The relationship between structural functional parameters and scleral collagen cross-linking level in glaucoma eyes

PURPOSE: To compare the level of scleral collagen crosslinking with structural functional parameters in patients with different stages of primary open-angle glaucoma (POAG). METHODS: 75 patients aged 50-91 with different stages of POAG were examined. All patients, planned for antiglaucomatous surgery (nonpenetrating deep sclerectomy) were divided into three age groups: 21 patients aged 50-59, 22 patients aged 60-69 and 32 patients aged 70 or older. 19 eyes had stage I of glaucoma, 24 eyes had stage II, 32 eyes had stage III. Subjective and objective structural functional eye parameters were evaluated before and after operation. In all cases scleral samples were taken during the surgery. To estimate the collagen cross-linking level, we used differential scanning calorimetry (Phoenix DSC 204, “Netzsch", Germany) and analyzed scleral thermograms. RESULTS: Patients with rigid sclera, i.e. with high temperature of denaturation (Tm) had lower values of the average integral index of photosensitivity level (MD) and total parameters of threshold sensitivity, but more expressed changes in value and degree of local defects (sLV). The highest correlation factor of Tm and morphometric parameters of the optic disk were observed with horizontal integral parameter and the neuroretinal rim. In the 50-59 years group, a significantly higher positive index of correlation (Tm) with functional structural state of the glaucomatous eye was detected with regard to the whole set of patients. The correlation between Tm and perimetry index, between Tm and neuroretinal rim value (r=0.85, p<0.015 and r=0.73, p<0.009 respectively) was received. In the 60-69 group, a significantly higher positive index of correlation Tm with IOP level before and after operation (r=0.55, p<0.05; r=0.58, p<0.05) and corneal hysteresis (r=-0.77, p<0.048) was observed. CONCLUSION: The development of glaucoma in relatively young age is characterized by higher correlation (in comparison with glaucoma in older patients) of denaturation temperature with functional structural state of glaucomatous eye, especially with the perimetry index and the neuroretinal rim value.

glaucoma, scleral collagen, perimetry index, corneal hysteresis, neuroretinal rim, differential scanning calorimetry, глаукома, коллаген склеры, периметрические индексы, корнеальный гистерезис, нейроретинальный поясок, дифференциальная сканирующая калориметрия

1. Волков В.В. Трехкомпонентная классификация открытоугольной глаукомы (на основе представлений о ее патогенезе). Глаукома 2004; 1:57-68

2. Иомдина Е.Н., Игнатьева Н.Ю., Арутюнян Л.Л. и др. Изучение коллагеновых и эластических структур склеры глаз при глаукоме с помощью нелинейно-оптической (мультифотонной) микроскопии и гистологии (предварительное сообщение). Российский офтальмологический журнал 2015; 8(1):50-56

3. Иомдина Е.Н., Бауэр С.М., Котляр К.Е. Биомеханика глаза: теоретические аспекты и клинические приложения. Москва: Реальное время, 2015. 208 с

4. Jones Н.Х., Girard M.J., White N. et al. Quantitative analysis of three-dimensional fibrillar collagen microstructure within the normal, aged and glaucomatous human optic nerve head. J R Soc Interface 2015; 12(106). doi : 10.1098/rsif.2015.0066.

5. Pijanka J.K., Kimball E.C., Quigley H.A. et al. Changes in scleral collagen organization in murine chronic experimental glaucoma. Invest Ophthalmol Vis Sci 2014; 55(10):6554-6564. doi : 10.1167/iovs.14-15047.

6. 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; 24:39-73.

7. Sigal I.A., Flanagan J.G., Ethier C.R. Factors influencing optic nerve head biomechanics. Invest Ophthalmol Vis Sci 2005; 46(11): 4189-4199.

8. Fratzl P. Collagen. Structure and Mechanics. Potsdam: Springer, 2008. 506 p.

9. Арутюнян Л.Л., Еричев В. П., Филлипова О.М., Акопян А.И. Вязко-эластические свойства роговицы при первичной открытоугольной глаукоме. Глаукома 2007; 2:14-18.

10. Данилов Н.А., Игнатьева Н.Ю., Иомдина Е.Н., Арутюнян Л.Л. Исследование склеры глаукомных глаз с помощью физико-химического анализа. Биофизика 2011; 56(3):520-526

11. Иомдина Е.Н., Арутюнян Л.Л., Игнатьева Н.Ю. и др. Структурно-биомеханические особенности склеры у больных с разными стадиями ПОУГ. В кн.: Российский общенациональный офтальмол. форум. М.; 2008: 540-544

12. Иомдина Е.Н., Игнатьева Н.Ю., Данилов Н.А., Арутюнян Л.Л., Киселева О.А., Назаренко Л.А. Биохимические и структурно-биомеханические особенности матрикса склеры человека при первичной открытоугольной глаукоме. Вестник офтальмологии 2011; 6:10-14

13. Domán I., Tóth Gy., Illés T., Lôrinczy D. Differential scanning calorimetric examination of the human intervertebral disc. A preliminary study. Thermochimica Acta 2001; 376:117-122.

14. Flandin F., Buffevant C., Herbage D. A differential scanning calorimetry analysis of the age-related changes in the thermal stability of rat skin collagen. Biochim Biophys Acta 1984; 791:205-211.

15. Le Lous M., Flandin F., Herbage D., Allain J.C. Influence of collagen denaturation on the chemorheological properties of skin, assessed by differential scanning calorimetry and hydrothermal isometric tension measurement. Biochim Biophys Acta 1982; 717(2):295-300.

16. Иомдина Е.Н., Арутюнян Л.Л., Игнатьева Н.Ю. Изучение уровня поперечной связанности коллагена склеры глаукомных глаз в возрастном аспекте. В кн.: Российский общенациональный офтальмол. форум. Москва; 2015.

17. Акопян А.И., Еричев В.П., Иомдина Е.Н. Ценность биомеханических параметров глаза в трактовке развития глаукомы, миопии и сочетанной патологии. Глаукома 2008; 1:9-15

18. Иомдина Е.Н., Игнатьева Н.Ю., Данилов Н.А. и др. Биомеханика корнеосклеральной оболочки глаза при миопии и глаукоме: сходство и различия. В кн.: Биомеханика глаза. Сб. трудов конференции. Москва; 2009:110-114

19. La Rosa F.A., Lee D.A. Collagen degradation in glaucoma: will it gain a therapeutic value? Curr Opin Ophthalmol 2000; 11:90-93.

20. Kim J.-W., Lindsey J.D., Wang N., Weinreb R.N. Increased human scleral permeability with prostaglandin exposure. Invest Ophthalmol Vis Sci 2001; 42(7):1514-1521.

21. Weinreb R.N., Kashiwagi K., Kashiwagi F. et al. Prostaglandins increase matrix metalloproteinase release from human ciliary smooth muscle cells. Invest Ophthalmol Vis Sci 1997; 38:2772-2780.

22. Lindsey J.D., Kashiwagi K., Boyle D. et al. Prostaglandins increase proMMP-1 and proMMP-3 secretion by human ciliary smooth muscle cells. Curr Eye Res 1996; 15:869-875.

23. Sagara T., Gaton D. D., Lindsey J. D. et al. Topical prostaglandin F2alpha treatment reduces collagen types I, III, and IV in the monkey uveoscleral outflow pathway. Arch Ophthalmol 1999; 117:794-801.