Porównanie właściwości fizycznych polimerów stosowanych w chirurgii odwarstwień siatkówki

Transkrypt

1 Porównanie właściwości fizycznych polimerów stosowanych w chirurgii odwarstwień siatkówki Marta Misiuk-Hojło, Adam Grzech, Krzysztof Słowiński Katedra i Klinika Okulistyki AM we Wrocławiu Streszczenie W chirurgii odwarstwień siatkówki mają zastosowanie tamponady zewnątrzgałkowe oraz wewnątrzgałkowe. Zadaniem ich jest przyłożenie odwarstwionej siatkówki. Tamponady zewnątrzgałkowe to plomby i opaski silikonowe. Do tamponad wewnątrzgałkowych stosuje się substancje zastępujące ciało szkliste: gazy oraz płyny. W pracy przedstawiono właściwości fizyczne najczęściej stosowanych polimerowych substancji płynnych, stosowanych jako tamponada wewnątrzgałkowa. Wymieniono wady i zalety każdego z nich. Słowa kluczowe: polimery, olej silikonowy, endotamponada, odwarstwienie siatkówki Comparison of physical characteristics of polymers used in retinal detachment surgery Summary Both exotamponade and endotamponade have application in retinal detachment surgery in order to reattache the retina. Exotamponades include silicone buckles and bands. 1

2 Endotamponades include substances replacing the vitreous: gases and liquids. In this paper physical characteristics of the most frequently used as endotamponade polymeric liquid substances are presented. Advantages and disadvantages of each of them are listed. Key words: polymers, silicone oil, endotamponade, retinal detachment WSTĘP Zastosowanie oleju silikonowego w chirurgii witreoretinalnej znane jest od lat 70. XX wieku, jednak musiał upłynąć pewien czas aby jego pozycja się ugruntowała. Nieco później, bo dopiero w 1982 roku, po raz pierwszy użyto do tamponady wewnątrzgałkowej płynów fluorokarbonowych [1]. Ostatnie lata to rozwój wiedzy i technologii w tej dziedzinie, poszukiwanie nowych, coraz doskonalszych substancji i minimalizowanie zagrożenia i dyskomfortu pacjenta. Szczególne nadzieje wiąże się z aktywnym projektowaniem kopolimerów. Łącząc poszczególne substancje w różnych proporcjach naukowcy starają się stworzyć jak najdoskonalsze preparaty. Odwarstwienie siatkówki polega na oddzieleniu się siatkówki od odżywiającej ją naczyniówki na skutek różnych przyczyn, takich jak - otwór, uraz lub trakcje ciała szklistego (ryc.1). Zadaniem tamponady stosowanej w chirurgii odwarstwień siatkówki jest zbliżenie odwarstwionej siatkówki do naczyniówki tak, aby przywrócić ich fizjologiczny kontakt. Stosuje się tamponady zewnątrzgałkowe oraz wewnątrzgałkowe. Tamponada zewnątrzgałkowa polega na naszyciu na twardówkę plomby silikonowej, która powoduje wgłobienie ściany gałki i tym samym zbliżenie siatkówki do naczyniówki. Tamponady wewnątrzgałkowe (endotamponady) dzielą się na tymczasowe i trwałe. Do tamponady tymczasowej stosowane są mieszanki powietrza z różnymi gazami (SF6, C3F8). Dzięki właściwościom rozprężającym, gazy spowolniają proces wchłaniania bańki jak i zwiększają jej nacisk na siatkówkę. Do tamponad trwałych używane są płynne polimery, nierozpuszczalne w wodzie. 2

