The impact of biomechanical properties of the corneoscleral shell on eye hydrodynamics (an experimental study)

It is hypothesized that impaired biomechanical properties of the sclera around the optic disc and, largely, in the corneoscleral shell may play an essential role in the pathogenesis of primary open-angle glaucoma (POAG). The paper’s objective is to study experimentally the impact of elastic scleral properties on intraocular fluid (IF) outflow. We determined the mechanical characteristics and the crosslinking level of the sclera as well as hydrodynamic parameters in three groups of experimental animals: 1) intact eyes of young (2 months of age) and old (2 years) rabbits; 2) eyes treated in vivo by threose, which increases crosslinking of scleral collagen; 3a) eyes of young and old rabbits after they were treated by collalysin, a proteolytic enzyme, 3b) eyes of rabbits pre-treated by treose and subsequently treated by collalysin. The hydrodynamic parameters were measured using Glautest 60. Differential scanning calorimetry was used to reveal the crosslinking level of scleral collagen. The biomechanical parameters of sclera were determined by Autograph AGS-H. The normal age-related increase of scleral stiffness (Young’s modulus) from 23.1±4.2 MPa to 41.4±6.3 MPa (p<0.05) is followed by a moderate growth of cross links and a somewhat reduced IF outflow. At the same time, an increase of scleral stiffness (to 65.4±6.0 MPa) caused by threose, i.e. a pathological growth of crosslinking, is accompanied by a certain intraocular pressure increase and a significant impairment of IF outflow. Collalysin- treated old rabbits revealed a fall in scleral stiffness (to 27.9±4.9 MPa) and an improved IF hydrodynamics, whereas young animals showed only a slight change in these parameters. The sclera treated by threose and containing excessive cross links also became less stiff (43.4±4.5 MPa) and improved IF hydrodynamics after collalysin treatment. It may be assumed that the biomechanical properties of sclera affect the eye hydrodynamics: IF outflow is deteriorating with the increase of scleral stiffness that is caused by excessively generated cross links in its collagen structures, which may be a risk factor for POAG. Proteolytic therapy with collalysin helps reduce the amount of these links, make the sclera less stiff and improve hydrodynamic parameters of the eye.

склера, внутриглазная жидкость, коллаген, поперечные связи, модуль упругости, глаукома, sclera, intraocular fluid, collagen, crosslinking, elasticity modulus

1. Акопян А.И., Еричев В.П., Иомдина Е.Н. Ценность биомеханических параметров глаза в трактовке развития глаукомы, миопии и сочетанной патологии // Глаукома. 2008. № 1. С. 9-14.

2. Арутюнян Л.Л. Роль вязко-эластических свойств глаза в определении давления цели и оценке развития глаукоматозного процесса // Автореф. дис. … канд. мед. наук. М. 2009. 24 с.

3. Вит В.В. Строение зрительной системы человека. М. 2003. 727 с.

4. Волков В.В. Глаукома открытоугольная. М. 2008. 348 с.

5. Данилов Н.А. Состояние коллагена в тканях глаза и его целенаправленная модификация // Автореф. дис. … канд. хим. наук. М. 2011. 24 с.

6. Данилов Н.А., Игнатьева Н.Ю., Иомдина Е.Н., Гроховская Т.Е., Обрезкова М.В., Руденская Г.Н., Лунин В.В. Увеличение стабильности склерального коллагена в в ходе гликозилирования треозой in vitro // Журнал физ. химии. 2010. т. 84. № 1. С. 131-137.

7. Игнатьева Н.Ю. Термическая стабильность коллагена в соединительных тканях // Автореф. дис. … докт. хим. наук. М. 2011. 51 с.

8. Иомдина Е.Н., Арутюнян Л.Л., Игнатьева Н.Ю. и др. Структурнобиомеханические особенности склеры у больных с разными стадиями ПОУГ // Сб. конф. «Рос. общенациональный офтальмол. форум». М. 2008. С. 540-544.

9. Иомдина Е.Н., Арутюнян Л.Л., Катаргина Л.А. и др. Взаимосвязь корнеального гистерезиса и структурнофункциональных параметров зрительного нерва при разных стадиях первичной открытоугольной глаукомы // Рос. офтальмол. журн. 2009. № 3. С. 17-23.

