Columna Internacional IACLE

COLUMNA INTERNACIONAL IACLE

CURSO DE ACTUALIZACIÓN EN CONTACTOLOGÍA PARTE 81

CÓRNEA III

Lic. Opt. Rubén Velázquez Guerrero, FIACLE Coordinador de IACLE México

La rigidez de la córnea, la fuerza extensible y la resistencia

Las dos principales características estructurales de la córnea humana que ayudan a mantener su rigidez (rigidez o elasticidad), su resistencia (esfuerzo de fractura final), su extensibilidad (esfuerzo de fractura final) y su tenacidad (durabilidad o irrompibilidad), son su grosor y sus propiedades biomecánicas innatas (estructura jerárquica y grado de reticulación de las fibrillas de colágeno). Si bien el espesor de la córnea puede medirse directamente y con precisión in vivo, una dificultad importante en el campo de la oftalmología ha sido una adecuada medición directa real o incluso una aproximación exacta de sus propiedades biomecánicas innatas. La comprensión actual de las propiedades biomecánicas de la córnea sigue basándose principalmente en experimentos ex vivo, principalmente en la extensiometría en franja y en las pruebas de inflado.

La córnea es un importante mecanotransductor biológico de tensión debido a sus propiedades viscoelásticas (es decir, sólidos con algunas características de un fluido), que ayuda a prevenir el fallo biomecánico previo a la captura por disipación de energía. La propiedad de la viscoelasticidad complica nuestra comprensión del comportamiento biomecánico de la córnea, ya que contiene propiedades de componentes elásticos y viscosos que se superponen entre sí con el tiempo al formar la curva tensión-deformación. La elasticidad está relacionada con el almacenamiento de energía independiente del tiempo, debido al estiramiento o tensión de los dominios flexibles de las moléculas de colágeno (energía potencial) y la deformación o transferencia de energía a la esclerótica y otras partes del ojo, debido a dominios rígidos de moléculas de colágeno (energía cinética). En esencia, la elasticidad es una propiedad física independiente del tiempo de un sólido, que permite que la córnea vuelva a su forma original después de un esfuerzo o, si está significativamente dañada, que se altere permanentemente en su forma. La viscosidad está relacionada con la disipación de energía dependiente del tiempo debido al deslizamiento de las fibrillas, filamentos y láminas de colágeno interfibrilares entre sí en una matriz hidratada de proteoglicanos (transducción de energía mecanotérmica).

De arriba a abajo; queratocitos, láminas de colágeno, esquematización de la distribución de las fibras de colágeno.

En esencia, la viscosidad es una propiedad física dependiente del tiempo de un fluido que permite a la córnea desviar parte de la energía de entrada lejos de sus componentes elásticos, y permite a la córnea la posibilidad de cambiar de forma reversible o permanente a su forma elástica con el tiempo.

Los experimentos ex vivo muestran que la córnea humana tiene curvas de carga y descarga en forma de J, no lineales y de tensión. Las curvas de tensión-deformación de la córnea tienen una respuesta elástica inmediata dominada inicialmente por el comportamiento de baja tensión de su matriz no colagenosa y el acto de eliminar la holgura de sus fibrillas de colágeno (discriminación de las fibrillas), así como la reorientación de sus fibrillas de colágeno en la dirección de la tensión

(reclutamiento de las fibrillas) en la parte inferior de la J y, posteriormente, por el comportamiento de alta tensión de las fibrillas de colágeno que se orientan al máximo en la dirección de la tensión en la parte superior de la J.

Fallo biomecánico crónico de la córnea - ectasia

En la mecánica clásica, el daño y la ruptura agudos se producen cuando el esfuerzo alcanza un valor crítico, que en tensión se denomina esfuerzo de tracción final (UTS). Además de la ruptura aguda inducida por sobrecarga, si se diseca un tendón y se le cuelga una carga menor (por debajo del UTS) mientras se mantiene húmedo, de forma crónica y dependiente del tiempo, el tendón se dañará o se fatigará y finalmente se romperá. Esto ocurre debido al deslizamiento terciario y su patogénesis micro y nanoestructural asociada de iniciación y propagación de la grieta interfibrilar (conocida como deslizamiento de los tejidos biológicos). De hecho, la susceptibilidad a la fatiga es un fenómeno universal en los tejidos biológicos, que típicamente fallan debido a una carga estática constante (daño dependiente del tiempo debido a la magnitud de la carga constante y al tiempo de aplicación de esta carga). En comparación, los materiales estructurales fabricados por el hombre suelen fallar debido a las cargas dinámicas oscilatorias (daños dependientes del ciclo debido a la magnitud de la carga y la frecuencia del tiempo de ciclo). El ciclo de la carga también puede acelerar el tiempo de ruptura de los tejidos biológicos.

