Статьи

Будущее контактных линз: Dk имеет значение

Б.Холден, С.Стреттон, П.Лазон де ла Джара, К.Эрманн, В.Ла Худ, Институт исследований глаза, Сидней, Австралия

Недавно предположили, что объем кислорода, пропускаемый любой силикон-гидрогелевой контактной линзой, достаточен для обеспечения здорового состояния роговицы, а попытки достичь еще большего пропускания уже не имеют практического значения и не влияют на состояние роговицы пациента. Из этого следует, что даже силикон-гидрогелевые линзы с самым низким пропусканием кислорода (Dk/t) вполне всех устраивают и не имеет смысла пытаться полностью устранить гипоксию.

Dk (кислородная проницаемость) и Dk/t (пропускание кислорода), тем не менее, имеют значение. Глаз с гораздо большей вероятностью останется в нормальном состоянии, если будет получать максимально возможные количества кислорода. Конечно, доступность кислорода – не единственная важная составляющая успешного и безопасного ношения контактных линз. Адекватная подвижность, устойчивость к образованию отложений, оптические и физические свойства, совместимость с тканями глаза и поверхностная смачиваемость также очень существенны. Как следствие, линзы с наивысшей кислородной проницаемостью должны быть равны или превосходить по другим указанным свойствам обычные гидрогелевые линзы с низким Dk/t.

Пользователям нужны линзы с самыми высокими Dk/t по одной простой причине: роговица адаптирована для нормального количества кислорода днем при открытом глазе и сниженного объема кислорода ночью при закрытом веке. Любое ухудшение кислородного режима потребует от роговицы перестроиться и отдаленные последствия этого могут быть неблагоприятны. Зачем создавать проблемы роговице, если в этом нет необходимости?

Как постулировали Н.Эфрон и Н.Бреннан, реальная потребность роговицы в кислороде при ношении контактных линз выражается в 20,9% (это концентрация кислорода в атмосфере), поэтому любая линза, снижающая доступ атмосферного кислорода к глазу, потенциально будет влиять на физиологию роговицы.

Пропускание кислорода некоторых силикон-гидрогелевых линз в отдельных зонах составляет всего 25-30 единиц (Dk/t), тогда как интегральный коэффициент пропускания кислорода (через всю поверхность) другими линзами превышает 100 единиц. Даже для среднестатистического пользователя нет смысла подвергать роговицу риску получить меньше максимально возможного количества кислорода; к тому же практически все пациенты время от времени дремлют в своих линзах. Зачем подвергать роговицу гипоксическому стрессу, если этого можно избежать?

Гипоксия, вызванная контактными линзами

За единственным возможным исключением (линзы из силиконового эластомера при закрытых веках), контактные линзы препятствуют доступу кислорода к роговице, создавая вызванную линзами гипоксию. Начиная с этапа становления контактной коррекции, хроническая гипоксия роговицы была в центре внимания, поскольку вызывает очевидный отек роговицы, описанный под названиями вуали Сэттлера (гаптические линзы)6, центрального облачка роговицы (роговичные линзы), а также вызывает появление стрий и складок роговицы (мягкие линзы). В качестве отдаленных последствий гипоксия приводит к развитию синдрома истощения роговицы и в конечном итоге отказу от ношения контактных линз.

В последние десятилетия обнаружили, что контактные линзы, не отвечающие потребностям роговицы в кислороде, нарушают ее метаболизм и целостность, снижают толщину роговичного эпителия, увеличивают полимегатизм эндотелия и покраснение лимба, а также вызывают васкуляризацию роговицы. Более того, в лабораторных и клинических исследованиях было показано, что гипоксия способна увеличить адгезию бактерий к эпителиальным клеткам, а ночная гипоксия роговицы увеличивает риск инфицирования.

Однако опыт работы с линзами из силиконовых эластомеров, а позднее – и с силикон-гидрогелевыми линзами, свидетельствует о том, что устранения гипоксии еще недостаточно для предотвращения инфицирования роговицы. Гипоксия – один из факторов риска развития микробного кератита, но ночное ношение линз (при закрытом глазе) и бактериальная контаминация могут «перевесить» эффект устранения гипоксии.

Оценка и способы измерения объема кислорода

Ученые впервые указали на необходимость пропускания кислорода материалом контактной линзы еще 60 лет назад. Но дебаты на эту тему продолжаются по сию пору, точнее говоря, они касаются реальной потребности роговицы в кислороде, отчасти ввиду невозможности измерить ее прямым путем в нормальной клинической ситуации, а также по причине большого разнообразия физиологических и клинических показателей, но основании которых в разных работах устанавливаются различные пороговые уровни.

