Einleitung: Die Kollagenquervernetzungs-Behandlung mit Riboflavin und UV-A-Licht (CXL) ist eine neue Behandlungsmethode, die als einziges Verfahren die Stabilität der Hornhaut erhöht und dadurch eine Progression eines Keratokonus verhindern kann. Die hierbei oft verzeichnete Rückbildung der Keratektasie reicht jedoch in der Regel nicht aus, um die damit verbundenen Brechungsfehler des Auges zu beheben. In einigen Fällen kann die Sehschärfe sogar mit formstabilen Kontaktlinsen nicht wieder hergestellt werden und es müssen operative Methoden, wie Excimer-Laserbehandlungen, in Erwägung gezogen werden. Die Gefahr der Progression der Hornhautverdünnung bis hin zur Keratolyse bleibt jedoch bestehen. Die Festigung der Cornea durch eine CXL- Behandlung vor einer Excimer-Laserbehandlung könnte diese Gefahr verringern und die Sehschärfe des Patienten entscheidend verbessern oder vollständig restituieren. Ziel dieser Arbeit war es zu untersuchen, in wie weit eine CXL-Behandlung einen Einfluss auf refraktiv-chirurgische Verfahren hat: Es sollte die Auswirkung einer CXL-Behandlung auf einen Mikrokeratomschnitt, insbesondere auf die Flapdicke, sowie die Auswirkung auf das refraktive Ergebnis einer LASIK-Behandlung untersucht werden. Material und Methoden: An frisch enukleierten Schweineaugen (n=100 je Gruppe) wurde eine CXL-Behandlung durchgeführt. Die Augen der Kontrollgruppe erhielten nur eine Epithelabrasio. Die Präparation des Flaps erfolgte mit einem Cariazzo- Pendular Mikrokeratom, die Excimer-Laser-Photoablation mit dem ESIRIS Excimer- Laser. Die Flapdickenmessung wurde durchgeführt mittels optischer Kohärenzpachymetrie und einem mechanischem Dickenmessgerät. Die Bestimmung der Refraktion erfolgte mittels Placido-basierter Videokeratographie. Ergebnisse: Die mit dem optischen Kohärenzpachymeter (OCP) gemessene mittlere Flapdicke nach einem intendierten 150μm Mikrokeratomschnitt betrug 135 ± 25μm in der Gruppe mit CXL-Behandlung und 105 ± 25μm in der Kontrollgruppe (p<0.0001), respektive 164,7 ± 16μm und 132,6 ± 19,6μm gemessen mit dem mechanischem Dickenmessgerät (p<0,0001). Dies entspricht einer Flapdickenzunahme von 22%. Die mit dem mechanischen Dickenmessgerät gemessene mittlere Flapdicke nach einem intendierten 130μm Mikrokeratomschnitt betrug 115 ± 15μm in der CXL-Gruppe und 95 ± 10μm in der Kontrollgruppe (p<0.0001). Dies entspricht ebenfalls einer Zunahme von 22%. Das refraktive Ergebnis bei einer intendierten Flapdicke von 150μm und intendierten Korrekturen um -6D und -4D war in der CXL-behandelten Gruppe signifikant verringert: Bei intendierter Korrektur um -6D wurden -4,0 ± 1,8D in der CXL-Gruppe und -5,5 ± 1,6D in der Kontrollgruppe erreicht (p=0.005), bei intendierter Korrektur um -4dpt wurden -3,0 ± 1,2D in der CXL-Gruppe und -4,1 ± 2,0D in der Kontrollgruppe erreicht (p=0.038). Bei einer intendierten Korrektur um -2D zeigten CXL-behandelte Hornhäute ein verringertes refraktives Ergebnis, das jedoch nicht mehr signifikant war: -1,7 ± 1,1D vs. -2,5 ± 1,8D (p=0.057). Bei Benutzung eines 130μm Mikrokeratomschneidkopfes war das refraktive Ergebnis einer intendierten Korrektur um -6D von CXL-behandelten Augen signifikant verringert: -4,6 ± 0,9D vs. -5.5 ± 1,4D (p=0.016). Eine intendierte Korrektur um -4dpt zeigte ein verringertes Ergebnis, das jedoch nicht mehr statistisch signifikant war: -3,0 ± 1,5D vs. -3,5 ± 1,3D (p=0.324). Diskussion: Eine an Keratokonus erkrankte Hornhaut zuerst durch eine CXL-Behandlung zu stabilisieren und anschließend eine Mikrokeratom- und/oder Excimer-Laserbehandlung zur visuellen Rehabilitation durchzuführen, kann ein vielversprechendes Behandlungskonzept sein. In dieser Arbeit konnte an einem ex-vivo Modell bei statistisch genügender Fallzahl gezeigt werden: • Eine CXL-Behandlung wirkt sich auf einen Mikrokeratomschnitt, insbesondere auf die Flapdicke aus: Die Flaps werden im Durchschnitt um 22% dicker. Zwei Ursachen könnten dafür verantwortlich sein: Eine geringere Deformation der Corneakurvatur beim Schnittvorgang und/oder ein erhöhter Verformungswiderstand der Cornea während der Schneidkopfapplanation. • Eine CXL-Behandlung wirkt sich auf das refraktive Ergebnis einer LASIK-Behandlung aus: Bei Verwendung eines 150μm Schneidkopfs waren Korrekturwerte von mehr als -4dpt, bei Verwendung eines 130μm Schneidkopfs von mehr als -6D signifikant verringert. Dafür könnten zwei Ursachen verantwortlich sein: Ein ungenügendes Wiederanliegen des Flaps bei der Reposition und/oder eine Veränderung der biomechanischen Eigenschaften der Cornea nach Photoablation. • Die Mikrokeratom- oder Excimer-Laserparameter müssen modifiziert werden, wenn man eine CXL-Behandlung und LASIK-Behandlung direkt nacheinander durchführt: Bei Benutzung eines Mikrokeratoms für 150μm/130µm intendierte Flapdicke muss bei angestrebten refraktiven Korrekturen von mehr als -4D/-6D ein Ablationsprofil für höhere Korrekturen eingestellt werden. / Introduction: Riboflavin/ultraviolet A (UVA) cross-linking (CXL) of corneal collagen is a novel method of stabilizing corneal mechanical properties and preventing progression of keratectasias. Although until now CXL has been the only therapy to stop the progression of keratoconus, it also induces some regression of keratectasia-associated refractive changes. However, these refractive effects are not sufficient to result in the visual rehabilitation of the patient. In those who do not benefit from spectacles or rigid gas-permeable contact lenses, surgical options such as excimer laser treatments, have to be considered. Recently, corneal excimer laser surgery has been proposed as an alternative treatment for irregular astigmatism in selected patients with keratectasia, but the fear of progressive corneal thinning and even keratolysis remains. Stiffening the cornea by CXL before excimer laser ablation could be effective in reducing this risk and improve or fully restitute visual acuity of the patients. The objective of this study was to examine whether CXL has an impact on refractive surgery procedures: on tissue response to a microkeratome lamellar cut (flap), in particular the flap thickness, and on the refractive result of myopic LASIK procedures. Materials and Methods: Corneal epithelium was removed from enucleated porcine eyes (n=100 each group), and CXL was performed with riboflavin 0.1% and UVA radiation (365 nm, 3 mW/cm(2)) for 30 minutes. Control eyes received epithelial abrasion only. Microkeratome cuts were performed with a Cariazzo- Pendular microkeratome (Schwindt, Germany), the excimer laser photoablation with the excimer ESIRIS Laser (Schwindt, Germany). During LASIK for myopia, the flap thickness of microkeratome cuts was measured by optical coherence pachymetry (online OCP) and mechanically by a manual micrometer caliper. The induced refractive change was assessed by Placido topography. Data were analyzed by Shapiro-Wilk test and Student's t-test. Results: Mean corneal flap thickness after an intended 150μm microkeratome cut was 135 ± 25µm in the group with CXL treatment and 105 ± 25 µm in the control group (p <0.0001, n = 60 per group), both measured by OCP. Measured by mechanical micrometer caliper, the mean corneal flap thickness after an intended 150µm microkeratome cut was 164.7 ± 16μm in the group with CXL-treatment and 132.6 ± 19.6µm in the control group (p <0.0001, n = 60 in each group). This corresponds to an increase of 22%. Mean corneal flap thickness after an intended 130µm microkeratome cut was 115 ± 13µm in the CXL-group and 95 ± 10µm in the control group (p <0.0001, n = 40 per group). This also corresponds to an increase of 22%. With the 150µm microkeratome head, differences in refractive outcome were significantly reduced in the CXL-treated corneas, down to an intended myopic correction of 4 D (3.0 D was achieved correction in CXL eyes versus 4.1 D in control eyes, p=0.038). At 2 D intended refractive change, the cross-linked corneas showed a reduced refractive outcome that was not statistically significant (p=0.057). With the 130µm microkeratome head, the refractive outcome of a 6 D intended correction was significantly reduced in the cross-linked corneas (4.6 D achieved correction in CXL-treated eyes versus 5.5 D in control eyes, p=0.016), whereas a 4-D correction showed a reduced refractive outcome that was not statistically significant (3.0 D vs. 3.5 D, p=0.324). Discussion: To first stabilize a keratoconic cornea with UVA/riboflavin collagen cross-linking and then employ refractive surgery procedures to improve visual acuity is a tempting treatment concept. We investigated the effects of CXL on LASIK in porcine eyes ex-vivo: • A CXL treatment has an influence on a microkeratome cut, especially on the flap thickness: The flaps are on average 22% thicker. Two causes might be responsible: a lower deformation of the corneal curvature during the cutting process and / or an increased resistance to deformation of the cornea during the applanation of the cutting- head of the microkeratome. • A CXL treatment has an influence on the refractive result of LASIK treatments: When using a 150μm cutting head correction values of more than -4D, when using a 130µm cutting head correction values of more than -6D were significantly reduced. This result could be due to a lack of alignment of the thicker, more rigid flap to the stromal bed, thereby masking the altered curvature of the underlying stroma and / or a change in the biomechanical properties of the cornea after photoablation. • The microkeratome or excimer laser parameters need to be modified when performing a CXL treatment and LASIK treatment consecutively: When performing a LASIK procedure with an intended 150μm flap and refractive correction >4D or an intended 130μm flap and refractive correction >6D, an ablation profil for higher refractive corrections has to be used.

