Artificial stiffening of the cornea by induction of intrastromal cross-links

Purpose: To increase the stability of the cornea by artificial cross-linking (radiation or chemical agents) and to investigate a future therapy for keratoconus.

Materials and methods: The epithelium of enucleated porcine eyes was removed. Ten eyes in each of eight test groups were treated with UV light (λ = 254 nm), 0.5 % riboflavin and UV light (365 nm), blue light (436 nm) and sunlight, and the chemical agents glutaraldehyde (1 % and 0.1 %, 10 min) and Karnovsky's solution (0.1 %, 10 min). Strips of 5 mm in width and 9 mm in length were cut from each cornea and the stress-strain behaviour of the strips was measured. For comparison, eight groups of ten untreated corneas each were measured by the same method.

Results: Compared to untreated corneas riboflavin and UV irradiation as well as glutaraldehyde and Karnovsky's solution treatment resulted in significantly increased stiffness of the cornea (p < 0.05).

Conclusions: The biomechanical behaviour of the cornea can be altered by low-concentration glutaraldehyde, Karnovsky's solution, and by riboflavin and UV irradiation, which offers potential conservative treatment of keratoconus. To optimize this effect further investigation is necessary regarding the dose-effect relation and the in-vivo conditions.

Hintergrund: Die biomechanische Festigkeit der Hornhaut soll durch künstliche Quervernetzung der Kollagenfibrillen (Strahlenvernetzung, chemische Vernetzung) erhöht werden, um eine evtl. konservative Therapie des Keratokonus zu prüfen.

Methode: Von enukleierten Schweineaugen wurde das Epithel entfernt. Je 10 Augen in 8 Testgruppen wurden mit UV-Strahlung (λ = 254 nm), einer 0,5 %igen Riboflavinlösung und UV-Strahlung (365 nm), blauem Licht (436 nm) und Sonnenlicht sowie mit chemischen Vernetzern – Glutaraldehyd (1 % und 0,1 %, 10 min) und Karnovsky- Lösung (0,1 %, 10 min) – behandelt. Als Standard dienten jeweils Kontrollgruppen mit 10 unbehandelten Hornhäuten. Aus jeder Hornhaut wurde ein zentraler Streifen von 5 mm Breite und 9 mm Länge geschnitten und die Spannungs-Dehnungs-Kurven gemessen.

Ergebnisse: Bei UV-Bestrahlung von mit Riboflavin vorbehandelten Hornhäuten nimmt die Dehnbarkeit signifikant ab (p < 0,05). Auch die mit Glutaraldehyd oder Karnovsky-Lösung behandelten Hornhäute zeigen eine signifikante Zunahme der Festigkeit (p < 0,05).

Schlußfolgerung: UV-Strahlen und Riboflavin sowie niedrigkonzentriertes Glutaraldehyd oder Karnovsky-Lösung führen zu einer Verfestigung der Hornhaut wahrscheinlich aufgrund von Vernetzungen der Kollagene oder der Proteoglykane. Weitere Untersuchungen sind jedoch bezüglich der Optimierung der Dosis-Wirkungs-Beziehung und der In-vivo-Bedingungen erforderlich.