Tesis:
Scleral biomechanics and myopia development and control
- Autor: VILLEGAS LOPEZ, Lupe Ivette
- Título: Scleral biomechanics and myopia development and control
- Fecha: 2025
- Materia:
- Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS DE TELECOMUNICACION
- Departamentos: SIN DEPARTAMENTO DEFINIDO
- Acceso electrónico: https://oa.upm.es/88800/
- Director/a 1º: MARCOS CELESTINO, Susana
- Resumen: The sclera is the main supporting tissue of the internal structures of the eye. Biomechanical changes in the scleral tissue can be related to ocular diseases such as myopia. Myopia is a global public health problem that is currently considered a new pandemic due to its enormous magnitude. At present, the role of scleral remodeling as a modulator of myopia and potential moderator of myopia progression is not fully understood. The main objective of the work described in this thesis is to develop new methods to determine the role of the sclera and its modulation in the development and control of myopia.
The biomechanical responses of porcine and rabbit scleral tissues were studied using deformation imaging and elastography. Air-puff Optical Coherence Deformation Imaging revealed that scleral deformation changed across species (porcine or rabbit) and geographically at different locations on the same eye globe. In porcine eyes, maximum scleral deformation occurred in the superior and inferior sclera, and in rabbit eyes in the equatorial nasal and inferior sclera, for the same air-pulse configuration. Multi-directional Optical Coherence Elastography allowed radial mapping of mechanical properties at different locations and orientations of the eye globes and showed that the sclera was stiffer circumferentially and anteriorly than meridionally and posteriorly. The highest shear modulus values were found in the superior circumferential sclera. These results demonstrate that the tissue response depends on the internal structure (biochemical composition and collagen fibers organization), which varies between animal models and scleral regions.
Cross-linking has been proposed as a potential treatment for myopia, by stiffening the scleral tissue and halting axial elongation. The effects of Rose Bengal-green light and Riboflavin-ultraviolet light cross-linking on the biomechanical and swelling properties of rabbit sclera were investigated. Rose Bengal-green light cross-linking induced scleral stiffness to the same extent as riboflavin-ultraviolet light cross-linking. In addition, non-crosslinked tissue swelled more rapidly than crosslinked scleral tissue, and an inverse relationship between swelling and scleral stiffness was observed. Changes in the scleral collagen organization were examined by Second Harmonic Generation microscopy. The results suggest that Rose Bengal-green light cross-linking has potential for future in vivo studies as a method for the treatment of myopia, if the challenge of the photoinitiator and light irradiation reaching the posterior sclera is overcome.
Several pharmacological treatments have been proposed for myopia control. In particular, we tested in vivo latanoprost (an ocular hypotensive agent) and atropine (a dopamine-releasing agent) in monocular form-deprived myopia-induced guinea pigs. Myopic eyes were instilled daily with saline, latanoprost, or atropine for nine weeks. Ocular biometry, scleral biomechanics and collagen fiber organization were measured. The results suggest that latanoprost was as effective as atropine in inhibiting myopia progression by reducing axial length and refractive error. Both treatments attenuated the decrease in Young's modulus in myopic eyes, but only atropine increased the shear modulus. Consistent with these biomechanical differences, scleral collagen organization appeared to be at least partially restored in pharmacologically treated eyes.
In summary, this thesis used custom-developed technologies to characterize mechanically and structurally the sclera of common animal models. The scleral changes observed in myopia suggest that the sclera is a target tissue to prevent myopia progression.
RESUMEN
La esclerótica es el principal tejido de soporte de las estructuras internas del ojo. Las alteraciones biomecánicas de la esclerótica pueden deberse a enfermedades oculares como la miopía. La miopía es un problema de salud pública mundial considerada como una nueva pandemia. Actualmente, no se conoce del todo el papel de la remodelación de la esclerótica como modulador y potencial moderador de la progresión de la miopía. Lo que deja de manifiesto el objetivo principal de esta tesis, que es desarrollar nuevos métodos para determinar el papel de la esclerótica y su modulación en el desarrollo y control de la miopía.
Se ha estudiado la respuesta biomecánica de la esclerótica de porcino y conejo utilizando imágenes de deformación y elastografía. Las imágenes de deformación por pulso de aire revelaron que la deformación de la esclerótica fue diferente entre especies y entre las localizaciones en el globo ocular. En los ojos porcinos, la máxima deformación de la esclerótica se encontró en la región superior e inferior, y en los ojos de conejo en la región nasal ecuatorial e inferior. La elastografía multidireccional de coherencia óptica permitió cartografiar radialmente las propiedades mecánicas en diferentes localizaciones y orientaciones de los globos oculares y mostró que la esclerótica era más rígida circunferencialmente y en la región anterior, que meridionalmente y en la región posterior. Estos resultados demostraron que la respuesta tisular depende de la estructura interna (composición bioquímica y organización de las fibras de colágeno), que varía entre modelos animales y regiones de la esclerótica.
El entrecruzamiento de la esclerótica se ha propuesto como posible tratamiento de la miopía, ya que rigidiza la esclerótica y detiene la elongación axial. Se investigaron los efectos sobre las propiedades biomecánicas y de hinchamiento la de la esclerótica de conejo después de la reticulación mediante Rosa de Bengala con luz verde y Riboflavina con luz ultravioleta. La reticulación con Rosa de Bengala y luz verde indujo el mismo incremento de rigidez en la esclerótica que con Riboflavina y luz ultravioleta. Además, el tejido no reticulado se hinchó con mayor rapidez que el reticulado, y se observó una correlación inversa entre la hinchazón y la rigidez de la esclerótica. La reticulación también generó cambios en la organización del colágeno de la esclerótica. Los resultados sugieren que la reticulación con Rosa de Bengala y luz verde es un potencial método para tratar la miopía en futuros estudios in vivo.
Se han propuesto varios tratamientos farmacológicos para el control de la miopía. En particular, probamos in vivo latanoprost (un agente hipotensor ocular) y atropina (un agente liberador de dopamina) en cobayas con miopía inducida por privación monocular. A los ojos miopes se les instiló diariamente solución salina, latanoprost o atropina durante nueve semanas. La refracción, la biometría ocular, la biomecánica de la esclerótica y la organización de las fibras de colágeno fueron medidas. Los resultados sugirieron que el latanoprost fue tan eficaz como la atropina para inhibir la progresión de la miopía reduciendo la longitud axial y el error refractivo. Ambos tratamientos atenuaron la disminución del módulo de Young, pero sólo la atropina aumentó el módulo de cizallamiento. En consonancia con estas diferencias biomecánicas, la organización del colágeno de la esclerótica pareció restablecerse, al menos parcialmente, en los ojos tratados farmacológicamente.
En resumen, esta tesis utilizó tecnologías desarrolladas a medida para caracterizar mecánica y estructuralmente la esclerótica de modelos animales comunes. Los cambios escleróticos observados en la miopía sugieren que la esclerótica es un tejido diana para prevenir la progresión de la miopía.