Laserbasierte Kollagenquervernetzung in der Kornea und Methodenentwicklung zur Charakterisierung der Vernetzung mittels induzierter Laserstreuung

• Antragsteller: Professor Dr. Alexander Heisterkamp; Professor Dr. Oliver Stachs, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Medizinische Physik, Biomedizinische Technik
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 405601114

Kollagenquervernetzung bietet die Möglichkeit einer gezielten Modifikation der mechanischen Eigenschaften der Kornea des Auges und damit einen innovativen bereits etablierten Ansatz zur Behandlung einer Reihe von kornealen Augenerkrankungen. Gegenwärtig werden verschiedene Konzepte unter Nutzung lokaler Riboflavinapplikation und anschließender UV(A)-Bestrahlung verfolgt, welche allerdings mit Nebenwirkungen einhergehen. Vor allem das notwendige Entfernen des Epithels (Abrasio) und die damit verbundenen Auswirkungen auf die Hornhautsensibilität sind dabei schmerzhaft für den Patienten und als potentieller Infektionsherd zu sehen. Weiterhin ist es kaum möglich eine Kollagenquervernetzung nur lokal, beispielsweise zur gezielten Refraktionskorrektur, zu induzieren. An dieser Stelle könnten ultrakurze Laserpulse eingesetzt werden, um eine Kollagenquervernetzung transepithelial und in der Translation auch ohne Applikation von Riboflavin zu ermöglichen. Unser Ansatz adressiert daher die Möglichkeit der Optimierung der Behandlungsstrategie und die Minimierung unerwünschter Nebenwirkungen durch eine lokalisierte Kollagenquervernetzung, die auf der Nutzung von ultrakurzen Laserpulsen basiert.Einhergehend mit einer induzierten Veränderung der mechanischen Eigenschaften der Kornea durch Kollagenquervernetzung muss ein Nachweis der rheologischen Eigenschaftsveränderung erfolgen können. Mit den gegenwärtig zur Verfügung stehenden Technologien lassen sich durch nichtlineares Quervernetzen mögliche lokale Modifikationen nicht auflösen. Um diese Lücke zu schließen, ist es notwendig, ein nichtinvasives Verfahren für die lokale Messung der mechanischen Eigenschaften der Kornea zu etablieren. Genau dies kann die Brillouin-Spektroskopie leisten, da sie in der Lage ist, den Kompressionsmodul von biologischem Gewebe und hier speziell der Kornea in vivo zu bestimmen. Um die Methode möglichst effizient zu gestalten und direkten Zugang nicht nur zu dem Kompressions-, sondern auch zum Elastizitätsmodul zu erlangen, können optisch induzierte Streueffekte eingesetzt werden. Dazu wollen wir gezielt transversale Wellen anregen, um den Schubmodul zu bestimmen. Der Elastizitätsmodul ergibt sich anschließend aus Kompressions- und Schubmodul ohne Einbeziehung der Poissonzahl. Durch die Etablierung eines derartigen Ansatzes können einerseits neue experimentelle Konzepte der kornealen Quervernetzung validiert und andererseits eine Translation der Methode in die Klinik ermöglicht werden.Das Gesamtziel des beantragten Projekts besteht demzufolge in der Entwicklung eines integrativen Ansatzes hinsichtlich(1) einer Methodenentwicklung zur fs-laserbasierten Kollagenquervernetzung und(2) in der Entwicklung von Technologien zur ortsaufgelösten rheologischen Charakterisierung der Kornea mittels dedizierter Methoden der Laser- und Brillouin-Streuung.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen