resultado final no solo depende del perfil de ablación (41). La respuesta biomecánica de la córnea es un factor importante, pero sólo un factor más, que actualmente toma la relevancia dentro de la cirugía refractiva y que los nuevos modelos matemáticos comienzan a incluir junto a factores biológicos como la cicatrización de la cornea y la reorganización del epitelio post-LASIK (58). Aunque igualmente su respuesta continúa siendo difícil de caracterizar y predecir.
BIOMECÁNICA DE LA CÓRNEA Y ECTASIAS POST-QUIRÚRGICAS
Las ectasias post-quirúrgicas constituyen un problema temido por todos los cirujanos refractivos y el concepto de la biomecánica de la córnea resulta fundamental para comprender su fisiopatología, reconocer sus factores predisponentes e intentar prevenirlas.
En primer término, recordando la figura 1 donde se observan los factores que afectan la estabilidad corneal, vemos que si se afecta la estructura corneal y no se modifica el resto, la resistencia de la cornea estará disminuía ante los otros factores. Dependiendo de cuan disminuida se encuentre, ésta podrá adoptar un nuevo estado de equilibrio o terminará cediendo (22). Esto se ha observado clínicamente en aquellos casos donde se realizan ablaciones excesivas que dejan corneas debilitadas derivando en ectasia (14,15). Por eso se han modificado los límites del total de tejido ablacionar (dioptrías a corregir), con el objeto de dejar un espesor residual que como mínimo sea de 250 mm, concepto que surge de inferencias realizadas por Seiler et al (14) basados en los experimentos de Andreassen et al (6). En una córnea operada de LASIK, el espesor útil desde un punto de vista biomecánico equivale sólo al lecho estromal residual, despreciándose el espesor del colgajo, ya que las uniones de las fibras colágenas de la cicatriz (interfase) nunca vuelven a tener la cohesión y fuerza de unión iniciales, por lo que el espesor del colgajo no es considerado en el mantenimiento de la estructura corneal (16). Y si bien se conserva la membrana de Bowman, esta al haber sido intersectada por el microquerátomo pierde su papel como factor estabilizante (30). Las técnicas de la PRK y de la queratomileusis sub-epitelial asistida por láser (LASEK) tienen la ventaja sobre el LASIK de conservar más tejido, aunque en ambos casos también se altera la membrana de Bowman y el tercio estromal anterior, relevantes a la estabilidad de la cornea (30).
También se han detectado ectasias post-LASIK en córneas con lecho residual mayor a 250 mm (17-19). Esto remarca que no sólo es importante el espesor corneal, sino que también es importante la densidad y entrecruzamiento de fibras colágenas, esqueleto invisible de la cornea que otorga resistencia y elasticidad. Piccoli PM et al (20) realizan una interesante comparación con el estudio de la osteoporosis, donde no solo es importante conocer el espesor de un hueso, sino también su densidad, para inferir la tensión que éste puede soportar. En el caso de la cornea, podemos medir el espesor, pero no podemos objetivar la densidad de sus fibras colágenas in-vivo. Reforzando la idea de que no solo es importante el espesor corneal, hay una serie de interesantes trabajos desarrollados sobre la base de aumentar el entrecruzamiento de las fibras colágenas para incrementar la estabilidad corneal (59-61).
