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

Nel profondo dell'occhio, dietro il cristallino e davanti alla retina, si trova una sostanza chiara e gelatinosa chiamata umore vitreo. Essa riempie lo spazio del bulbo oculare, mantenendone la forma e permettendo alla luce di passare verso il retro dell'occhio, dove inizia la visione. A volte, questo gel trasparente può diventare torbido a causa di minuscoli filamenti o grumi che proiettano ombre sulla retina, apparendo come fastidiosi "floaters" (mosche volanti) che fluttuano nel campo visivo di una persona. Sebbene questi floaters siano spesso innocui, quelli situati molto vicino alla delicata retina possono compromettere gravemente la vista. Trattarli è difficile perché gli strumenti utilizzati per scomporli rischiano spesso di danneggiare il tessuto sano circostante. Per decenni, i chirurghi si sono affidati a laser che emettono impulsi della durata di un miliardesimo di secondo, ma questi impulsi sono così lunghi da generare calore ed onde d'urto che possono diffondersi, costringendo i medici a mantenersi lontani dalla retina per evitare di causare cataratte o altre lesioni. Un approccio più recente utilizza impulsi di luce ultra-brevi che durano solo pochi centinaia di quadrilionesimi di secondo. Poiché questi impulsi sono così brevi, depositano l'energia così rapidamente che il tessuto non ha il tempo di scaldarsi o muoversi; invece, l'energia luminosa trasforma istantaneamente l'acqua nel tessuto in una minuscola, espandente bolla di gas, che poi collassa. Questo processo, noto come cavitazione, può scomporre i floaters con estrema precisione, ma solo se il laser può essere focalizzato in profondità all'interno dell'occhio senza perdere la sua potenza o creare effetti indesiderati.

I ricercatori della Polytechnique Montreal si sono posti l'obiettivo di capire esattamente come questi impulsi laser ultra-brevi si comportano quando viaggiano attraverso l'umore vitreo, osservando specificamente come il fuoco del laser cambi man mano che penetra più in profondità nell'occhio. Per farlo, avevano bisogno di un materiale che agisse come quello reale ma fosse più facile da manipolare. Hanno creato una versione sintetica del gel dell'occhio utilizzando una miscela di acqua, un comune agente addensante trovato negli alimenti e una sostanza naturalmente presente nelle articolazioni umane. Hanno anche testato vero umore vitreo prelevato da occhi di maiale, che assomiglia molto alla versione umana. Siparando singoli impulsi di luce laser su questi materiali, hanno potuto osservare cosa accadeva quando la luce colpiva l'obiettivo. Hanno scoperto che era possibile creare queste minuscole bolle con un singolo impulso di luce che trasportava pochissima energia, molto meno di quanto richiedessero i vecchi sistemi laser. Questa bassa energia è cruciale perché significa che il laser è meno propenso a danneggiare il tessuto circostante mentre attraversa l'occhio.

Il team ha scoperto che la profondità alla quale si cercava di creare la bolla era significativa. Quando focalizzavano il laser più in profondità nel materiale, la bolla durava meno tempo e diventava più difficile da creare. Ciò accadeva perché il raggio laser, che inizia come un punto stretto e concentrato, tende a distendersi e diventare sfocato mentre viaggia attraverso gli strati curvi dell'occhio. I ricercatori hanno testato due lenti diverse per focalizzare la luce: una che creava un fuoco molto stretto e nitido e un'altra che creava un fuoco più ampio e morbido. Hanno scoperto che la lente con il fuoco più stretto, solitamente preferita per la precisione, soffriva molto di più di questo effetto di distensione all'aumentare della profondità. Le bolle create con questo fuoco stretto scomparivano molto più velocemente man mano che il laser andava in profondità, indicando che l'energia si stava disperdendo e diventando troppo debole per sostenere la bolla. Al contrario, la lente con il fuoco più ampio manteneva la capacità di creare bolle in modo più costante a profondità maggiori, sebbene le bolle fossero leggermente più grandi.

Lo studio ha anche confrontato il comportamento del gel sintetico rispetto al vero tessuto dell'occhio di maiale. Sebbene le bolle nel tessuto reale durassero un po' più a lungo, probabilmente perché la struttura naturale del gel dell'occhio trattiene l'acqua più saldamente, il modo in cui le bolle si comportavano mentre il laser andava in profondità era sorprendentemente simile in entrambi i materiali. Ciò suggerisce che la miscela sintetica sia un sostituto affidabile per testare nuove tecniche laser prima che vengano provate sui pazienti. I ricercatori hanno anche esaminato se sparare una rapida serie di impulsi invece di un singolo colpo aiutasse. Hanno scoperto che, sebbene una rapida serie potesse creare bolle, richiedeva un'energia totale maggiore e rendeva i risultati meno prevedibili, con bolle che duravano molto più a lungo e variavano maggiormente in dimensione. Questa variabilità potrebbe essere pericolosa in un contesto chirurgico, dove la costanza è fondamentale.

In definitiva, il lavoro evidenzia una sfida fondamentale nell'uso di questi laser avanzati per la chirurgia oculare profonda: più in profondità deve andare il chirurgo, più la forma del raggio laser cambia, rendendo difficile fornire la precisa scarica di energia necessaria per eliminare un floater senza danneggiare la retina. I risultati suggeriscono che, sebbene la tecnologia sia molto promettente per trattare i floaters che sono attualmente troppo rischiosi da toccare, la scelta della lente e la comprensione di come la luce si piega attraverso l'occhio siano critiche. Dimostrando che gli impulsi a bassa energia possono funzionare efficacemente e che i modelli sintetici possono imitare accuratamente il vero occhio, lo studio fornisce una via più chiara per lo sviluppo di trattamenti più sicuri e precisi che potrebbero un giorno ripristinare la vista per coloro che soffrono di floaters vicino alla retina.