Нероев В.В., Иомдина Е.Н.
ФГБУ «МНИИ глазных болезней им. Гельмгольца» Минздрава РФ, г. Москва, Россия.
Биомеханика – относительно молодая наука, сложившаяся на стыке трех дисциплин: биологии, медицины и механики.
Центральная идея биомеханики состоит в том, что фундаментальные принципы классической механики применяются к исследованию функционирования живых систем.
В процессе своего развития биомеханика разделилась на отдельные специальности, каждая из которых изучает определенные органы и системы живых организмов. Плодотворность биомеханического подхода в кардиологии, травматологии и ортопедии, пульмонологии и других областях медицины обусловила интерес к биомеханике и со стороны офтальмологов: быстрое развитие офтальмологической науки и потребности клинической практики привели к пониманию того, что в решении целого ряда назревших проблем целесообразно использовать фундаментальные дисциплины, в частности, механику.
В начале 70х годов XX века заместитель директора по научной работе МНИИ глазных болезней им. Гельмгольца проф. Э.С. Аветисов и его сотрудники, активно изучавшие патогенез прогрессирующей миопии, столкнулись с проблемой, потребовавшей знаний в области механики мягких тканей.
Проф. Э.С. Аветисов выдвинул трехфакторную теорию патогенеза миопии, согласно которой ведущим фактором развития этой глазной патологии является нарушение опорных (т. е. механических) свойств корнеосклеральной оболочки глаза [1, 2].
В связи с этим впервые была поставлена задача сравнительной оценки биомеханических свойств склеры нормального (эмметропического) и миопического глаза. Для решения данной задачи в 1973 г. было организовано сотрудничество с Институтом механики полимеров АН Латвийской ССР, а в 1974 г. были опубликованы первые результаты биомеханических исследований склеральной ткани [3, 4].
Так в Институте им. Гельмгольца было положено начало новому междисциплинарному научному направлению – исследованиям в области биомеханики глаза.
С точки зрения механики глазное яблоко можно рассматривать как напряженно-упругую замкнутую композитную оболочку (корнеосклеральную капсулу глаза), заполненную несжимаемой жидкостью – камерной влагой и стекловидным телом.
На эту оболочку действуют внутриглазное давление (ВГД) и экстраокулярные мышцы. В нормальных физиологических условиях глаз поддерживает сложившееся динамическое равновесие сил и механических напряжений – свой биомеханический статус. К биомеханическим конструкциям, анатомически и физиологически связанным с корнеосклеральной оболочкой глаза, относятся аккомодационный аппарат, включающий хрусталик и его мышечно-связочный комплекс, а также дренажная система глаза.
В последние десятилетия биомеханические принципы функционирования глаза как единой физиологической системы, а также биомеханические свойства отдельных глазных структур изучаются все более активно как в МНИИ ГБ им. Гельмгольца, так и в других научно-клинических центрах [10, 16, 22].
Углубленные исследования в области биомеханики глаза, достигнутые результаты и возникающие в процессе работы вопросы естественным образом привели к необходимости их обсуждения в широком кругу заинтересованных специалистов и организации тематических конференций.
В 1998 г. в МНИИ ГБ им. Гельмгольца совместно с коллегами из Санкт-Петербурга (при активном участии И.Н. Кошица) состоялась межрегиональная встреча ученых, посвященная биомеханике. Она дала толчок последующей серии конференций, которые с 2001 г. проводились на регулярной основе.
До настоящего времени состоялось семь таких конференций (последняя проводилась в формате секции РООФ в 2011 г.).
На этих конференциях, посвященных биомеханике аккомодации и рефракции, биомеханическим свойствам роговицы и склеры, биомеханике внутриглазного давления и гидродинамике внутриглазной жидкости, биомеханике движений глаз и т. д., принимали участие как российские исследователи (из Москвы, Санкт-Петербурга, Ярославля, Самары, Кирова, Иркутска, Саратова и многих других городов), так и иностранные ученые, труды конференций издавались на русском и английском языках.