Las propiedades biomecánicas innatas de la córnea humana dependen de la composición y organización de las fibrillas de colágeno y de las estructuras de la matriz que participan en la transmisión de fuerzas entre las sucesivas capas laminares y fibrilares del tejido de colágeno. Esta estructura está compuesta esencialmente por fibrillas de colágeno heterotípicas de tipo I de 25 nm de diámetro. Las propiedades mecánicas exactas de estas fibrillas de colágeno corneales individuales no han sido evaluadas o medidas específicamente. Sin embargo, estudios sobre los tendones de ratas encontraron que las fibrillas individuales de colágeno heterotípicas tipo I de 50nm de diámetro son moderadamente rígidas, fuertes y resistentes con sólo una ligera extensibilidad (∼10 por ciento), que por lo general sólo es evidente cuando se cargan bajo un estrés fisiológico extremo. Por lo tanto, se puede asumir para fines prácticos que las fibrillas de colágeno corneal tipo I no se estiran mucho bajo condiciones fisiológicas normales o bajo estrés. Esto parece implicar, al menos desde un punto de vista teórico, que las estructuras de la matriz que intervienen en la transmisión de fuerzas entre las capas laminares y fibrilares son las estructuras primarias del estroma corneal que son vulnerables a la fatiga (deslizamiento irreversible) en circunstancias fisiológicas normales. Los estudios ultraestructurales y de dispersión de rayos X de córneas humanas con ectasia natural, como el queratocono, o ectasia iatrogénica, como la ectasia post-LASIK o post-PRK, muestran que un proceso crónico de fallo de la matriz biomecánica en dos fases del estroma propiamente dicho, probablemente sea la patofisiología iniciadora y evolutiva, que da lugar a un deslizamiento interlamellar irreversible y al subsiguiente deslizamiento interfibrilar irreversible, a diferencia del fallo de la fibrilla de colágeno.

Diferentes tipos de irregularidades corneales; vista con OCT.

En el campo científico de las ciencias de los compuestos, se sabe que los compuestos de matriz de polímeros laminados hechos por el hombre, que son más similares a los de la córnea humana, se someten a dos tipos crónicos similares de procesos de fallo de la matriz biomecánica (o de la resina), conocidos como delaminación y fractura de interfibra (IFF), en los que se produce el fallo de la matriz entre la lámina o las fibras, respectivamente, causando la redistribución de las tensiones dentro de la estructura del laminado. La cantidad cuantitativa de tensión que causa este daño es la suma de la tasa de ciclo de las tensiones que actúan

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sobre la estructura, la duración del tiempo expuesto a esta tensión, la temperatura de la estructura, la curvatura y el espesor de la estructura, la secuencia de apilamiento de los laminados de las capas individuales y las propiedades biomecánicas innatas de las fibras y la matriz de unión. Como consecuencia de los daños nanomecánicos y micromecánicos, que suelen ser el resultado de la compresión transversal o de los esfuerzos de cizallamiento transversal en contraposición a la tensión transversal o si se produce una cizalla longitudinal, se pueden producir más daños en otras capas, lo que a la larga da lugar a una delaminación interlaminar macroscópica entre dos capas y a fracturas intralaminares de espesor completo de una capa. En esencia, la delaminación y la IFF causan sitios de concentración de tensiones internas en todo el compuesto de la lámina, y la acumulación de demasiados de estos sitios de daño puede reducir considerablemente la resistencia y la fuerza de la matriz sin que se detecte adelgazamiento o abultamiento.