Syfte: Att jämföra mätvärden från tre instrument som används för topografiska mätningar på två olika patientgrupper: en med friska ögon och en med corneala tillstånd. Instrumenten som användes var Javal Schiøtz keratometer, Topcon CA-200 topograf och Bon Sirius Scheimpflugkamera. Material och metod: Tre mätningar med respektive topograf och en mätning med keratometern utfördes på samtliga 27 patienter som deltog i studien och sammanlagt 54 ögon mättes av. Medelåldern på deltagarna med friska ögon (Grupp 1) var 25 år (21-44 år) och på de med corneala tillstånd (Grupp 2) var medelåldern 34,4 år (22-58 år). Krökningsradie, styrka och gradtal på de två huvudmeridianerna mättes med keratometern. Vid mätning med topograferna noterade värden från Sim-k och för 3, 5 och 7mm; dessa värden jämfördes sedan med varandra. Keratometern jämfördes med topografernas Sim-k värden. Resultat: Resultatet av studien visar ingen signifikant skillnad mellan de tre instrumenten (p=0,48 1-vägs ANOVA för upprepade mätningar) varken för Grupp 1 eller Grupp 2. Sim-k värden som visar astigmatism var lägst enligt Topcon för samtliga mätområden (Sim-k, 3, 5 och 7mm). Bon Sirius visade högre grader av uppmätt astigmatism än Topcon, men lägre än de uppmätta med keratometern. Korrelationen mellan instrumenten var bra för 5mm-zonen och visade signifikant skillnad för Grupp 2 (p=0,03). Jämförelse mellan Javal keratometer och Sirius visade också signifikant skillnad för Grupp 2 (p=0,02). Javal keratometer visade högst standardavvikelse av samtliga instrument. Slutsats: Det fanns ingen signifikant skillnad mellan de olika instrumenten, med undantag för jämförelse mellan Sim-k-värden för Javal keratometer och Bon Sirius topograf, samt för 5mm-zonen mellan Topcon CA-200 och Bon Sirius i gruppen med corneala dystrofier. Detta visar att instrumenten är jämförbara när ögonen inte lider av extrema, onormala formförändringar.

Ziel der Studie: Evaluation der Effektivität und Sicherheit des Kollagen-Crosslinkings der Hornhaut mit Riboflavin und UV-A (CXL) bei progressivem Keratokonus über einen Nachbeobachtungszeitraum von bis zu 10 Jahren. Design: Retrospektive klinische Längsschnittstudie Methoden: 131 Augen von 131 Patienten (männlich:weiblich = 95:36) erhielten an der Universitäts-Augenklinik Würzburg zwischen 2006 und 2016 ein Kollagen-Crosslinking (CXL) nach dem Dresdner Standardprotokoll, bestehend aus einer Abrasio, Applikation von iso-osmolaren Riboflavin/Dextran-Augentropfen für 30 min und anschließender UV-A-Bestrahlung mit 3 mW/cm2 für 30 min. Die retrospektive Nachbeobachtung betrug 1 (n=103 Augen) bis maximal 10 Jahre (n=44 Augen). Einschlusskriterien waren eine Zunahme des maximalen Hornhautkrümmungsradius (Kmax, gemessen mittels Pentacam HR) >1 dpt und eine Hornhautdicke >400 µm nach Abrasio. Für parametrische bzw. nichtparametrische Daten wurde der T-Test bzw. der Wilcoxon-Vorzeichen-Rangsummentest durchgeführt. Ergebnisse: 1 bis 3 Jahre präoperativ nahm der Median von Kmax und K2 signifikant um 1,5 dpt (p=0,001) und 1,1 dpt (p<0,001) bis zur Behandlung zu. Die apikale Hornhautdicke nahm nach 1-3 Jahren präoperativ um 12 µm ab (p=0,003). Postoperativ stieg der Median von K2 zunächst bis nach 1 Jahr um 0,1 dpt, nahm dann aber über den weiteren Nachbeobachtungszeitraum kontinuierlich ab, nach 10 Jahren lag er um 0,85 dpt (p=0,021) unter dem Ausgangswert. Die mittlere apikale Hornhautdicke nahm nach 3, 7 bzw. 10 Jahren um 11 µm (p<0,001), 9 µm (p=0,014) und 3 µm (p=0,358) ab. Der mediane Kmax zeigte Schwankungen ohne signifikante Veränderung. Der mittlere bestkorrigierte Visus (logMAR) nahm nach 5 Jahren signifikant um 0,13 und nach 10 Jahren um 0,08 ab (p=0,013 und p=0,010). Der Anteil der Non-Responder, definiert durch einen postoperativen Anstieg von Kmax>2 dpt, nahm von 16% nach 5 auf 33% nach 10 Jahren zu. Risikofaktoren waren ein junges Alter, hoher Astigmatismus, eine dünne Hornhaut und atopische Dermatitis. 4 Augen erhielten im Verlauf komplikationslos eine Revernetzung, woraufhin sich keine weitere Krankheitsprogression zeigte. Fazit: Die CXL-Behandlung kann die Progression des Keratokonus verlangsamen oder stoppen. Allerdings war ab 5 Jahren nach dem Eingriff eine Abnahme des Anteils der Responder zu beobachten. Regelmäßige Nachkontrollen sollten daher besonders auch im Langzeitverlauf durchgeführt werden, um eine erneute Progression frühzeitig erkennen und behandeln zu können. / Purpose: This study analyses long-term efficacy and safety of corneal collagen crosslinking with riboflavin and UV-A irradiation (CXL) for progressive keratoconus. Design: Retrospective longitudinal study of consecutive patients. Methods: 131 eyes of 131 patients (male:female = 95:36) were treated at the university hospital Wuerzburg between 2006 and 2016 with standard CXL, comprising abrasion, application of iso-osmolar riboflavin/dextran eye drops for 30 min, and application of UV-A irradiation at 3 mW/cm2 for 30 min. Retrospective follow-up was 1 (n=103 eyes) to maximum 10 years (n=44 eyes). Only one eye per patient was included. Inclusion criteria were increase of maximum surface radius of curvature (Kmax measured with Pentacam HR) >1 D and corneal thickness >400 µm after abrasion. Paired t test or Wilcoxon matched-pairs signed rank test were conducted for parametric or nonparametric data, respectively. Results: 1 to 3 years preoperatively, median of Kmax and K2 significantly increased by 1.5 D (p=0.001) and 1.1 D (p<0.001). Apical corneal thickness diminished by 12 µm at 1-3 years preop (p=0.003). After CXL, median K2 increased by 0.1 D after 1 year, but then decreased over the remaining postoperative period by 0.85 D (p=0.021) after 10 years. Mean apical corneal thickness decreased by 11 µm (p<0.001), 9 µm (p=0.014) and 3 µm (p=0.358) after 3, 7 and 10 years, respectively. Median Kmax showed high variation without significant change. Mean best corrected visual acuity (logMAR) significantly decreased by 0.13 after 5 and 0,08 after 10 years (p=0.013 and p=0.010). CXL-non-responders, defined by postoperative increase of Kmax>2 D, increased from 16% after 5 to 33% after 10 years. Risk factors were young age, high astigmatism, thin cornea, and atopic dermatitis. 4 eyes were re-treated after first CXL without any complications and keratoconus stabilized thereafter. Conclusion: CXL can slow down or stop the progression of keratoconus. However, the declining responder rate beyond 5 years after treatment indicates that patients who have risk factors for being a non-responder might require re-treatment. So patients should be examined at regular intervals especially after 5 years post CXL, to recognize and re-treat a progression early.