]]> La incidencia aproximada de las ectasias post-LASIK es de 1/2.500 casos (62) y su etiología se debate entre la inestabilidad biomecánica inducida o la evolución de un proceso crónico subclínico pre-existente (22). Se han realizado estudios (15,22,62-64) para detectar factores de riesgo y evaluar similitudes y diferencias con el queratocono. Twa MD y col (64) revisaron 60 artículos de ectasias post-LASIK y encontraron que el espesor corneal residual solo explicaba el 45% (35 de 75 casos) de las ectasias. Asimismo observaron una distribución bimodal en el momento del diagnóstico, que se incrementaba a los 3 y 15 meses, postulando que el primer incremento puede ser debido a una forma frustra de queratocono o degeneración marginal pelúcida no reconocida en el pre-operatorio, mientras que las ectasias detectadas a los 15 meses podrían deberse a una inestabilidad biomecánica de la cornea secundaria a una ablación excesiva.TRATAMIENTOS QUE REFUERZAN LA BIOMECÁNICA DE LA CÓRNEA
A continuación veremos otras formas actuales de modificar la estructura corneal sin debilitarla, induciendo también cambios refractivos. Esto se puede lograr mediante la introducción de segmentos intraestromales, queratoplastia conductiva o a través del tratamiento de la cornea con luz ultravioleta (UVA).
Mediante la colocación de segmentos intra-estromales (INTACS, Anillos de Ferrara) se produce un incremento periférico del espesor corneal y se induce un aplanamiento central que posibilita la corrección de miopías bajas (65-67), aunque los anillos de Ferrara según su grosor se postula que pueden llegar a corregir hasta 12 dioptrías (65). Estabilizan y aumentan la rigidez de la estructura corneal, por lo que pueden demorar la progresión del queratocono y las ectasias post-quirúrgicas (65,66), remarcando que el efecto biomecánico posiblemente será mayor en córneas adelgazadas (67).
La queratoplastia conductiva es una técnica basada en la emisión de radio-frecuencia para la corrección de la hipermetropía (leve-moderada), que produce un aumento homogéneo de la temperatura en un área establecida del estroma corneal periférico, induciendo la contracción de las fibras colágenas y una respuesta biomecánica con aplanamiento corneal periférico y elevación central que derivan en la modificación de la hipermetropía (68).
Como se ha mencionado anteriormente, con respecto a la biomecánica no sólo es importante el espesor corneal sino también las características de su estructura interna, especialmente la densidad y entrecruzamiento de fibras colágenas. No es posible aumentar la densidad de fibras colágenas pero si su entrecruzamiento, mejorando las propiedades biomecánicas del tejido. Este fenómeno observado en el envejecimiento (69) y en pacientes diabéticos (8), procesos donde aumenta el entrecruzamiento de fibras colágenas, también puede lograrse al tratar la cornea con riboflavina (como sustancia fotosensibilizante) y su posterior exposición a luz UVA (a una distancia y tiempo determinado), tratamiento que parece no ser tóxico para el resto de las estructuras oculares (59-61,70). También se ha demostrado que además de aumentar el entrecruzamiento, aumenta el diámetro de las fibras de colágeno (datos experimentales), resultando un factor más para mejorar la estabilidad de la estructura corneal (71). El efecto del tratamiento se ha probado clínicamente en un estudio prospectivo, abierto, en pacientes con queratocono, con un seguimiento de hasta 4 años, donde se observa que detiene la evolución de la enfermedad (61). Este tratamiento también podría resultar eficaz para las ectasias post-quirúrgicas e incluso como coadyuvante en cirugías refractivas corneales, para reforzar la estabilidad corneal (72).
En conclusión, el concepto de la biomecánica de la córnea toma auge con la cirugía refractiva, pero debemos recordar que no es algo nuevo y que sus leyes están implícitas en la mayoría de los actos quirúrgicos corneales. Su reconocimiento como una propiedad más del tejido corneal es el comienzo de su estudio y comprensión tanto en situaciones fisiológicas (base para la tonometría) como patológicas (queratocono, ectasias post-quirúrgicas). Asimismo, su relevancia actual esta ligada al perfeccionamiento de los sistemas de ablación, que necesitan caracterizar su respuesta e incluirla como una variable más para obtener resultados más precisos y estables en el tiempo. La biomecánica de la cornea esta dejando de ser la responsable absoluta de las discrepancias entre los resultados de modelos teóricos y la práctica clínica, aunque aún guarda secretos que deberán ser estudiados.
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