Eventualmente, una vez que el proceso de falla biomecánica progresa al menos a una etapa moderada, la estructura usualmente se adelgaza a niveles medibles o detectables. Por lo general, sólo comienza a abultarse o a sufrir cambios patológicos de forma debido a una reducción significativa de la rigidez o un aumento significativo de la extensibilidad en las últimas etapas moderadas o severas, antes de sufrir finalmente un fallo estructural total durante la etapa final. Además, durante la fase de redistribución de la tensión, pueden producirse más daños en otras capas adyacentes incluso sin que se produzcan aumentos significativos de la tensión de las paredes, ya sea externa o interna. Así pues, desde una perspectiva de ciencia compuesta, la ectasia corneal es esencialmente el equivalente biológico tanto de la delaminación como de la IFF en el estroma propiamente dicho y es esencialmente una respuesta de fallo biomecánico crónico estereotípico e inespecífico a múltiples estímulos específicos diferentes, como el frotamiento ocular, la cirugía LASIK, los antecedentes familiares (condiciones genéticas asociadas al frotamiento ocular ambiental o conductual), o posiblemente la presión ocular nocturna externa.

El deslizamiento irreversible causado por la delaminación y la IFF puede ser benigno o perjudicial para la córnea en general, y esta última puede causar un proceso de fallo biomecánico gradual y progresivo, que eventualmente lleve al fallo final de la estructura por la pérdida de la forma y la pérdida de la función refractiva. Aunque tanto la delaminación como la IFF se ven universalmente en los dos tercios posteriores no tejidos del estroma propiamente dicho, pueden progresar hacia el tercio anterior del tejido del estroma propiamente dicho. Sin embargo, el tercio anterior del tejido estromal tiene un mecanismo natural para detener las grietas debido a la naturaleza altamente entrelazada de sus láminas. Esto quizás también explica por qué el queratocono rara vez resulta en una ruptura espontánea del ojo.

Filtración de luz ultravioleta

La superficie externa del cuerpo humano está expuesta a la luz solar terrestre que contiene luz ultravioleta (∼295-400 nm), visible (400- 800 nm) e infrarroja (IR; 800- 1200 nm). La luz ultravioleta solar sufre una importante dispersión y absorción en la atmósfera de la Tierra, de tal manera que la mayoría de las longitudes de onda dañinas y más cortas (290 nm), o todos los rayos UVC (100-280 nm) y el 70-90 por ciento de los rayos UVB (280-315 nm) no llegan a la superficie de la Tierra. La luz UV contiene más energía que la luz visible o la luz infrarroja y, por consiguiente, tiene más posibilidades de causar una lesión o daño fotoquímico. Cuando esta radiación llega al ojo, la proporción que absorben las diferentes estructuras depende de la longitud de onda y del ángulo de incidencia, y la máxima absorción se produce cuando los rayos de luz UV son paralelos al eje pupilar. Aunque la córnea es más sensible a las lesiones por luz UV que la piel, ya que no tiene melanina, las personas rara vez experimentan quemaduras solares agudas por luz UV, a menos que se produzca una alta exposición directa. Tales lesiones se producen en la nieve (esto es común cuando se esquía al mediodía sin gafas protectoras, ya que la nieve refleja el 85 por ciento de la luz UV incidente, a diferencia de sólo el 1-2 por ciento de la hierba) o cuando se suelda sin protección ocular UV, ya que los arcos de soldadura emiten radiaciones UV-C y UV-B perjudiciales.