Различия в методах измерения или вычисления потока кислорода, а также некорректное использование терминологии ставят в тупик специалистов, а заодно (в виде рекламных заявлений компаний) вводят в заблуждение пациентов. Специалистам нужен надежный и практичный способ измерения кислородных характеристик линз. Кроме того, вместо того, чтобы полагаться на сомнительные заявления типа «все контактные линзы обеспечивают практически одинаково высокие уровни кислорода для роговицы», было бы желательно все же понять, каковы же истинные профили пропускания кислорода через всю поверхность линз с разными Dk, разной толщиной и оптической силой.

Специалисты были бы готовы доверять двум методам оценки потока кислорода:
• Измерения in vitro кислородной проницаемости материала с последующими расчетами и построением модели, способной извлечь клинически значимые результаты из данных измерений in vitro.
• Клиническая оценка in vivo и количественное измерение результатов воздействия на роговицу линз с различным пропусканием кислорода с помощью признанных методов (например, пахиметрии).

Преимущество измеряемого in vitro параметра, в частности Dk (где D – это коэффициент диффузии, а k –растворимость кислорода в материале), состоит в простой стандартной технике, с помощью которой может быть получен надежный результат. Dk – свойство материала, а Dk/t (где t – толщина линзы, которая может быть измерена по центру или быть усредненной) – локальная или усредненная мера легкости прохождения кислорода через линзу (или обратно пропорциональна сопротивлению линзы пропусканию кислорода). Dk, свойство материала, вычисляется из лабораторных измерений t/Dk (сопротивления потоку) и описывает проницаемость материала линзы вне зависимости от его толщины (эффекты края и барьерный эффект учитываются). Как только становится известным Dk, можно вычислить Dk/t всех линз, сделанных из этого материала. Таким образом, Dk позволяет специалисту оценить доступность кислорода через линзы различной толщины, оптической силы и формы.

Понимание Dk/t

Чтобы понять взаимоотношение Dk/t и потока кислорода, важно знать, что t/Dk (сопротивление потоку) измеряется при помещении линзы между богатой кислородом средой и средой, полностью его лишенной. Dk/t есть мера максимальной способности линзы пропустить кислород к глазу, когда передняя поверхность линзы контактирует с внешней средой, а задняя находится в условиях аноксии. Подобная модель примерно соответствует ситуации, когда пациент открыл глаз, на котором надета очень толстая линза с низким Dk/t. Dk и Dk/t позволяют специалисту оценить кислородные характеристики для линз разной формы, разной оптической силы и разных внешних условий (афакичного глаза, линз с очень толстым краем, на больших высотах над уровнем моря, в самолете, во время сна и т.д.).

Очередная проблема состоит в том, что Dk/t, характеризующее линзу (или даже целый тип линз), в действительности описывает только Dk/t в центральной зоне линзы с оптической силой -3,00 D. Это же значение Dk/t (в самой тонкой точке линзы 3,00 D) используется и для вычисления кислород ного потока. Подобное представление кислородной проницаемости является сверхупрощенным, поскольку игнорируется разная толщина линз в центре при неодинаковых оптических силах, а также геометрия профилей линзы вне центральной зоны. А эти особенности существенным образом влияют на кислородный режим роговицы и лимба. В конце концов, люди носят не центр линзы, они носят всю линзу, которая влияет на всю роговицу, включая лимб и лимбальную конъюнктиву. При сравнении профилей толщины в разных зонах доступных на сегодня силикон-гидрогелевых линз (Рис. 1) ясно видны значительные различия в геометрии между линзами. При пересчете этих данных в Dk/t, как и ожидалось, мы видим, что Dk/t в центре «минусовых» линз больше, чем на периферии (Рис. 2), а для «плюсовых» линз все наоборот – на более тонкой периферии Dk/t выше, чем в толстом центре (Рис. 3). Контактные линзы из одного материала, но с разной геометрией, пропускают разные количества кислорода к роговице.