3 CEL PRACY Praca ma na celu porównanie najbardziej rozpowszechnionych polimerowych substancji płynnych, używanych w chirurgicznym leczeniu odwarstwień siatkówki. Przedstawiono ich właściwości fizykochemiczne i przeanalizowano różnice pomiędzy nimi oraz wynikające z nich wady i zalety. MATERIAŁ W chirurgii wewnątrzgałkowej znajduje zastosowanie wiele płynnych polimerów. Są wśród nich: oleje silikonowe (polidimetysiloksany); oleje fluorosilikonowe (polimetylo-3,3,3-trifluoropropylosiloksan); płyny perfluorokarbonowe takie jak perfluorooktan, perfluorodekalina, perfluorofentantren (perfluorotetradekahydrofenantren); perfluoroheksylooktan (F 6 H 8 ); mieszaniny w różnych proporcjach wyżej wymienionych substancji. ZASTOSOWANIE Celem tamponady wewnątrzgałkowej, jest mechaniczne dociśnięcie odwarstwionej siatkówki do wewnętrznej ściany gałki ocznej. Płynny polimer umieszcza się w gałce ocznej zamiast ciała szklistego, które zostaje usunięte podczas zabiegu zwanego witrektomią. Najczęściej stosowany jest olej silikonowy. Podczas witrektomii z podaniem oleju można wykonywać również inne procedury takie jak: usunięcie zaćmy, laserowanie lub mrożenie siatkówki lub opasanie gałki ocznej opaską (rodzaj plomby), dociskającą dolną ścianę gałki ocznej do dolnej części bańki oleju. W przypadku usunięcia naturalnej soczewki bez wszczepienia sztucznej (bezsoczewkowość), bańka oleju silikonowego może zamknąć źrenicę. Dochodzi do blokady przepływu cieczy wodnistej produkowanej w komorze tylnej do komory przedniej, skąd wydostaje się z gałki do krwiobiegu. Wzrost ciśnienia w tylnej komorze przepycha olej przez źrenicę do komory przedniej. Aby temu zapobiec, należy wytworzyć alternatywną drogę 3

4 przejścia cieczy wodnistej przez tęczówkę. Ze względu na to, że olej silikonowy jest lżejszy od wody, jego bańka odstaje nieco od dolnej części tęczówki. W tym miejscu wycina się otwór w tęczówce (andoirydektomia). Jeżeli odwarstwienie siatkówki objęło plamkę żółtą odpowiedzialną za widzenie centralne, zwykle nieodzowne jest ułożenie pacjenta twarzą do dołu przez godziny po zabiegu, aby bańka oleju docisnęła siatkówkę w tylnym biegunie. POWIKŁANIA Do możliwych powikłań zastosowania endotamponady należą: 1. Keratopatia. W przypadku bezsoczewkowości olej może przechodzić przez źrenicę do komory przedniej oka. Kiedy dojdzie do kontaktu wewnętrznej powierzchni rogówki z olejem, odżywianie komórek śródbłonka przez ciecz wodnistą staje się utrudnione. W efekcie może dojść do odkładania się złogów wapniowych. Keratopatii można zapobiec przez wykonanie andoirydektomii, która nie tylko ułatwia przepływ cieczy wodnistej, ale także umożliwia powrót kropelek oleju z komory przedniej do komory tylnej. 2. Emulsyfikacja. Dochodzi do niej tym łatwiej, im niższą lepkość posiada substancja. Zwarta bańka oleju rozpada się na wiele drobnych kropelek. Polimery o większej lepkości trudniej ulegają emulsyfikacji. Obecność krwinek lub komórek zapalnych podczas lub po zabiegu, może przyczyniać się do emulsyfikacji (ryc.2). 3. Nadciśnienie oczne. Może wystąpić na skutek zablokowania kąta przesączania przez drobne kuleczki zemulsyfikowanego oleju. 4. Zmiany troficzne siatkówki. Powstają wówczas, gdy ucisk mechaniczny zaburza przepływ w naczyniach własnych siatkówki. Najczęściej związane są z przedłużonym użyciem substancji o dużej gęstości (cięższe od cieczy wodnistej). 4

5 Chirurg może pozostawić olej w gałce ocznej jeśli uzna, że jego usunięcie może zagrażać ponownym odwarstwieniem. Może również usunąć olej, jeśli jego obecność powoduje komplikacje lub gdy uzna, że polepszy to widzenie nie zagrażając jednocześnie stabilności siatkówki. Zaleca się pozostawienie oleju silikonowego na okres 6 miesięcy po zabiegu. Po tym czasie należy rozważyć usunięcie oleju, albo tylko wymianę na nowy. Zmniejsza to ryzyko pojawienia się powikłań takich jak emulsyfikacja i jaskra. Polimery oleju silikonowego ulegają procesowi nieustannego rozpadu. Uwalniane mniejsze cząsteczki przenikają do tkanek oka, oddziałując toksycznie na siatkówkę i zmieniając parametry fizykochemiczne soczewki. Podczas usuwania olej jest na bieżąco zastępowany płynem. Nie zawsze możliwe jest usunięcie oleju do ostatniej kropli. Po zabiegu przy patrzeniu w dół, w polu widzenia pacjenta mogą wówczas pojawiać się plamy, odpowiadające kroplom oleju - nie jest to groźne. PORÓWNANIE PARAMETRÓW Efektywność tamponady wewnątrzgałkowej zależy od trzech głównych czynników: napięcia międzyfazowego pomiędzy siatkówką, cieczą wodnistą i substancją użytą do tamponady; ciężaru właściwego substancji, jak również różnicy tego ciężaru od ciężaru właściwego cieczy wodnistej; lepkości użytej substancji. Użyta substancja nie może też rozpuszczać się w cieczy wodnistej, ani mieszać się z nią. Obecnie żadna substancja nie posiada idealnych parametrów, wszystkie mają więc swoje wady i zalety. Prowadzone są jednakże próby łączenia różnych substancji w różnych proporcjach, celem opracowania czynnika spełniającego wszystkie wymagania, stawiane przez współczesną chirurgię odwarstwień siatkówki. 5