También existe una considerable variabilidad en la exposición de la luz UV al ojo, ya que el espectro de exposición terrestre a los UV-B varía enormemente con la elevación solar en el cielo y otros factores relacionados con la exposición, como la relación albedo (porcentaje de reflectancia de la luz UV) de la superficie del suelo, y la anatomía de la ceja y el párpado superior, que protege al ojo de la dosis de luz UV terrestre esperada. Dado que los fotorreceptores humanos y los nervios de la córnea no pueden detectar la luz UV y, lo que es más importante, las lesiones repetidas por luz UV subumbral pueden producirse sin que el individuo lo sepa, esto puede causar fotoqueratitis aguda de la superficie epitelial o queratopatías crónicas irreversibles en el epitelio y las partes anteriores del estroma corneal. La córnea absorbe el 100 por ciento de la radiación UV-C incidente, el 90 por ciento de la UV-B incidente y el 60 por ciento de la radiación UV-A incidente. Por lo tanto, es el principal filtro de la luz UV para longitudes de onda de 200-300 nm, protegiendo al cristalino y la retina de los daños. Toda la radiación UV-C se absorbe en el epitelio corneal debido a su alto contenido de ácido ascórbico. La radiación UV-B se absorbe principalmente en los 100 micras anteriores de la córnea humana, especialmente en el epitelio y en la capa de Bowman, debido a la gran cantidad de residuos de triptófano en las proteínas de la capa de Bowman y del estroma anterior y al alto contenido de ácido ascórbico en el epitelio. UV-A (315-400 nm) es atenuado sólo parcialmente por la córnea, pero la porción transmitida la absorbe casi en su totalidad el cristalino, de modo que sólo un pequeño porcentaje llega a la retina (3 por ciento). Las longitudes de onda visibles cortas, como la luz violeta (∼400 nm) y la luz azul (∼475 nm), atraviesan la córnea y el cristalino predominantemente sin atenuar (85-90 por ciento de transmisión) antes de ser absorbidas por la retina y el epitelio pigmentado. Estas longitudes de onda son menos perjudiciales para los tejidos biológicos que la luz ultravioleta, pero siguen siendo capaces de causar lesiones y daños fotoquímicos, en particular si la duración de la exposición es larga o acumulativa. Las pruebas que apoyan los efectos perjudiciales para la salud de la luz ultravioleta en el ojo siguen ampliándose. Las afecciones oculares agudas y crónicas para las que se ha sugerido que la luz ultravioleta es un agente causante incluyen varios trastornos conjuntivales, de la córnea, el iris, el cristalino y posibles trastornos de la retina .

La sobreexposición aguda a los rayos UV-B y UV-C daña el epitelio corneal causando apoptosis o muerte celular programada. La exposición a los rayos UV-B y UV-C activa directamente las moléculas y enzimas de señalización en los epitelios corneales, incluidos JNK, SEK, p53, caspasa 9 y caspasa 3, todos los cuales se encuentran en la vía que conduce a los eventos apoptóticos clásicos, como la fragmentación del ADN y la formación de cuerpos apoptóticos. Los estudios de las células epiteliales corneales en cultivo muestran que un evento muy temprano que conduce a la apoptosis es la activación de los canales K por la UV. Esta activación de los canales ocurre a los pocos minutos de la exposición y la apoptosis puede ser prevenida por los bloqueadores de los canales K.

En cambio, la sobreexposición crónica a los rayos UV-B y UV-A es la que mejor explica la alta frecuencia y el grado variable de daño del ADN citogénico adquirido que se encuentra en los queratocitos de las córneas adultas normales.

Un segundo mecanismo de lesión por el que actúa la luz ultravioleta, violeta y azul es a través de la generación de especies reactivas de oxígeno (ROS), como el peróxido de hidrógeno, el oxígeno singlete y los radicales libres de oxígeno (aniones superóxidos y radicales hidroxilo), que causan daños celulares y extracelulares al reaccionar con los lípidos, las proteínas y el ADN. En condiciones fisiológicas normales, la córnea y el segmento anterior se protegen de la oxidación produciendo y manteniendo niveles suficientes de antioxidantes, incluidos varios antioxidantes de bajo peso molecular (ácido ascórbico, glutatión y alfatocoferol) y de alto peso molecular (catalasa, superóxido dismutasa, glutatión peroxidasa y reductasa). Se cree que el ácido ascórbico es el principal antioxidante de la córnea y del segmento anterior del ojo humano, ya que se produce en concentraciones elevadas en el humor acuoso. El peligro que supone para la córnea el ROS parece derivarse de la exposición excesiva a los rayos UV-B,

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en contraposición a la exposición a los rayos UV-A o UV-C, ya que los experimentos han demostrado que sólo el exceso de rayos UV-B provoca profundas disminuciones en los antioxidantes corneales. Así pues, en los 100 micras anteriores de la córnea se produce un desequilibrio en la relación entre pro-oxidantes y antioxidantes, lo que muy probablemente provocará lesiones oculares oxidativas e inflamación, ya que los componentes tisulares de la córnea se convierten en los principales absorbentes y desintoxicantes de la luz UV.

