Närsynthet, eller närsynthet, är ett ökande problem runt om i världen. Det finns nu dubbelt så många människor i USA och Europa med detta tillstånd som för 50 år sedan. I östra Asien, 70 till 90 procent av tonåringar och unga vuxna är närsynta. Enligt vissa uppskattningar, cirka 2,5 miljarder människor över hela världen kan drabbas av närsynthet 2020.

Glasögon och kontaktlinser är enkla lösningar; en mer permanent kirurgi är hornhinnebrytning. Men, medan synkorrigeringsoperationer har en relativt hög framgång, det är ett invasivt förfarande, föremål för postoperativa komplikationer, och i sällsynta fall permanent synförlust. Dessutom, laserassisterade synkorrigeringsoperationer som laser in situ keratomileusis (LASIK) och fotorefraktiv keratektomi (PRK) använder fortfarande ablativ teknik, som kan tunna och i vissa fall försvaga hornhinnan.

Columbia Engineering-forskaren Sinisa Vukelic har utvecklat ett nytt icke-invasivt tillvägagångssätt för permanent korrigering av synen som visar stora löften i prekliniska modeller. Hans metod använder en femtosekundoscillator, en ultrasnabb laser som levererar pulser med mycket låg energi vid hög repetitionshastighet, för selektiv och lokal förändring av de biokemiska och biomekaniska egenskaperna hos hornhinnevävnad. Tekniken, som förändrar vävnadens makroskopiska geometri, är icke-kirurgiskt och har färre biverkningar och begränsningar än de som ses vid brytningsoperationer. Till exempel, patienter med tunna hornhinnor, torra ögon, och andra avvikelser kan inte genomgå brytningsoperationer. Studien, vilket kan leda till behandling för närsynthet, hyperopi, astigmatism, och oregelbunden astigmatism, publicerades 14 maj Nature Photonics .

"Vi tror att vår studie är den första som använder denna laserutmatning för icke -invasiv förändring av hornhinnekrökning eller behandling av andra kliniska problem, "säger Vukelic, som är lektor i disciplin på institutionen för maskinteknik. Hans metod använder en femtosekundoscillator för att ändra biokemiska och biomekaniska egenskaper hos kollagenös vävnad utan att orsaka cellskador och vävnadsstörningar. Tekniken möjliggör tillräcklig effekt för att inducera en lågdensitetsplasma inom den inställda fokalvolymen men förmedlar inte tillräckligt med energi för att orsaka skador på vävnaden inom behandlingsområdet.

"Vi har sett lågdensitetsplasma i multifotobilder där det har ansetts vara en oönskad bieffekt, "Vukelic säger." Vi kunde förvandla denna bieffekt till en livskraftig behandling för att förbättra de mekaniska egenskaperna hos kollagena vävnader. "

Den kritiska komponenten för Vukelics tillvägagångssätt är att induktion av lågdensitetsplasma orsakar jonisering av vattenmolekyler i hornhinnan. Denna jonisering skapar en reaktiv syreart, (en typ av instabil molekyl som innehåller syre och som lätt reagerar med andra molekyler i en cell), som i sin tur interagerar med kollagenfibrillerna för att bilda kemiska bindningar, eller tvärbindningar. Den selektiva introduktionen av dessa tvärbindningar inducerar förändringar i de mekaniska egenskaperna hos den behandlade hornhinnevävnaden.

När hans teknik tillämpas på hornhinnevävnad, tvärbindningen förändrar kollagenegenskaperna i de behandlade regionerna, och detta resulterar i slutändan i förändringar i hornhinnans totala makrostruktur. Behandlingen joniserar målmolekylerna i hornhinnan samtidigt som man undviker optisk nedbrytning av hornhinnevävnaden. Eftersom processen är fotokemisk, det stör inte vävnaden och de inducerade förändringarna förblir stabila.

"Om vi ​​noggrant skräddarsyr dessa förändringar, vi kan justera hornhinnens krökning och på så sätt ändra ögonets brytningskraft, "säger Vukelic." Detta är en grundläggande avvikelse från den vanliga ultrasnabba laserbehandlingen som för närvarande tillämpas i både forskning och kliniska miljöer och är beroende av den optiska nedbrytningen av målmaterialen och efterföljande kavitationsbubbelbildning. "

"Brytningskirurgi har funnits i många år, och även om det är en mogen teknik, fältet har letat efter en livskraftig, mindre invasivt alternativ under lång tid, "säger Leejee H. Suh, Miranda Wong Tang docent i oftalmologi vid Columbia University Medical Center, som inte var inblandad i studien. "Vukelics nästa generations modalitet visar stort löfte. Detta kan vara ett stort framsteg när det gäller att behandla en mycket större global befolkning och ta itu med närsynthetspandemin."

Vukelics grupp bygger för närvarande en klinisk prototyp och planerar att starta kliniska prövningar i slutet av året. Han vill också utveckla ett sätt att förutsäga hornhinnans beteende som en funktion av laserbestrålning, hur hornhinnan kan deformeras om en liten cirkel eller en ellips, till exempel, behandlades. Om forskare vet hur hornhinnan kommer att bete sig, de kommer att kunna anpassa behandlingen-de kan skanna en patients hornhinna och sedan använda Vukelics algoritm för att göra patientspecifika förändringar för att förbättra hans/hennes syn.

"Det som är särskilt spännande är att vår teknik inte är begränsad till okulära medier-den kan användas på andra kollagenrika vävnader, "Tillägger Vukelic." Vi har också arbetat med professor Gerard Ateshians laboratorium för att behandla tidig artros, och de preliminära resultaten är mycket, mycket uppmuntrande. Vi tror att vårt icke-invasiva tillvägagångssätt har potential att öppna vägar för att behandla eller reparera kollagen vävnad utan att orsaka vävnadsskada. "