6 Przezroczystość Aby jakakolwiek substancja nadawała się jako tamponada wewnątrzgałkowa, musi być przezroczysta i w miarę jednorodna. W innym wypadku nawet pomimo przyłożenia siatkówki, oko byłoby niefunkcjonalne. Współczynnik załamania światła Sam fakt przezierności tamponady nie zapewnia jeszcze możliwości widzenia. Bardzo istotny jest również współczynnik załamania światła (n=v/c, gdzie v jest prędkością światła w ośrodku, c - prędkością światła w próżni). Współczynnik ten jest zależny wprost proporcjonalnie od gęstości ośrodka, przez który światło przechodzi. Substancja znajdująca się wewnątrz gałki, musi mieć współczynnik załamania chociaż zbliżony do ciała szklistego. W przypadku znaczącej różnicy konieczne byłoby zastosowanie pozagałkowej soczewki korygującej, której moc z oczywistych względów musi jednakże mieścić się w pewnych granicach. Idealna tamponada miałaby współczynnik załamania równy ciału szklistemu, lub jeszcze lepiej - modyfikowalny w pewnych granicach. Byłaby to rewolucja w korekcji wad refrakcji. Obecnie po podaniu oleju silikonowego do oka miarowego (R=0D), staje się ono nadwzroczne w granicach ok. +5D. Ciężar właściwy (gęstość) W zależności od lokalizacji odwarstwienia przydatne są substancje o różnym ciężarze właściwym. Przy odwarstwieniach w dolnej części stosowane są substancje o ciężarze > 1g/cm 3. Im większy ciężar, tym trudniej substancja ulega emulsyfikacji. Jednak im większy ciężar, tym większe ryzyko powodowania przez kontakt z tamponadą zmian troficznych siatkówki i jej uszkodzenia. Duży ciężar płynów perfluorokarbonowych jest bardzo użyteczny, gdy trzeba chronić tylny biegun siatkówki przed przypadkowym odwarstwieniem trakcyjnym podczas witrektomii; używa się wówczas perfluorodekaliny w niewielkiej ilości. Z czasem może to jednak powodować zmiany troficzne siatkówki takie jak ścieńczenie i zmiany w warstwie fotoreceptorowej oraz migrację jąder komórek receptorowych do warstwy fotosensorycznej [2]. Istotny jest nie tylko sam ciężar ale również różnica w ciężarze, w stosunku do otaczającej cieczy. Np. mały pęcherz gazu umieszczony w cieczy przyjmie kształt kulisty, ale duży pęcherz z powodu ogromnej różnicy gęstości ulegnie spłaszczeniu ponad cieczą [3], 6