Проф. В.В. Волков, всегда активно поддерживавший исследования в области биомеханики глаза, на межрегиональном семинаре в 2001 г. обозначил главные и перспективные направления исследований, многие из которых в том или ином объеме реализовались в последующих работах [6].
В первую очередь необходимо упомянуть исследования биомеханических свойств корнеосклеральной капсулы, которые обнаружили ее неоднородность и анизотропность, установили роль патологии склеральной ткани в патогенезе миопии, а также выявили ключевые нарушения ее опорных свойств, характерные для прогрессирующего течения миопии [9, 17, 32].
Результаты этих исследований, проводившихся в МНИИ ГБ им. Гельмгольца в течение многих лет, заложили основу для разработки эффективных методов диагностики прогрессирующей миопии и новых технологий ее склероукрепляющего лечения как хирургического, так и безоперационного (в частности, метода ИСУ – инъекции склероукрепляющей) [9, 27, 29].
Биомеханические исследования способствовали созданию новых пластических материалов, в том числе не имеющего мировых аналогов биологически активного синтетического материала, широко использующегося в настоящее время в офтальмохирургии [18, 28]. В последние годы этот фрагмент биомеханических исследований направлен на разработку принципиально новой стратегии коррекции нарушенных опорных свойств миопической склеры, предусматривающей воздействие на внутреннюю структуру склеральной ткани с целью повысить ее устойчивость к механическим нагрузкам за счет увеличения количества стабилизирующих поперечных химических связей в коллагеновых структурах склеры [8, 12, 33, 34].
Этот подход – так называемый кросслинкинг склеры, вызываемый ее ультрафиолетовым облучением и/или воздействием химических агентов, показал свою высокую эффективность в эксперименте на животных, что свидетельствует о безусловной перспективности дальнейших исследований, в результате которых эта технология в будущем станет доступной в клинической практике.
Проведенное в МНИИ ГБ им. Гельмгольца совместно с известным немецким специалистом доктором Г. Воллензаком экспериментальное изучение биомеханической эффективности кросслинкинга роговицы, вызванного ее ультрафиолетовым облучением на фоне инстилляций фотосенсибилизатора (рибофлавина), фундаментально обосновало высокий терапевтический эффект метода лечения кератоконуса, признанного в настоящее время во всем мире [12, 35].
Клиническая оценка биомеханических показателей роговицы, их динамики в результате кросслинкинга, сочетающегося с фемтолазерной имплантацией интрастромальных роговичных сегментов, прогноз и оценка эффекта такого лечения стали возможны благодаря использованию в МНИИ ГБ им. Гельмгольца анализатора глазного ответа ORA (США) – прибора, специально разработанного для определения биомеханических параметров корнеосклеральной капсулы, а также более точного, минимально зависящего от индивидуальных упруго-вязких свойств ткани роговицы, внутриглазного давления [20, 24, 25].
Проблемы, связанные с корректным измерением ВГД, вопросы возможного влияния ригидности фиброзной капсулы глаза на результаты тонометрии и, что особенно важно, на развитие глаукомной экскавации, стали предметом целенаправленных биомеханических исследований.
Благодаря работам, выполненным в МНИИ ГБ им. Гельмгольца, удалось доказать существенную роль нарушения структурных и биомеханических свойств склеры в развитии глаукомного поражения. Впервые выявлена структурно-биомеханическая и биохимическая патология склеры глаз с глаукомой, а именно избыточное формирование в коллагеновых структурах склеры поперечных химических связей, повышающих ее жесткость, что в свою очередь снижает отток внутриглазной жидкости [5, 7, 11, 13, 15].
Эти данные существенно расширили наше понимание патогенетических механизмов данного заболевания и позволили разработать новые критерии диагностики и технологии патогенетической терапии, направленной на регуляцию биомеханических характеристик склеры.
Для борьбы с избыточным поперечным сшиванием и коррекции нарушенных биомеханических свойств корнеосклеральной капсулы глаукомного глаза была предложена и апробирована в эксперименте направленная ферментативная (протеолитическая) терапия [15]. Обнадеживающие результаты эксперимента позволили начать клиническую апробацию новой технологии консервативной терапии ПОУГ, заключающейся в проведении курса магнитофореза с коллализином.
Первые результаты показали, что такое лечение изменяет биомеханические свойства корнеосклеральной капсулы глаза, уменьшает ее жесткость и акустическую плотность, улучшает гидродинамику глаукомных глаз, что свидетельствует о целесообразности продолжения исследований эффективности данного подхода к терапии ПОУГ [26].
Еще одним новым лечебным подходом, основанным на результатах биомеханического и биохимического исследования (микроэлементного анализа), стала системная терапия препаратом магния, дефицит которого был обнаружен в тканях и средах глаукомных глаз [14].
Пилотная клиническая апробация выявила достоверное снижение ВГД, а также благоприятное воздействие курсового приема препарата на биомеханические показатели корнеосклеральной капсулы глаза, гидродинамику и структурно-функциональное состояние глаз с ПОУГ, что является основанием для дальнейшей всесторонней оценки его эффективности в комплексе медикаментозной терапии глаукомной нейропатии [21].
Новым шагом в диагностике ПОУГ является разработанный в МНИИ ГБ им. Гельмгольца совместно с НИИ механики МГУ им. М.В. Ломоносова алгоритм оценки гидродинамических показателей глаукомных глаз на основе учета индивидуальных упругих свойств корнеосклеральной капсулы с помощью модифицированной тонографии и дифференциальной тонометрии, который позволяет получить более достоверные значения коэффициента легкости оттока и точнее оценить динамическое состояние путей оттока [23].
В последние годы в МНИИ ГБ им. Гельмгольца активно развивается новое направление исследований, посвященное оценке биомеханических свойств комплекса тканей век и периорбитальных тканей при их травматическом повреждении, рубцовых деформациях, птозе и других патологиях.
Впервые определены упруго-прочностные характеристики кожи верхнего века, леватора, круговой мышцы и установлена их связь с клиническими особенностями птоза; выявлены биомеханические особенности рубцовоизмененной кожи верхнего и нижнего века, тканей периорбитальной области и конъюнктивы, связанные с характером травматического повреждения [19, 31].
Предложены биомеханические критерии выбора наиболее адекватных свободных трансплантатов, использующихся для реконструктивной пластики конъюнктивы, век и периорбитальных тканей, на основе изучения их биомеханических свойств, что позволяет повысить эффективность хирургического лечения [30].
Современные достижения в области информационных технологий позволили создать не имеющую аналогов в мире компьютерную биомеханическую 3D-модель глаза, выполненную в виде виртуальной параметрической среды и учитывающую большинство известных анатомо-оптических параметров и физико-механических свойств глазных структур [17]. Эта модель включает численное моделирование методом конечных элементов с использованием программного комплекса ANSYS, твердотельную и оптическую модель глаза.
Разработанная в МНИИ ГБ им. Гельмгольца модель может быть использована для изучения нормальной и патологической физиологии органа зрения. Биомеханическая модель аккомодации как часть общей биомеханической модели глаза позволила оценить роль отдельных структур глаза в ее механизме и создала основу для разработки новых адекватных средств повышения аккомодационной способности [17].
Стоит отметить также, что биомеханическая модель человеческого глаза может быть использована в качестве виртуального тренажера в учебном процессе.
Подводя итоги четырех десятилетий развития биомеханических исследований в МНИИ ГБ им. Гельмгольца, можно заключить, что они принесли существенные теоретические и практические результаты в решении различных проблем патологии глаза, поэтому дальнейшее развитие данного направления можно считать перспективным и полезным, особенно при активном сотрудничестве специалистов различных научно-практических центров.
Литература:
1. Аветисов Э.С. Близорукость. – М., 1999. – 285 с.
2. Аветисов Э.С., Маслова И.П., Булач Э.Х. О физических и гистохимических свойствах склеры при эмметропии и миопии // Вестн. офтальмологии. – 1971. – No 1. – C. 9-13.
3. Аветисов Э.С., Саулгозис Ю.Ж., Вилкс Ю.К. и др. Исследование ряда механических характеристик склеры // Миопия: Сб. научн. работ. – М., 1974. – C. 6372.