Zusammenfassung: Das Ziel dieser Arbeit ist die experimentelle und klinische Evaluierung eines neuartigen Messverfahrens zur Bestimmung biomechanischer Eigenschaften der Hornhaut. Das untersuchte Gerät (Corvis ST, Oculus, Wetzlar, Deutschland) ist ein Non-Kontakt Tonometer mit integrierter Scheimpflug-Technologie, welches zum Einsatz am menschlichen Auge weltweit zugelassen ist. Ein Luftimpuls wird dabei auf die Hornhaut appliziert, wodurch diese deformiert wird. Dieser Prozess hat zur Folge, dass die Hornhaut applaniert (erste Applanation), anschließend nach innen gedrückt (höchste Konkavität) und durch das Abschalten des externen Luftimpulses, vom Augeninnendruck (IOD) in ihre ursprüngliche, physiologische Form gedrückt wird, wobei sie die zweite Applanation durchläuft. Die klinisch relevanten Parameter des Corvis ST (DCR Parameter) sind der bIOP, ein biomechanisch korrigierter IOD; DAR2, das Verhältnis aus zentraler Deformation und peripherer Deformation (bei 2 mm) der Hornhaut; int. 1/R, Summe aus dem Kehrwert des Radius während der konkaven Phase der Hornhaut zwischen erster und zweiter Applanation; SP A1, Steifigkeitsparameter der ersten Applanation sowie CBI, eine Kombination aus verschiedenen DCR Parametern zur Trennung zwischen gesunden und Keratokonus Hornhäuten. Die Literaturrecherche hat ergeben, dass mechanische Kenngrößen nicht ohne Weiteres auf biologische Gewebe anwendbar sind, da insbesondere die Hornhaut anisotrope, nicht lineare und viskoelastische Eigenschaften aufweist. Aus diesem Grund kann für die Hornhaut beispielsweise kein einheitlicher E-Modul abgeleitet werden. Der E-Modul ist vielmehr eine Funktion der Dehnung. Für die Messung am Auge haben IOD und Hornhautdicke einen wesentlichen Einfluss auf das biomechanische Verhalten der Hornhaut. Diese und weitere Faktoren werden in dieser Arbeit untersucht und nach ihrem Effekt auf die Messparameter beurteilt. In experimentellen Untersuchungen wurde insbesondere der Einfluss des IOD betrachtet. Hierbei zeigt sich, je höher der IOD im Schweineauge induziert ist, desto weniger verformbar verhält sich die Hornhaut gegenüber dem eintreffenden Luftimpuls, wobei sich die Materialeigenschaften nicht verändern. Dies drückte sich unter anderem in geringeren Werten für DAR2 und int. 1/R sowie höheren Werte für SP A1 aus. Infolgedessen wird auf die IOD Konformität zwischen den zu untersuchenden Studienpopulationen geachtet, um die Messergebnisse richtig evaluieren zu können. In den klinischen Untersuchungen können zudem Hornhautdicke und Alter als weitere Einflussfaktoren auf die DCR Parameter bei Gesunden beobachtet werden. Eine dickere Hornhaut weist demnach einen höheren Widerstand (geringere Werte für DAR2, int. 1/R sowie höhere Werte für SP A1) gegenüber dem Luftimpuls auf als eine dünnere Hornhaut. Das Alter hat einen Versteifungseffekt auf die Hornhaut, was sich nachweislich durch eine positive Korrelation des Alters mit SP A1 zeigt. Eine weitere Voraussetzung für die Beurteilbarkeit der DCR Parameter ist die Bestimmung der Wiederholbarkeit und Reproduzierbarkeit. Sowohl am Schweineauge als auch bei Keratokonus-Patienten zeigt sich insgesamt eine hohe Genauigkeit der Wiederholbarkeit und Reproduzierbarkeit der Parameter, sodass von einer verlässlichen Messung ausgegangen werden kann. Diese Erkenntnis ist insbesondere für die Evaluierung von longitudinalen Fragestellungen enorm wichtig. Für die klinischen Untersuchungen wurde der Ocular Response Analyzer (ORA, Reichert Technologie, Buffalo, NY, USA), ein weiteres Non-Kontakt Tonometer zur Bestimmung biomechanischer Parameter der Hornhaut, als Vergleichsgerät herangezogen. Die Hauptparameter sind die korneale Hysterese (CH) und der korneale Widerstandsfaktor (CRF). Jedoch spiegeln diese Parameter nicht die Steifigkeit der Hornhaut wider, da sie viskoelastische Eigenschaften der Hornhaut beschreiben. Der Grund dafür ist die Integration der Druckwerte der ersten und zweiten Applanation während Ein- und Auswärtsbewegung der Hornhaut in die Berechnung von CH und CRF. Im Gegensatz dazu beschreiben die DCR Parameter des Corvis ST das Deformationsverhalten der Ein- und Auswärtsbewegung der Hornhaut. Es wird davon ausgegangen, dass die Einwärtsbewegung der Hornhaut vermehrt die elastische Komponente widerspiegelt, wodurch sich ein Zusammenhang zur Steifigkeit herleiten lässt. Die Evaluierung der DCR Parameter anhand von gesunden Probanden und Keratokonus Patienten ergibt, dass der CBI die beste Trennung mit hoher Sensitivität und Spezifität zwischen beiden Kohorten darstellt. Weiterhin zeigen sich DAR2, int. 1/R und SP A1 eine hohe Genauigkeit der Erkennung eines Keratokonus, sogar höher als CH und teilweise auch als CRF. Darüber hinaus können Unterschiede in bestimmten DCR Parameter zwischen verschiedenen Schweregraden des Keratokonus gefunden werden, so dass in der Folge eine weitere Analyse durchgeführt werden konnte, die anhand von Machine Learning Algorithmen den