Radiación UV y lentes de contacto

La radiación UV puede causar daños graves y a veces irreparables en la superficie ocular, es por ello que desde hace casi dos décadas la mayoría de las lentes de contacto llevan en sus materiales filtros que inhiben esta radiación, se clasifican según la FDA.

Cada vez estamos más conscientes de que es necesario protegernos de la radiación UV. La mayoría de los padres de adolescentes y pre-adolescentes dicen que la protección UV es de gran importancia para decidir qué lentes de contacto (LC) deben usar sus hijos. Los LC con filtro UV son muy importantes para los usuarios que viven en zonas donde hay niveles altos de UV y además porque desde hace un tiempo se piensa que una longitud de onda corta de UV potencialmente cancerígena está presente en la luz solar de esa región. La radiación UVA es la más cercana al espectro visible y la absorbe principalmente el cristalino, en el caso de que los pacientes sean áfacos, el cristalino no va a proteger la retina de esta radiación, es por esto que en pacientes áfacos, las propiedades que tienen estos lentes de contacto con filtros UV son de mucha importancia. También son muy útiles para los usuarios que pasan mucho tiempo al aire libre, para los pacientes pseudofáquicos portadores de un lente intraocular, y para pacientes que estén tomando medicamentos fotosensibilizantes. El uso de lentes de contacto blandas con filtro UV sirve para proteger los ojos de esta radiación. Estos lentes de contacto tienen monómeros que absorben el UV, que pueden proteger la córnea y las estructuras oculares internas de esos rayos. Varios estudios han demostrado que los lentes de contacto con filtro UV reducen la transmitancia de UV al ojo al mínimo, lo que proporciona la protección de diferentes zonas oculares. Además, como los lentes de contacto cubren el limbo va a haber una mayor protección a las estructuras oculares internas. Los lentes de contacto blandos sólo sirven para proteger la superficie de la córnea y el limbo, esto hace que otras estructuras oculares como la conjuntiva y los párpados queden expuestos a los daños de la radiación UV. Por lo tanto, si se prescriben lentes de contacto deben recomendarse gafas de sol para garantizar una protección completa de UV ocular. Sobre todo en aquellos ambientes en los que haya mucho UV. La protección UV que dan los lentes de contacto a la córnea depende de su trasmitancia y absorbancia y esto a su vez va a depender de los materiales de los que está fabricado el lente. La cantidad de UV absorbido o trasmitido varía entre si el lente de contacto es de hidrogel de silicona de primera o segunda generación. A los lentes de contacto con protección UV se les ha aplicado la norma American National Standards Institute (ANSI), esta norma se aplica en la trasmitancia de UV en lentes de sol. Ésta establece que una gafa de sol protegerá de la radiación UV si absorbe un mínimo de 95% de la radiación UVB, y un 70% de la UVA.

Respuestas correctas al cuestionario del artículo “Córnea II” publicado en la revista anterior:

1. a • 2. b

Cuestionario

1.- ¿Qué tipo de radiación UV provoca profundas disminuciones en los antioxidantes corneales? a) UV A b) UV C c) UV B 2.- ¿En qué tercio del espesor corneal se presenta el fallo biomecánico gradual y progresivo que eventualmente produce pérdida de la forma y de la función refractiva? a) En los dos tercios anteriores b) En los dos tercios posteriores

Bibliografía

1.- Levin, L. Nilsson S. Adler’s Phisiology of the eye. Eleventh edition. 2011. Saunders, Elsevier. 2.- Módulo A1. Anatomy & Physiology of the Anterior Segment. The International Association of Contact Lens Educators (IACLE) 3.- Módulo 6 de la Asociación Internacional de Educadores en Lentes de Contacto. 4.- Linda Moore, Jannie T. Ferreira. Ultraviolet (UV) transmittance characteristics of daily disposable and silicone hydrogel contact lenses.Contact Lens & Anterior Eye.9.2006:115–122. (26 de Abril de 2016).