4. Аветисов Э.С., Ферфильфайн И.Л., Круш И.И. Реологические свойства склеры при высокой близорукости // Вестн. офтальмологии. – 1974. – No 6. – C. 43-47.
5. Арутюнян Л.Л. Роль вязкоэластических свойств глаза в определении давления цели и оценке развития глаукоматозного процесса: Дис. ... канд. мед. наук. – М., 2009.
6. Волков В.В. Актуальные и, по-видимому, наиболее перспективные направления в изучении биомеханики функционирования органа зрения в нормальном и патологическом состояниях // Биомеханика глаза. – М., 2001. – C. 3-4.
7. Данилов Н.А., Игнатьева Н.Ю., Иомдина Е.Н. и др. Исследование склеры глаукомных глаз с помощью физико-химического анализа // Биофизика. – 2011. – Т. 56, No 3. – С. 520-526.
8. Данилов Н.А., Игнатьева Н.Ю., Иомдина Е.Н. и др. Увеличение стабильности склерального коллагена в в ходе гликозилирования треозой in vitro // Журн. физической химии. – 2010. – T. 84, No 1. – C. 131-137.
9. Иомдина Е.Н. Биомеханические и биохимические нарушения склеры при прогрессирующей близорукости и методы их коррекции // Зрительные функции и их коррекция у детей. – М., 2005. – C. 163-183.
10. Иомдина Е.Н. Механические свойства тканей глаза человека // Современные проблемы биомеханики, вып. 11. – M.: Издво МГУ, 2006. – C. 183-200.
11. Иомдина Е.Н., Арутюнян Л.Л., Катаргина Л.А. и др. Взаимосвязь корнеального гистерезиса и структурно-функциональных параметров зрительного нерва при разных стадиях первичной открытоугольной глаукомы // РОЖ. – 2009. – No 3. – С. 17-23.
12. Иомдина Е.Н., Воллензак Г. Экспериментальное укрепление роговицы и склеры путем повышения уровня их поперечной связанности // Биомеханика глаза 2007. – М., 2007. – C. 87-93.
13. Иомдина Е.Н., Игнатьева Н.Ю., Данилов Н.А. и др. Биохимические и cтруктурно-биомеханические особенности матрикса склеры человека при первичной открытоугольной глаукоме // Вестн. офтальмологии. – 2011. – No 6. – С. 10-14.
14. Иомдина Е.Н., Киселева О.А., Василенкова Л.В. и др. Влияние коррекции уровня магния на внутриглазное давление и биомеханические показатели корнеосклеральной капсулы больных с первичной открытоугольной глаукомой // РОЖ. – 2012. – T. 5, No 4. – C. 27-32.
15. Иомдина Е.Н., Киселева О.А., Назаренко Л.А. и др. Влияние биомеханических свойств корнесклеральной капсулы глаза на гидродинамику внутриглазной жидкости (экспериментальное исследование) // Биомедицина. – 2012. – No 3. – C. 25-34.
16. Иомдина Е.Н., Кошиц И.Н. Биомеханические исследования в современной офтальмологии // Вестник АМН. – 2003. – No 9. – C. 25-29.
17. Иомдина Е.Н., Орлова А.Н. О некоторых прочностных свойствах склеры глаз человека в норме и при миопии // Всесоюзный съезд офтальмологов, 5-й: Тез. докл. – М., 1979.
18. Иомдина Е.Н., Полоз М.В. Возможности использования биомеханической модели глаза для изучения возрастных изменений аккомодационной способности // РОЖ. – 2011. – No 1. – С. 17-21.
19. Иомдина Е.Н., Тарутта Е.П., Андреева Л.Д. и др. Экспериментальное обоснование склероукрепляющего лечения прогрессирующей близорукости биологически активным синтетическим трансплантатом // Рефракционная хирургия и офтальмол. – 2005. – No 4. – С. 19-23.
20. Иомдина Е.Н., Филатова И.А., Ситникова Д.Н. Упругопрочностные свойства периорбитальных тканей при различных офтальмопатологиях // Рос. журн. биомеханики. – 2012. – Т. 16, No 2. – С. 38-49.