Schweregrad des Keratokonus vorhersagt. Das Modell erreicht eine gute Sensitivität und Spezifität zur Vorhersage von Gesunden, frühen und fortgeschrittenen Stadien, jedoch nicht für mäßige Stadien. Diese Arbeit weist weiterhin nach, dass die Hornhautvernetzung (CXL), ein Therapieverfahren bei progressiven Keratokonus, eine Änderung in den DCR Parametern erzeugt, die auf eine Zunahme der Hornhautfestigkeit hindeutet. Die experimentellen Versuche am Schweineauge leiten einen Zusammenhang zwischen Spannungs-Dehnungsmessung und Änderungen in den DCR Parameter her. Indizien für die Zunahme der Hornhautfestigkeit sind einerseits ein höher gemessener IOD trotz konstant induzierten IOD im Schweineauge und andererseits ein geringerer Wert für int. 1/R sowie ein höherer Wert für SP A1. Auch in den klinischen Untersuchungen wird diese Beobachtungen gemacht, auch wenn sich der Effekt weniger stark zeigt. Dennoch kann ebenfalls eine Zunahme des bIOP und eine Abnahme des int. 1/R beobachtet werden, wobei diese einen Monat postoperativ am stärksten ausgeprägt sind. Letztlich bietet das Corvis ST hilfreiche Informationen über die biomechanischen Eigenschaften der Hornhaut. Dies ist insbesondere im Vorfeld refraktiv-chirurgischer Eingriffe und zur Beurteilung des Keratokonus wichtig. In dieser Arbeit wird ein gewisser Einfluss des IOD und der Hornhautdicke auf die DCR Parameter nachgewiesen, so dass zukünftig computergestützte Verfahren verwendet werden sollten, um Materialeigenschaften der Hornhaut möglichst unabhängig von ihrer Dicke und dem vorliegenden IOD zu bestimmen. Dies ist auch für andere Augenerkrankungen, wie z. B. dem Glaukom, wichtig.:Vorwort IV Inhaltsverzeichnis VI Abbildungs- und Tabellenverzeichnis IX Abkürzungsverzeichnis XV 1 Einleitung 1 2 Wissenschaftlicher Hintergrund 2 2.1 Das Auge 2 2.2 Kornea – die Hornhaut des menschlichen Auges 3 2.2.1 Struktur und Eigenschaften des Hornhautstromas 8 2.2.2 Zelluläre Abnormitäten der Hornhaut bei Keratektasien 12 2.2.3 Strukturelle Veränderungen der Hornhaut bei okulären und systemischen Erkrankungen 14 2.3 Keratokonus 17 2.3.1 Inzidenz und Prävalenz 17 2.3.2 Risikofaktoren 18 2.3.3 Diagnose und klinische Zeichen 19 2.3.4 Behandlungsoptionen 25 2.4 Methoden zur Bestimmung von (bio-)mechanischer Eigenschaften 29 2.4.1 Übertragung mechanischer Kenngrößen auf Biomaterialien 29 2.4.2 Zusammenhang zwischen den chemischen, strukturellen Eigenschaften und der Biomechanik der Hornhaut 33 2.4.3 Bestimmung der Biomechanik der Hornhaut ex vivo 33 2.4.4 Bestimmung der Biomechanik der Hornhaut in vivo 37 2.4.5 Computer gestützte Modellierung von biomechanischen Modellen und Ektasien 43 2.5 Aktueller Stand der Forschung 46 2.5.1 Ocular Response Analyzer 46 2.5.2 Corvis ST 50 2.6 Fragestellungen und Hypothesen 53 3 Material und Methoden 54 3.1 Messgeräte 54 3.1.1 Ocular Response Analyzer 54 3.1.2 Corvis ST - Corneal Visualization Scheimpflug Technology 56 3.1.3 Scheimpflug-basierte Topografie und Tomografie 62 3.2 Experimentelle Untersuchungen 62 3.2.1 Beurteilung von Einflussfaktoren auf die DCR Parameter am Schweineauge 63 3.2.2 Beurteilung biomechanischer Änderungen nach kornealem Cross-Linking anhand von Schweineaugen 65 3.2.3 Statistische Auswertung der experimentellen Untersuchungen 69 3.3 Klinische Untersuchung 70 3.3.1 Normwerte von gesunden Probanden und Einflussfaktoren auf Messparameter des Corvis ST und ORA 70 3.3.2 Evaluierung biomechanischer Parameter anhand von gesunden Probanden und Keratokonus-Patienten – Eine Fall-Kontroll-Untersuchung 71 3.3.3 Klassifizierung der DCR Parameter anhand des Keratokonus-Schweregrades 73 3.3.4 Wiederholbarkeit und Reproduzierbarkeit der DCR Parameter anhand von Keratokonus-Patienten 75 3.3.5 Beurteilung biomechanischer Änderungen nach kornealem Cross-Linking 77 4 Ergebnisse 78 4.1 Experimentelle Untersuchungen 78 4.1.1 Beurteilung von Einflussfaktoren auf die DCR Parameter am Schweine-auge 78 4.1.2 Beurteilung biomechanischer Änderungen nach kornealem Cross-Linking anhand von Schweineaugen 83 4.2 Klinische Untersuchungen 88 4.2.1 Normwerte von gesunden Probanden und Einflussfaktoren auf Messparameter des Corvis ST und ORA 88 4.2.2 Evaluierung biomechanischer Parameter anhand von gesunden Probanden und Keratokonus-Patienten – Eine Fall-Kontroll-Untersuchung 101 4.2.3 Klassifizierung der DCR Parameter anhand des Keratokonus-Schweregrades 107 4.2.4 Wiederholbarkeit und Reproduzierbarkeit der DCR Parameter anhand von Keratokonus-Patienten 112 4.2.5 Beurteilung biomechanischer Änderungen nach kornealem Cross-Linking 118 5 Diskussion 121 5.1 Experimentelle Untersuchungen 121 5.1.1 Beurteilung von Einflussfaktoren auf die DCR Parameter am Schweine-auge 121 5.1.2 Beurteilung biomechanischer Änderungen nach kornealem Cross-Linking ex vivo und in vivo 123 5.2 Klinische Untersuchungen 129 5.2.1 Normwerte von gesunden Probanden und Einflussfaktoren auf Messparameter des Corvis ST und ORA 129 5.2.2 Evaluierung