10. Иомдина Е.Н., Игнатьева Н.Ю., Данилов Н.А. и др. Биомеханика корнеосклеральной оболочки глаза при миопии и глаукоме: сходство и различия //«Биомеханика глаза 2009». М. 2009. С. 110-114.

11. Кошиц И.Н., Светлова О.В., Котляр К.Е. и др. Биомеханический анализ традиционных и современных представлений о патогенезе первичной открытоугольной глаукомы // Глаукома. 2005. № 1. С. 41-62.

12. Нестеров А.П. Глаукома: основные проблемы, новые возможности // Вестн. офтальмол. 2008. № 1. С. 3-5.

13. Офтальмология: национальное руководство / под ред. С.Э.Аветисова, Е.А. Егорова, Л.К. Мошетовой, В.В. Нероева, Х.П. Тахчиди. М.: ГЭОТАР-Медиа. 2011. 944 с.

14. Светлова О.В., Балашевич Л.И., Засеева М.В. и др. Физиологическая роль ригидности склеры в формировании уровня внутриглазного давления в норме и при глаукоме // Глаукома. 2010. № 1. С. 26-40.

15. Страхов В.В., Алексеев В.В. Динамическая ригидометрия // Вестн. офтальмол. 1995. Т. 111. № 1. С. 18-20.

16. Страхов В.В., Алексеев В.В. Патогенез первичной глаукомы - все или ничего // Глаукома. 2009. № 2. С. 40-52.

17. Anand A., De Moraes C., Teng C. et al. Hysteresis and Visual Field Asymmetry in Open Angle Glaucoma // Invest. Ophthal. Vis. Sci. 2010. V. 51. N. 12. P. 6514-6518.

18. Burgoyne C.F., Downs J.C., Bellezza A.J. et al. The optic nerve head as a biomechanical structure: a new paradigm for understanding the role of IOP-related stress and strain in the pathophysiology of glaucomatous optic nerve head damage // Prog Retin Eye Res. 2005. V. 24. P. 39-73.

19. Ethier C.R. Scleral biomechanics and glaucoma – a connection? // Can J Ophthalmol. 2006. V. 41. P. 9-12.

20. Fratzl P. Collagen. Structure and mechanics. Potsdam. Springer. 2008. 506 p.

21. Gottanka J., Johnson D. Severity of optic nerve damage in eyes with POAG is correlated with changes in the trabecular meshwork // J. Glaucoma. 1997. V. 6. P. 23-132.

22. Hommer A., Fuchsjäger-Mayrl G., Resch H. et al. Estimation of Ocular Rigidity Based on Measurement of Pulse Amplitude Using Pneumotonometry and Fundus Pulse Using Laser Interferometry in Glaucoma // IOVS. 2008. V. 49. P. 4046- 4050.

23. Kim J., Lindsey J., Wang N. Increased Human Scleral Permeability with Prostaglandin Exposure // IOVS. 2001. V. N 7. P. 1514-1521.

24. Last J., Pan T., Ding Y. Elastic Modulus Determination of Normal and Glaucomatous Human Trabecular Meshwork // IOVS. 2011. Р. 10-6342

25. Lindsey J.D. Kashivagi K., Kashivagi F., Weinreb R.N. Prostaglandin action on ciliary smooth muscle extracellular matrix metabolism: implication for uveoscleral outflow // Surv Ophthalmol. 1997. V. 41. (suppl 2). P. 53-59.

26. Quigley H. A., Broman A.T. The number of people with glaucoma worldwide in 2010 and 2020 // Br. J. Ophthalmol. 2006. Vol. 90. № 3. P. 262-267.

27. Sigal I.A., Flanagan J.G., Ethier C.R. Factors influencing optic nerve head biomechanics. // Invest Ophthalmol Vis Sci. 2005. V. 46. P. 4189-4199.

28. Sullivan-Mee M., Pensyl D., Halverson K. et al. Rigidity in Primary Open-Angle Glaucoma // ARVO 2010, Suppl. E. Poster 5548.

29. Wodzinska J. M. // Mini Rev. Med. Chem. 2005. V. 5. P. 279-292.

30. Wollensak G., Iomdina E. Longterm biomechanical properties after collagen crosslinking of sclera using glyceraldehyde // Acta Ophthalmol. Scand. 2008. Vol. 86. Issue 8. P. 887-893.

31. Zeeman R. Cross-linking of collagen-based materials. Thesis University of Twente, Enschede, The Netherlands. 1998.