Femtosecond pulse induced cavitation and bubble generation in porcine and synthetic vitreous humor: The impact of focusing

Tief im Inneren des Auges, hinter der Linse und vor der Netzhaut, befindet sich eine klare, geleeartige Substanz namens Glaskörper (Vitreous Humor). Er füllt den Raum des Augapfels aus, hält seine Form aufrecht und ermöglicht es dem Licht, zum hinteren Teil des Auges zu gelangen, wo das Sehen beginnt. Manchmal wird dieses klare Gel durch winzige Fäden oder Klumpen trüb, die Schatten auf die Netzhaut werfen und als störende „Mouches volantes“ (Fliegende Mücken) erscheinen, die über das Sichtfeld einer Person driften. Obwohl diese Fliegenden Mücken oft harmlos sind, können jene, die sich sehr nah an der empfindlichen Netzhaut befinden, das Sehvermögen schwer beeinträchtigen. Die Behandlung ist schwierig, da die Werkzeuge, die dazu verwendet werden, sie aufzubrechen, oft das Risiko bergen, das umliegende gesunde Gewebe zu beschädigen. Jahrzehntelang verließen sich Chirurgen auf Laser, die Pulse aussenden, die eine Milliardstel Sekunde dauern, aber diese Pulse sind so lang, dass sie Hitze und Schockwellen erzeugen können, die sich ausbreiten, was Ärzte dazu zwingt, einen großen Abstand zur Netzhaut einzuhalten, um Katarakte (Grauen Star) oder andere Verletzungen zu vermeiden. Ein neuerer Ansatz nutzt ultrakurze Lichtpulse, die nur wenige hundert Billiardstel einer Sekunde dauern. Da diese Pulse so kurz sind, setzen sie die Energie so schnell frei, dass das Gewebe keine Zeit hat, sich zu erhitzen oder zu bewegen; stattdin verwandelt die Lichtenergie das Wasser im Gewebe augenblicklich in eine winzige, expandierende Gasblase, die dann kollabiert. Dieser Prozess, bekannt als Kavitation, kann Fliegende Mücken mit extremer Präzision aufbrechen, aber nur, wenn der Laser tief im Auge fokussiert werden kann, ohne seine Leistung zu verlieren oder unerwünschte Nebenwirkungen zu erzeugen.

Forscher der Polytechnique Montreal machten sich daran, genau zu verstehen, wie sich diese ultrakurzen Laserpulse verhalten, wenn sie durch den Glaskörper reisen, wobei sie speziell untersuchten, wie sich der Fokus des Lasers verändert, während er tiefer in das Auge vordringt. Um dies zu erreichen, benötigten sie ein Material, das dem echten Auge ähnelte, aber einfacher zu handhaben war. Sie erschufen eine synthetische Version des Augengelees unter Verwendung einer Mischung aus Wasser, einem in Lebensmitteln vorkommenden gängigen Verdickungsmittel und einer Substanz, die natürlicherweise in menschlichen Gelenken vorkommt. Sie testeten auch echtes Glaskörpergewebe aus Schweineaugen, das dem menschlichen Pendant sehr ähnlich ist. Indem sie einzelne Laserlichtpulse auf diese Materialien abfeuerten, konnten sie beobachten, was geschah, wenn das Licht das Ziel traf. Sie fanden heraus, dass es möglich war, diese winzigen Blasen mit einem einzigen Lichtpuls zu erzeugen, der sehr wenig Energie trug – weit weniger als die älteren Lasersysteme erforderten. Diese niedrige Energie ist entscheidend, da dies bedeutet, dass der Laser weniger wahrscheinlich das umliegende Gewebe beschädigt, während er durch das Auge wandert.

Das Team stellte fest, dass die Tiefe, in der sie versuchten, die Blase zu erzeugen, eine signifikante Rolle spielte. Wenn sie den Laser tiefer in das Material fokussierten, hielt die Blase nicht mehr so lange an und es wurde schwieriger, überhaupt eine zu erzeugen. Dies geschah, weil der Laserstrahl, der als enger, konzentrierter Punkt beginnt, dazu neigt, sich auszudehnen und verschwommen zu werden, während er durch die gekrümmten Schichten des Auges wandert. Die Forscher testeten zwei verschiedene Linsen zur Fokussierung des Lichts: eine, die einen sehr engen, scharfen Fokus erzeugte, und eine, die einen breiteren, weicheren Fokus erzeugte. Sie fanden heraus, dass die Linse mit dem engeren Fokus, die normalerweise für Präzision bevorzugt wird, unter zunehmender Tiefe viel stärker unter diesem Streueffekt litt. Die mit diesem engen Fokus erzeugten Blasen verschwanden viel schneller, je tiefer der Laser eindrang, was darauf hindeutete, dass sich die Energie ausbreitete und zu schwach wurde, um die Blase aufrechtzuerhalten. Im Gegensatz dazu bewahrte die Linse mit dem breiteren Fokus die Fähigkeit, auch in größeren Tiefen konsistenter Blasen zu erzeugen, obwohl die Blasen etwas größer waren.

Die Studie verglich auch das Verhalten des synthetischen Gelees mit dem echten Schweinegewebe. Während die Blasen im echten Gewebe etwas länger anhielten – wahrscheinlich, weil die natürliche Struktur des Augengelees das Wasser fester bindet –, war die Art und Weise, wie die Blasen bei zunehmender Laser-Tiefe reagierten, in beiden Materialien bemerkenswert ähnlich. Dies deutet darauf hin, dass die synthetische Mischung ein zuverlässiger Ersatz für das Testen neuer Lasertechniken ist, bevor diese am Patienten angewendet werden. Die Forscher untersuchten auch, ob das Abfeuern einer schnellen Serie von Pulsen anstelle eines Einzelschusses helfen würde. Sie fanden heraus, dass eine schnelle Serie zwar Blasen erzeugen konnte, aber mehr Gesamtenergie erforderte und die Ergebnisse weniger vorhersehbar machte, da die Blasen länger anhielten und stärker in ihrer Größe variierten. Diese Variabilität könnte in einem chirurgischen Umfeld, in dem Konsistenz entscheidend ist, gefährlich sein.

Letztendlich verdeutlicht die Arbeit eine grundlegende Herausforderung beim Einsatz dieser fortschrittlichen Laser in der tiefen Augenchirurgie: Je tiefer der Chirurg eingreifen muss, desto mehr verändert sich die Form des Laserstrahls, was es schwieriger macht, den präzisen Energieschub zu liefern, der nötig ist, um eine Fliegende Mücke zu beseitigen, ohne die Netzhaut zu schädigen. Die Ergebnisse legen nahe, dass, obwohl die Technologie großes Potenzial für die Behandlung von Fliegenden Mücken bietet, die derzeit zu riskant zu behandeln sind, die Wahl der Linse und das Verständnis darüber, wie Licht durch das Auge gebrochen wird, entscheidend sind. Indem sie zeigten, dass Pulse mit niedrigerer Energie effektiv funktionieren können und dass synthetische Modelle das echte Auge genau nachbilden können, bietet die Studie einen klareren Weg für die Entwicklung sichererer, präziserer Behandlungen, die eines Tages das Sehvermögen derer wiederherstellen könnten, die unter Fliegenden Mücken nahe der Netzhaut leiden.