und Differenzierung gesunder Probanden und Keratokonus-Patienten hinsichtlich biomechanischer Parameter – Eine Fall-Kontroll-Untersuchung 134 5.2.3 Klassifizierung der DCR Parameter anhand des Keratokonus-Schweregrades 140 5.2.4 Wiederholbarkeit und Reproduzierbarkeit der DCR Parameter anhand von Keratokonus-Patienten 142 6 Zusammenfassung 145 7 Summary 148 Literaturverzeichnis 151 Stichwortverzeichnis 166 Anhang 168 Danksagung 187 Anlage 1 Erklärung zur Eröffnung des Promotionsverfahrens 188 Anlage 2 Erklärung zur Einhaltung aktueller gesetzlicher Vorgaben 189 Anlage 3 Angabe zu Bildrechten 190 Anlage 4 Kennzeichnung des Eigenanteils bereits veröffentlichter Publikationen 195 / Summary: The aim of this thesis is to investigate a novel method measuring biomechanical properties of the cornea in experimental and clinical conditions. The used device is a dynamic Scheimpflug Analyzer based non-contact tonometry (Corvis ST, Oculus, Wetzlar, Germany) and is approved for in vivo applications. An ultra-high speed Scheimpflug camera records the complete corneal deformation after applying an air-puff. Due to external air pressure, the cornea passes the 1st applanation, followed by a concave phase until highest concavity and afterwards 2nd applanation until it recovers to its initial physiological state. Several dynamic corneal response (DCR) parameters are derived from these measurements. Some of these DCR parameters show clinical relevance: The bIOP is a biomechanical corrected intraocular pressure (IOP) whose value is adjusted by age, corneal thickness and several DCR parameters. Further, the deformation amplitude ratio at 2 mm (DAR2) represents the ratio between central und peripheral deformations. The integrated inverse radius (int. 1/R) is the sum of the reciprocal curvature during the concave phase (between 1st and 2nd applanation). The overall corneal stiffness is represented by stiffness parameter at 1st applanation (SP A1). Finally, the Corvis Biomechanical Index (CBI) is a screening parameter that separates healthy from keratoconic eyes. Based on literature research, typical mechanical parameters from engineering or material sciences cannot be applied to the cornea easily, due to anisotropic, non-linear and visco-elastic properties of the cornea. Hence, it is not possible to determine a consistent value for Young’s modulus; instead, it can be seen as a function of strain. The measurement of biomechanical properties of the cornea are mainly influenced by IOP and corneal thickness. In this thesis, these and other factors were investigated to evaluate the impact on DCR parameters. During the experiment with porcine eyes, it has been found that the higher the induced IOP is, the less deformable the cornea behaves against the applied air puff, even though the material properties are not altered. While increasing the IOP, Corvis ST measurements were performed at each 5 mmHg steps. Among other findings, observations show decreased values for DAR2 and int. 1/R as well as increased values for SP A1. As a direct consequence, IOP conformity is taken into account for further investigations. In addition, clinical investigations also showed corneal thickness and age as influencing factors on the DCR parameter in healthy subjects. A higher corneal thickness is associated with a stiffer biomechanical behavior (lower DAR2 and int. 1/R, higher SP A1) than thinner corneas in healthy eyes. Furthermore, it could be found that age has a stiffening effect on the cornea (higher SP A1). Repeatability and reproducibility were investigated experimentally and clinically. Certain DCR parameters were repeatable in porcine eyes and keratoconic eyes. Therefore, it can be concluded that these measurements are reliable and can be used for longitudinal observations. The Ocular Response Analyzer (ORA, Reichert Technologies, Buffalo, NY, USA) is another clinical device to measure biomechanical properties of the cornea based on non-contact tonometry. Main parameters are corneal hysteresis (CH) and corneal resistance factor (CRF). However, CH and CRF are not associated with corneal stiffness because it reflects corneal visco-elastic properties due to the integration of pressure values of inward and outward movement in its calculations. In contrast, DCR parameters of Corvis ST describe corneal behavior of inward and outward movement separately. Parameters of inward movement are associated with the elastic component and thus to corneal stiffness. The investigations in healthy and keratoconic eyes have shown that CBI is the best parameter separating between these cohorts. Furthermore, DAR2, int. 1/R and SP A1 show higher values for sensitivity and specificity in differentiating healthy from keratoconus as CH and partly CRF. Regarding the severity of keratoconus, some DCR parameters are different between several stages. As a result, a classification model to predict the severity of keratoconus had been developed based