Рис. 1. Профили толщины силикон гидрогелевых линз (3,00 D)

 

Поток кислорода

Пытаясь оценить количество кислорода, реально достигающее роговицу через единицу площади линзы в единицу времени (поток кислорода) и связать количество потребляемого роговицей кислорода с проходящим через линзу потоком, Hill и Fatt27 смоделировали распределение кислорода через роговицу, применив закон диффузии Фика:

Рис. 2. Цветные карты пропускания кислорода (Dk/t) для некоторых силикон гидрогелевых линз 3,00 D (вверху) и 6,00 D (внизу)

 

Рис. 3. Цветные карты пропускания кислорода (Dk/t) для некоторых силикон гидрогелевых линз +6,00 D.

 j = Dk/t x (P1-P0), где j поток кислорода, P1 давление кислорода в атмосфере, P0 давление кислорода под линзой. Закон Фика позволяет оценить пассивный поток кислорода и исходит из того, что поток зависит от градиента концентрации кислорода между передней и задней поверхностью (например, линзы) и коэффициента проницаемости материала линзы.

Измерить парциальное давление кислорода за контактной линзой (Po) довольно сложно. Hamano24 сумел это сделать с использованием тонкого кислородного зонда, Bonanno добился этого, используя чувствительные к кислороду флюоресцентные красители, а Hill измерял Po непрямым способом, оценивая эквивалентный процент кислорода (EOP). Значение EOP получают, сдвигая линзу с глаза и немедленно измеряя потребление кислорода, а затем нормализуя полученные данные в соответствии со значениями ответа роговицы на стандартные газовые среды.

Brennan1 считает, что общее потребление кислорода роговицей должно заменить Dk/t и поток кислорода в качестве критерия оценки линз, поскольку этот параметр лучше отражает метаболизм роговицы при их ношении. Однако трудности связаны с теоретической природой вычислений, к тому же основанных на многочисленных допущениях и неизмеряемых переменных в течение дня величинах, а также зависимостью вычислений от типа самих линз.

По первой модели Бреннана для оценки потока кислорода, пропускания в 15 единиц достаточно для дневного ношения линз, а 50 единиц – для обеспечения нормального кислородного режима при пролонгированном ношении. Но данные реальных измерений уровня отека при дневном и ночном использовании линз свидетельствуют, что такие пороговые значения не позволяют избежать появления даже грубых патофизиологических признаков, например, развития видимого отека роговицы.

Одна из больших проблем состоит в том, что поток высчитывается как вполне определенная величина (хотя и с большим количеством допущений) на основании модели Бреннана1, включающей фиксированное потребление кислорода роговицей. Но потребление кислорода не является постоянной величиной и зависит от концентрации кислорода в окружающем воздухе, pH роговицы, температуры, давления, состояния клеток роговицы.

Сам автор подчеркивает, что его теория – это только теоретическая модель. В ней не учтена динамика изменений метаболизма роговицы, а также изменения во внешней среде (например, ацидоз), хотя в других моделях (Radke and Chhabra) они учтены. По оценкам этих авторов, 125 единиц – минимально необходимый порог, позволяющий избежать значительного ухудшения кислородного режима роговицы при закрытых веках. Но эти соображения не должны сдерживать дальнейшее совершенствование моделей, хотя бы для теоретических целей. И все же, будучи основанными на фиксированных параметрах, подобные модели представляют ограниченный клинический интерес.

Итак, проблемы с использованием кислородного потока для прогнозирования общего состояния роговицы состоят в следующем:
• пригодности модели к внесению дополнительных изменений,
• предположении, что равные (вычисленные) потоки вызывают сходные изменения состояния роговицы.

Второе положение – гипотезу о равенстве потоков – проще понять, если рассмотреть две различных ситуации при одинаковом потоке. Поток есть результат произведения Dk/t на градиент давления по обе стороны линзы (Рис. 4). Из этого следует, что одинаковый поток будет проходить через линзу с Dk/t 100 и градиентом в 10 единиц (например, перепадом давления кислорода со 155 до 145 мм Hg) и через линзу с Dk/t 10, но перепадом парциального давления в 100 единиц (к примеру, со 155 до 55 мм Hg). Вычисленные потоки для этих состояний будут равны: то есть ситуации с линзой с высоким Dk/t и слабым градиентом (в нашем случае, высокой концентрацией кислорода под линзой) и линзой с низким Dk/t с очень высоким градиентом концентрации кислорода между поверхностями линзы (например, крайне низким уровнем кислорода под линзой) математически выглядят одинаково. Очевидно, что здесь допущена ошибка, поскольку физиологически подобные состояния совершенно различны. Одна роговица испытывает дефицит кислорода (его парциальное давление составляет 55 мм Hg, или 7% от концентрации а воздухе), а другая находится в гораздо лучших условиях, если парциальное давление кислорода у ее передней поверхности составляет 145 мм Hg, или 19% от концентрации кислорода в воздухе).