21. Катаргина Л.А., Гвоздюк Н.А., Еремина М.В. Биомеханические свойства роговицы при постувеальной глаукоме и увеитах // Рос. общенац. офтальмол. форум: Сб. науч. ст. – М., 2008. – С. 548-551.
22. Киселева О.А., Иомдина Е.Н., Василенкова Л.В. и др. Применение магнийсодержащего препарата для лечения больных с первичной открытоугольной глаукомой (ПОУГ ) // Фарматека. – 2012. – No 3. – C. 91-95.
23. Котляр К.Е., Иомдина Е.Н., Кошиц И.Н. Биомеханика глаза как высокоэффективный инструмент для выбора и разработки перспективных направлений клинических и экспериментальных исследований // Биомеханика глаза 2004. – М., 2004. – C. 3-8.
24. Любимов Г.А., Моисеева И.Н., Штейн А.А. и др. Об оценке величины оттока жидкости из глаза с помощью модифицированного метода тонографии // Рос. журн. биомеханики. – 2012. – T. 16, No 2. – C. 8-20.
25. Нероев В.В., Ханджян А.Т., Зайцева О.В. Новые возможности в оценке биомеханических свойств роговицы и измерении внутриглазного давления // Глаукома. – 2006. – No 1. – С. 51-58.
26. Нероев В.В., Ханджян А.Т., Пенкина А.В., Склярова А.С. Применение кросслинкинга роговичного коллагена в лечении кератоконуса I-II стадии // РОЖ. – 2012. – No 1. – С. 62-64.
27. Тарутта Е.П. Возможности профилактики прогрессирующей и осложненной миопии в свете современных знаний о ее патогенезе // Вестн. офтальмологии. – 2006. – No 1. – С. 43-47.
28. Тарутта Е.П., Иомдина Е.Н., Киселева О.А., Филатова И.А. и др. Универсальный синтетический материал для офтальмохирургии // РОЖ. – 2010. – No 4. – C. 71-75.
29. Тарутта Е.П., Иомдина Е.Н., Маркосян Г.А. и др. Новые технологии склероукрепляющего лечения прогрессирующей миопии // Педиатрическая офтальмология. – 2008. – No 1. – C. 28-30.
30. Филатова И.А., Иомдина Е.Н., Ситникова Д.Н. Биомеханические критерии выбора свободных трансплантатов для пластики рубцовоизмененных тканей периорбитальной области // РОЖ. – 2012. – T. 5, No 3. – C. 67-70.
31. Филатова И.А., Иомдина Е.Н., Ситникова Д.Н. Связь биомеханических параметров тканей верхнего века с клиническими особенностями птоза // РОЖ. – 2012. – No 2. – C. 63-67.
32. Avetisov E.S., Savitskaya N.F., Vinetskaya M.I., Iomdina E.N. A study of biochemical and biomechanical qualities of normal and myopic eye sclera in humans of different age groups // Metabolic, Pediatric and Systemic Ophthalmology. – 1984. – Vol. 7. – P. 183-188.
33. Wollensak G., Iomdina E.N. Crosslinking of scleral collagen in the rabbit using glyceraldehyde // J. Cataract. Refract. Surg. – 2008. – Vol. 34, No. 4. – P. 651-656.
34. Wollensak G., Iomdina E., Stoltenburg G., Dittert D. Crosslinking of scleral collagen in the rabbit using riboflavin and UVA // Acta Ophthalmologica Scandinavica. – 2005. – Vol. 83. – P. 477-482.
35. Wollensak G., Iomdina E., Dittert D.D., Herbst H. Wound healing in the rabbit cornea after corneal collagencrosslinking using riboflavin and UVA // Cornea. – 2007. – Vol. 26. – P. 600-605.
Внимание! Данная информация предназначена исключительно для ознакомления. Любое применение опубликованного материала возможно только после консультации со специалистом.
Разрешается некоммерческое цитирование материалов данного раздела при условии полного указания источника заимствования: имени автора и WEB-адреcа данного раздела www.organum-visus.com, www.eye-portal.ru,www.sabar.eye-portal.ru