7 dociskając odwarstwioną siatkówkę na o wiele większej powierzchni. Olej silikonowy jest również lżejszy od wody, ale niewielka różnica w ciężarze sprawia, że ponieważ jest równocześnie silnie hydrofobowy, przyjmuje kształt kulisty, nie przylegając do wewnętrznej powierzchni oka tak idealnie jak gaz. Część objętości tworzy menisk zamiast przylegać do siatkówki [4] i skuteczność tamponady zmniejsza się. Wśród cięższych od wody substancji, do tamponady szczególnie obiecujące wydają się semifluorowane alkany [5]. Początkowo używane jako substytut krwi, nie wykazywały działań niepożądanych i były dobrze tolerowane przez kultury komórkowe [6] oraz w oczach królików doświadczalnych do 12 tygodni czasu tamponady [7]. Lepkość Lepkość to właściwość płynów i plastycznych ciał stałych, charakteryzująca ich opór wewnętrzny przeciw płynięciu. W porównaniu z wodą wszystkie polimery używane w chirurgii witreoretinalnej (ciała szklistego i siatkówki), mają dużo większą lepkość. Ma to swoje wady i zalety. Wadą są duże opory przy posługiwaniu się daną substancją; czym większa lepkość tym większych sił trzeba użyć aby umieścić olej w gałce, dlatego przy oleju silikonowym używa się podajników z tłokiem gwintowanym. Zaletą dużej lepkości jest natomiast mniejsza skłonność substancji do emulsyfikacji. Małe kropelki substancji będą łączyć się w większe, aby uzyskać jak najmniejszą energię powierzchniową. Im bardziej lepka substancja, tym trudniej ulega ona emulsyfikacji, czyli powtórnemu rozpadowi na drobne kropelki [8]. Dodatkowy problem stwarzają znajdujące się wewnątrz oka cząsteczki albumin, fosfolipidów i cholesterolu działające jako jądra emulsyfikacji. Zemulsyfikowany olej przestaje pełnić swoją rolę i musi być usunięty z oka. Napięcie powierzchniowe i międzyfazowe Jest to bardzo istotny parametr, przy projektowaniu idealnej substancji do tamponady wewnątrzgałkowej. Szczególne znaczenie ma napięcie na granicy substancji z otaczającą cieczą wodnistą i siatkówką. Wyjątkowo istotne jest aby po założeniu tamponady wewnętrznej, pomiędzy substancją a siatkówką nie pozostawał mikrofilm cieczy wodnistej [9]. Z tego względu doskonale sprawdza się mający bardzo wysokie napięcie międzyfazowe perfluoroheksylooktan (F 6 H 8 ). Dużo lepiej od oleju silikonowego przylega on do hydrofilnej powierzchni siatkówki, dociska ją na większej powierzchni, dobrze wnika 7

8 również w zachyłki poniżej i powyżej miejsca odwarstwienia, rozprostowując sfałdowaną siatkówkę. Toksyczność Nie zawsze szkodliwość substancji użytych do endotamponady wynika wyłącznie z właściwości fizycznych. Np. toksyczność oleju fluorosilikonowego wydaje się być związana z jego składnikami o małej masie cząsteczkowej [10]. Powodują one odczyn zapalny, reakcje typu ciała obcego i tworzenie się błon nasiatkówkowych [5, 11]. W niektórych przypadkach przedłużonej tamponady z użyciem F 6 H 8, dochodzi do powstawania błon nasiatkówkowych i zasoczewkowych. W błonach tych występują nacieki makrofagów [12]. Wydaje się mieć to związek z niską lepkością i skłonnością do emulsyfikacji. PODSUMOWANIE Od pewnego czasu w chirurgii witreoretinalnej próbuje się łączenia dwóch substancji, w celu uzyskania nowej substancji o polepszonych właściwościach tamponujących. Kopolimer silikonowo-fluorosilikonowy okazał się posiadać relatywnie niewielką lepkość i ciężar właściwy niewiele większy od wody (1.16 g cm 3 ). Chociaż po 6-8 tygodniach powodował zmiany troficzne w siatkówce doświadczalnych królików, to były one znacznie mniejsze niż w przypadku użycia oleju perfluorotetradekahydrofenantrenu [7]. Przygotowanie kopolimerów nie zawsze jest proste. Olej silikonowy i F 6 H 8 są rozpuszczalne jeden w drugim, lecz w temperaturze 20 C mieszają się z trudnością. Proces przeprowadza się poddając substancje działaniu ciepła i ultradźwięków [7]. Perfluoroheksylooktan (F 6 H 8 ) budzi duże nadzieje. Jest to homogeniczny, stabilny pod działaniem lasera płyn rozpuszczalny zarówno w oleju silikonowym jak i w płynach perfluorokarbonowych [13]. Może być używany śródoperacyjnie lub jako tamponada długoterminowa [14, 15]. Jego pierwszym zastosowaniem klinicznym było usuwanie pozostałości oleju ze sztucznych soczewek wewnątrzgałkowych [16, 17]. Wadą F 6 H 8 jest jego niska lepkość. Z tego powodu próby tworzenia kopolimerów z olejem silikonowym idą w kierunku zwiększenia lepkości, przy zachowaniu zalet perfluoroheksylooktanu. Podejmowane próby obejmowały kilka kopolimerów o różnych proporcjach składników; właściwości ich były obiecujące [18]. 8