Корреляция Dk/t и состояния роговицы

В недавних работах Ren и Wilson и Cavanagh, касающихся гомеостаза роговицы, установлены причины серьезных и длительных эффектов вызванной линзами гипоксии на физиологию роговицы. В этих работах показано, что все типы контактных линз и все режимы ношения в той или иной степени влияют на целостность и метаболизм эпителия роговицы, а результаты влияния ношения линз на эти процессы частично объясняются вызванной линзами гипоксией. Более того, влияние силикон-гидрогелевых линз на физиологию роговицы минимально по сравнению с линзами других типов, а после длительного ношения силикон-гидрогелевых линз у пациентов отмечают позитивные признаки адаптивной реакции.

Причина большего истончения эпителия при ношении линз с низким Dk/t по сравнению с использованием линз с высокими Dk, видимо, состоит в кислородной недостаточности, создающей дисбаланс между воспроизводством новых клеток базального эпителия и утратой клеток с поверхности роговицы. Низкая скорость слущивания клеток служит сигналом для лимба о низкой потребности в новых клетках. Сниженная потребность приводит с снижению миграции клеток к поверхности и в итоге к истончению роговицы. Было показано10, что пролонгированное_ношение линз с низким Dk/t нарушает метаболизм эпителия, снижая потребление глазом кислорода и уменьшая толщину эпителия роговицы. Jalbert с сотрудниками недавно показали37, что этот эффект сильно уменьшается при использовании силикон-гидрогелевых линз. Они установили, что при использовании силикон-гидрогелевых линз эпителий истончается всего на 7% по сравнению с 23% истончением при ношении гидрогелевых линз с низким Dk/t.

Влияние кислородной депривации на периферии роговицы становится критичным, если учитывать роль лимба в поддержании состояния роговицы. Лимб – единственный источник эпителиальных стволовых клеток, обеспечивающий неограниченное воспроизводство молодых эпителиальных клеток и быструю репарацию поверхностных повреждений роговицы. Любая потеря или нарушение воспроизведения стволовых клеток способно вести к серьезным последствиям, включая рецидивы эрозий, хронический кератит и васкуляризацию.

Какое Dk/t необходимо?

Самый убедительный тест на «полезность» Dk/t – согласованность этого параметра с результатами клинических наблюдений. Если полагать, что все силиконгидрогелевые линзы обеспечивают примерно одинаковый уровень кислорода у поверхности роговицы, не должно быть различий в выраженности клинических признаков гипоксии. Исходя из модели Бреннана, линзы с параметрами пропускания более 15 и 50 (для дневного и пролонгированного ношения, соответственно) уже не будут обеспечивать значимых преимуществ. Но очевидные различия в уровнях покраснения лимба и отека роговицы не подтверждают эту гипотезу.

Papas установил простые взаимоотношения между покраснением лимба и кислородной депривацией на периферии линзы, указав на минимум Dk/t в 125 единиц для элиминации покраснения лимба при дневном ношении. Если бы при дневном ношении пропускание кислорода свыше 15 единиц не давало ощутимых преимуществ, то уровни покраснения лимба при ношении практически всех обычных гидрогелевых линз и всех силикон-гидрогелевых линз значимо не отличались. Однако это не так. Maldonado-Codina обнаружила, что уровни лимбального покраснения при дневном ношении мягких линз с Dk/t по центру 26 или 86 единиц значительно различаются.

Отек роговицы – один из наиболее показательных признаков дефицита в ней кислорода, используемых практиками и учеными для оценки «физиологичности» отдельных линз. При отеке в 4-6% от общей толщины роговицы в задней строме начинают появляться тонкие структурные изменения в виде стрий, при отеке около 8% становятся видимыми также складки эндотелия. Более того, отек роговицы неоднороден на всем ее протяжении, а отражает содержание кислорода в подлинзовой слезной пленке. Если пациент наденет обычную гидрогелевую линзу с большой «дыркой» в центральной зоне (линза походит на бублик), отек роговицы будет наблюдаться в зоне, прикрытой линзой, но не в свободной центральной области (Рис. 4). Отек роговицы хорошо коррелирует с Dk/t при открытом и закрытом глазе. Различия в Dk/t между разными силикон-гидрогелевыми линзами были показаны в исследовании Mueller с соавт., сравнившими отек при ношении силикон-гидрогелевых линз из материалов с Dk 140 и Dk 99. Было показано, что при использовании линз из материала с Dk 140 не обнаружено существенных различий в выраженности центрального и периферического отека роговицы для линз с оптической силой -1,00 D и -6,00 D, а отек при использовании линз с обеими оптическими силами достоверно не отличался от отека роговицы пациента, спящего вообще без линз. Но у пациентов, носивших линзы из материала с Dk 99, был выявлен достоверный отек роговицы в ее центре и на периферии по сравнению с пациентами, не носившими линзы. Более того, в другой работе с линзами из того же материала с Dk 99 было показано, что у 11% из 30 опытных пользователей линзами уровень отека роговицы после сна в линзах превышал 7,7%.