on Machine learning algorithms. The prediction of healthy, early and advanced cases shows good sensitivity and specificity whereas mild cases show moderate accuracy. In this thesis, corneal biomechanical alterations after cross-linking (CXL) in progressive keratoconus are evaluated. Before the clinical study, porcine eyes were investigated ex vivo to evaluate the efficacy of CXL using common surgical protocols. These eyes were measured by Corvis ST and afterwards by stress-strain measurement (extensometry). In conclusion, a higher IOP, a higher SP A1 and a lower int. 1/R observed by Corvis ST after CXL can be associated with an increased corneal stiffness, measured by extensometry. In vivo, alterations in the same manner of bIOP and int. 1/R were observed one months after CXL and partly up to one year. However, it can be assumed that the biomechanical effect can be measured preferably in short-term follow-up. Hence, the Dynamic Scheimpflug Analyzer can be seen as a useful device to measure in vivo biomechanical properties of the cornea. Pre-operative examination in refractive surgery or early diagnosis of keratoconus can notably be improved by corneal biomechanical information. There is a certain relationship between DCR parameters and IOP as well as corneal thickness. In the future research, computer-aided data analysis of raw data from Corvis ST can help to determine advanced material properties of the cornea independently from its thickness and IOP. The investigation of e.g. glaucoma patients could be a further important application.:Vorwort IV Inhaltsverzeichnis VI Abbildungs- und Tabellenverzeichnis IX Abkürzungsverzeichnis XV 1 Einleitung 1 2 Wissenschaftlicher Hintergrund 2 2.1 Das Auge 2 2.2 Kornea – die Hornhaut des menschlichen Auges 3 2.2.1 Struktur und Eigenschaften des Hornhautstromas 8 2.2.2 Zelluläre Abnormitäten der Hornhaut bei Keratektasien 12 2.2.3 Strukturelle Veränderungen der Hornhaut bei okulären und systemischen Erkrankungen 14 2.3 Keratokonus 17 2.3.1 Inzidenz und Prävalenz 17 2.3.2 Risikofaktoren 18 2.3.3 Diagnose und klinische Zeichen 19 2.3.4 Behandlungsoptionen 25 2.4 Methoden zur Bestimmung von (bio-)mechanischer Eigenschaften 29 2.4.1 Übertragung mechanischer Kenngrößen auf Biomaterialien 29 2.4.2 Zusammenhang zwischen den chemischen, strukturellen Eigenschaften und der Biomechanik der Hornhaut 33 2.4.3 Bestimmung der Biomechanik der Hornhaut ex vivo 33 2.4.4 Bestimmung der Biomechanik der Hornhaut in vivo 37 2.4.5 Computer gestützte Modellierung von biomechanischen Modellen und Ektasien 43 2.5 Aktueller Stand der Forschung 46 2.5.1 Ocular Response Analyzer 46 2.5.2 Corvis ST 50 2.6 Fragestellungen und Hypothesen 53 3 Material und Methoden 54 3.1 Messgeräte 54 3.1.1 Ocular Response Analyzer 54 3.1.2 Corvis ST - Corneal Visualization Scheimpflug Technology 56 3.1.3 Scheimpflug-basierte Topografie und Tomografie 62 3.2 Experimentelle Untersuchungen 62 3.2.1 Beurteilung von Einflussfaktoren auf die DCR Parameter am Schweineauge 63 3.2.2 Beurteilung biomechanischer Änderungen nach kornealem Cross-Linking anhand von Schweineaugen 65 3.2.3 Statistische Auswertung der experimentellen Untersuchungen 69 3.3 Klinische Untersuchung 70 3.3.1 Normwerte von gesunden Probanden und Einflussfaktoren auf Messparameter des Corvis ST und ORA 70 3.3.2 Evaluierung biomechanischer Parameter anhand von gesunden Probanden und Keratokonus-Patienten – Eine Fall-Kontroll-Untersuchung 71 3.3.3 Klassifizierung der DCR Parameter anhand des Keratokonus-Schweregrades 73 3.3.4 Wiederholbarkeit und Reproduzierbarkeit der DCR Parameter anhand von Keratokonus-Patienten 75 3.3.5 Beurteilung biomechanischer Änderungen nach kornealem Cross-Linking 77 4 Ergebnisse 78 4.1 Experimentelle Untersuchungen 78 4.1.1 Beurteilung von Einflussfaktoren auf die DCR Parameter am Schweine-auge 78 4.1.2 Beurteilung biomechanischer Änderungen nach kornealem Cross-Linking anhand von Schweineaugen 83 4.2 Klinische Untersuchungen 88 4.2.1 Normwerte von gesunden Probanden und Einflussfaktoren auf Messparameter des Corvis ST und ORA 88 4.2.2 Evaluierung biomechanischer Parameter anhand von gesunden Probanden und Keratokonus-Patienten – Eine Fall-Kontroll-Untersuchung 101 4.2.3 Klassifizierung der DCR Parameter anhand des Keratokonus-Schweregrades 107 4.2.4 Wiederholbarkeit und Reproduzierbarkeit der DCR Parameter anhand von Keratokonus-Patienten 112 4.2.5 Beurteilung biomechanischer Änderungen nach kornealem Cross-Linking 118 5 Diskussion 121 5.1 Experimentelle Untersuchungen 121 5.1.1 Beurteilung von Einflussfaktoren auf die DCR Parameter am Schweine-auge 121 5.1.2 Beurteilung biomechanischer Änderungen nach kornealem Cross-Linking ex vivo und in vivo 123 5.2 Klinische Untersuchungen 129 5.2.1 Normwerte von gesunden Probanden und Einflussfaktoren auf Messparameter des Corvis ST und ORA 129 5.2.2 Evaluierung und Differenzierung gesunder Probanden und Keratokonus-Patienten hinsichtlich biomechanischer Parameter – Eine Fall-Kontroll-Untersuchung 134 5.2.3 Klassifizierung der DCR Parameter anhand des Keratokonus-Schweregrades 140 5.2.4 Wiederholbarkeit und Reproduzierbarkeit der DCR Parameter anhand von Keratokonus-Patienten 142 6 Zusammenfassung 145 7 Summary 148 Literaturverzeichnis 151 Stichwortverzeichnis 166 Anhang 168 Danksagung 187 Anlage 1 Erklärung zur Eröffnung des Promotionsverfahrens 188 Anlage 2 Erklärung zur Einhaltung aktueller gesetzlicher Vorgaben 189 Anlage 3 Angabe zu Bildrechten 190 Anlage 4 Kennzeichnung des Eigenanteils bereits veröffentlichter Publikationen 195