9 Porównanie niektórych właściwości fizycznych najczęściej stosowanego oleju silikonowego z innymi polimerami przedstawia tabela. WNIOSKI 1. Wydaje się, że w przyszłości będziemy mogli posługiwać się kopolimerami projektowanymi do konkretnych celów. 2. W zależności od lokalizacji odwarstwienia, chirurg będzie mógł wybrać substancje o parametrach najbardziej pożądanych, która jednocześnie będzie nietoksyczna i łatwa w użyciu. LITERATURA [1] Scott J. D.: Surgery for Retinal and Viterus Diseases. Butterworth-Heinemann Oxford (1998), 9, [2] Doi M., Refojo M., F.: Histopathology of rabbit eyes with intravitreous siliconefluorosilicone copolymer oil. Exp. Eye Res. (1994), 59, [3] Singh A. K., Michels R. G., Glaser B. M.: Scleral indentation following cryotherapy and repeat cryotherapy enhance release of viable retinal pigment epithelial cells. Retina (1986), 6, [4] Singh A. K., Glaser B. M, Lemor M. et al.: Gravity-dependent distribution of retinal pigment epithelial cells dispersed into the vitreous cavity. Retina (1986), 6, [5] Petersen J., Ritzau-Tondrow U., Vogel M.: Fluorosilicone oil heavier than water: a new aid in vitreoretinal surgery. Klin. Monatsbl. Augenheilkd. (1986), 189, [6] Gabel V. P., Kampik A., Gabel C. et al.: Silicone oil with high specific gravity for intraocular use. Br. J. Ophthalmol. (1987), 71, [7] Nakamura K., Refojo M. F, Crabtree D. V. et al.: Ocular toxicity of low-molecularweight components of silicone and fluorosilicone oils. Invest. Ophthalmol. Vis. Sci. 9

10 (1991), 32, [8] Wong D., Williams R. L, German M. J.: Exchange of perfluorodecalin for gas or oil: a model for avoiding slippage. Graefes Arch. Clin. Expl. Ophthalmol. (1998), 236, [9] Dick H. B., Augustin A. J.: Solvent for removing silicone oil from intraocular lenses: experimental study comparing various biomaterials. J. Cataract. Refract. Surg. (2000), 26, [10] Williams R., Wong D.: The influence of explants on the physical efficiency of tamponade agents. Graefes Arch. Clin. Exp. Ophthalmol. (1999), 237, [11] Wong D., Lois N.: Perfluorocarbons and semifluorinated alkanes. Sem. Ophthalmol. (2000), 15, [12] Langefeld S., Kirchhof B., Meinert H., et al.: A new way of removing silicone oil from the surface of silicone intraocular lenses. Graefes Arch. Clin. Exp. Ophthalmol. (1999), 237, [13] Meinert H., Roy T.: Semifluorinated alkanes-a new class of compounds with outstanding properties for use in ophthalmology. Eur. J. Ophthalmol. (2000),10, [14] Meinert H., Mader J., Rohlke W. et al.: Chemical and physical stability of perfluorocarbons with laser treatment. Eur. J. Ophthalmol. (1995), 5, [15] Dick H. B., Augustin A. J.: Solvent for removing silicone oil from intraocular lenses: experimental study comparing various biomaterials. J. Cataract. Refract. Surg. (2000), 26, [16] Meinert H., Knoblich A.: The use of semifluorinated alkanes in blood-substitutes. Biomaterials, Artificial Cells, and Immobilization Biotechnology: Official Journal of the 10

11 International Society For Artificial Cells and Immobilization Biotechnology 1993, 21, [17] Zeana D., Becker J., Kuckelkorn R. et al.: Perfluorohexyloctane as a long-term vitreous tamponade in the experimental animal. Experimental perfluorohexyloctane substitution. Int. Ophthalmol. (1999), 23, [18] Wetterqvist C., Wong D., Williams R., Stappler T., Herbert E., Freeburn S.: Tamponade efficiency of perfluorohexyloctane and silicone oil solutions in a model eye chamber. British Journal of Ophthalmology (2004), 88, Adres autorów Katedra i Klinika Okulistyki AM we Wrocławiu ul. Chałubińskiego 2a, Wrocław tel adamgr@poczta.fm 11

12 Tabela. Fizyczne właściwości polimerów Table. Physical characteristics of polymers Olej Olej Płyn Perfluoroheksylooktan silikonowy fluorosilikonowy perfluorokarbonowy Lepkość [cs] Gęstość [g/cm 3 ] ,29 2 1,35 Współczynnik 1,404 załamania 12