Среднее значение Dk/t в оптической зоне и Dk/t на периферии линзы – два критерия, которые позволяют судить о кислородных характеристиках линз на практике. Первый параметр составляет основу критерия Холдена-Мертца для предотвращения вызванной линзами гипоксии при открытом и закрытом глазе, а второй предложил Э.Папас для профилактики развития лимбальной гипоксии (и возможного влияния на цикл развития стволовых клеток лимба). Критерий Холдена_Мертца основан на усредненной толщине линзы и устанавливает минимально необходимые значения Dk/t в 24, 35 и 87 единиц, соответственно, для недопущения развития отека к концу первого дня пользования линзами, по истечении 7 дней пользования ими и недопущения превышения отеком уровня в 4% при ночном ношении. Если применить критерий Холдена-Мертца для вычисления Dk/t отек в 3,2% (а именно такое значение отека обнаружили после пробуждения пациентов без линз LaHood c соавт., но с большим числом пациентов, чем использовал в своей работе Мертц), то для недопущения развития отека роговицы после сна в линзах потребуется Dk/t 125. Математическая модель Harvitt и Bonanno47 диффузии кислорода через роговицу при закрытом глазе также подтверждает достоверность Dk/t 125 для безопасного непрерывного использования линз.

Модель Э.Папаса для недопущения развития периферической гипоксии тоже указывает на Dk/t 125 как на минимальное значение пропускания кислорода для недопущения развития гиперемии лимба при открытом глазе40. Эта модель устанавливает самый строгий стандарт для дневного ношения современных контактных линз. Похоже, что любые работы, в которых утверждается, что пропускание кислорода (Dk/t) выше 15, 25 или даже 80 единиц для линз дневного ношения не имеет смысла, основаны на очень ограниченном числе оцениваемых критериев безопасного ношения линз.

Рис. 4. Распределение среднего отека роговицы (%) по площади линзы после 6 часов ношения линзы с “дырой” в середине и распределение толщины линзы

 

Пропускание кислорода и безопасность

Специалистам по подбору контактных линз следует использовать линзы с максимально возможным значением Dk/t, чтобы избежать хронического воспаления лимба и нарушения жизненного цикла лимбальных клеток при ношении контактных линз.

В нескольких продолжительных работах сравнивали результаты ношения силикон-гидрогелевых контактных линз с высоким Dk/t с ношением обычных гидрогелевых линз или не использованием линз вообще. Было показано, что состояние глаз при использовании силикон-гидрогелевых линз клинически неотличимо от состояния глаз без линз, равно как и физиологические состояния глаз у обоих типов пациентов.

Значительный кислородный поток через линзу важен для всех пациентов, но особенно для пациентов с высокими диоптриями или нуждающихся в линзах, гораздо более толстых на периферии. Примерно 35% пользователей являются лицами с высокой миопией, высоким астигматизмом или высокой гиперметропией, которым требуются линзы с толщиной более 0,35 мм в центре или на периферии. Свыше 23% населения является пресбиопами, и им также нужны толстые линзы (по крайней мере, при выборе альтернирующего способа коррекции пресбиопии). Dk – надежный и практически значимый метод прогнозирования кислородных характеристик контактных линз, причем для линз любой топографии и толщины и любых условий, которые могут возникнуть у пользователей при открытом и закрытом глазе.

Мы думаем, что специалисты будут стремиться чаще выбирать линзы с более высоким пропусканием кислорода. Все прочие характеристики линз примерно равны, поэтому зачем врачам искать что-то другое? Кстати, в США доля силикон-гидрогелевых линз, назначаемых для дневного ношения, возросла в 8 раз за последние 2 года. И все наши дискуссии об уровнях пропускания кислорода и кислородных потоках не должны отвлекать нас от очевидных клинических фактов.

Источник: Вестник оптометрии, 2006, №2