Lubica Dudakova Doctoral Thesis ABSTRACT Keratoconus (KC) is a non-inflammatory disease of the cornea, in which ectasia and thinning occur probably due to defects in the collagen fibers binding. It is one of the most common indications for corneal transplantation. KC is a complex disorder with the involvement of both genetic and environmental factors; however the exact pathogenic mechanisms leading to the disease development have not been elucidated. The main aim of our work was to compare the presence and enzyme activity of cross- linking enzymes lysyl oxidases (LOX and LOX-like enzymes), in control human cornea samples and explanted cornea gained from patients with KC. We also focused on diseases previously described to be associated with KC with the aim to identify common signs among them. Furthermore, we replicated association of single nucleotide polymorphisms (SNPs) in LOX and hepatocyte growth factor (HGF) with KC risk. We attempted to link all pathophysiological disturbances observed in KC into one common pathway. We have used a wide spectrum of methods (cell culturing, immunohisto- and immunocytochemistry, microscopy, fluorimetric enzyme activity measurement, genotyping and direct sequencing, statistical analysis). We demonstrated the presence of entire family of LOX enzymes in control and in KC...

Lubica Dudakova Doctoral Thesis ABSTRACT Keratoconus (KC) is a non-inflammatory disease of the cornea, in which ectasia and thinning occur probably due to defects in the collagen fibers binding. It is one of the most common indications for corneal transplantation. KC is a complex disorder with the involvement of both genetic and environmental factors; however the exact pathogenic mechanisms leading to the disease development have not been elucidated. The main aim of our work was to compare the presence and enzyme activity of cross- linking enzymes lysyl oxidases (LOX and LOX-like enzymes), in control human cornea samples and explanted cornea gained from patients with KC. We also focused on diseases previously described to be associated with KC with the aim to identify common signs among them. Furthermore, we replicated association of single nucleotide polymorphisms (SNPs) in LOX and hepatocyte growth factor (HGF) with KC risk. We attempted to link all pathophysiological disturbances observed in KC into one common pathway. We have used a wide spectrum of methods (cell culturing, immunohisto- and immunocytochemistry, microscopy, fluorimetric enzyme activity measurement, genotyping and direct sequencing, statistical analysis). We demonstrated the presence of entire family of LOX enzymes in control and in KC...

Purpose In ophthalmology, data from both eyes of a person are frequently included in the statistical evaluation. This violates the requirement of data independence for classical statistical tests (e.g. t-Test or analysis of variance (ANOVA)) because it is correlated data. Linear mixed models (LMM) were used as a possibility to include the data of both eyes in the statistical evaluation. Methods The LMM is available for a variety of statistical software such as SPSS or R. The application was applied to a retrospective longitudinal analysis of an accelerated corneal cross-linking (ACXL (9*10)) treatment in progressive keratoconus (KC) with a follow-up period of 36 months. Forty eyes of 20 patients were included, whereas sequential bilateral CXL treatment was performed within 12 months. LMM and ANOVA for repeated measurements were used for statistical evaluation of topographical and tomographical data measured by Pentacam (Oculus, Wetzlar, Germany). Results Both eyes were classified into a worse and better eye concerning corneal topography. Visual acuity, keratometric values and minimal corneal thickness were statistically significant between them at baseline (p < 0.05). A significant correlation between worse and better eye was shown (p < 0.05). Therefore, analyzing the data at each follow-up visit using ANOVA partially led to an overestimation of the statistical effect that could be avoided by using LMM. After 36 months, ACXL has significantly improved BCVA and flattened the cornea. Conclusion The evaluation of data of both eyes without considering their correlation using classical statistical tests leads to an overestimation of the statistical effect, which can be avoided by using the LMM.