Elektromechanische Umformung der Hornhaut: Eine potenzielle Alternative zur laserbasierten refraktiven Chirurgie?

Die potenzielle ophthalmologische Anwendung der elektromechanischen Umformung wurde erst kürzlich in Betracht gezogen. Der vorliegende Beitrag gibt einen Überblick über die bisherigen Entwicklungen dieser neuartigen Technologie, die weder chirurgische Instrumente noch Laser erfordert. Stattdessen werden elektrischer Strom und elektrolytische Prozesse genutzt, um intermolekulare Bindungen vorübergehend zu reduzieren. Dadurch nimmt die biomechanische Festigkeit des Gewebes ab, sodass es in eine neue Form gebracht werden kann. Nach Beendigung der Stimulation kehrt die ursprüngliche Gewebefestigkeit wieder zurück.

Diese Technologie wurde zunächst für Anwendungen am Knorpelgewebe untersucht und befindet sich weiterhin im experimentellen Stadium. Ihre mögliche Nutzung an der Hornhaut zu refraktiven Zwecken wurde zufällig entdeckt und befindet sich noch in einer sehr frühen Entwicklungsphase, sodass klinische Studien am Menschen derzeit noch nicht möglich sind. Bisher wurden lediglich explorative In-vitro-Untersuchungen an Kaninchenaugen durchgeführt.

Das zugrunde liegende Konzept besteht darin, die Hornhaut durch diese neuartige Technologie vorübergehend so weit zu erweichen, dass sie mithilfe einer Formmaske gezielt modelliert werden kann. Auf diese Weise soll die Brechkraft der Hornhaut verändert und gegebenenfalls auch ein irregulärer Astigmatismus korrigiert werden können.

Sollte sich dieses Verfahren als erfolgreich erweisen, könnte diese nichtinvasive Technologie das Potenzial besitzen, sowohl die refraktive Chirurgie als auch den Bereich der Kontaktlinsen grundlegend zu verändern.

Kornea, elektromechanisches Remolding, elektronische Chemie, refraktive Chirurgie

Eine neuartige laserfreie Alternative zur LASIK hat in jüngster Zeit Aufmerksamkeit innerhalb der Forschungsgemeinschaft erlangt. Diese innovative Methode nutzt die elektromechanische Umformung (Electromechanical Reshaping, EMR), um die Formbarkeit der Hornhaut vorübergehend zu erhöhen und dadurch mittels einer individuell angefertigten dreidimensionalen Form die Hornhautkrümmung gezielt zu verändern sowie einen gewünschten Refraktionszustand zu erzielen. Aufgrund ihres neuartigen Wirkmechanismus besitzt diese Technik das Potenzial, Hyperopie, Myopie und sogar irregulären Astigmatismus zu korrigieren. Dennoch bestehen weiterhin zahlreiche ungeklärte Fragen, sodass zusätzliche Untersuchungen erforderlich sind, um die langfristige Stabilität, Wirksamkeit und Sicherheit dieser Methode zu belegen.

Derzeit stehen nur wenige Verfahren zur dauerhaften Korrektion von Refraktionsfehlern zur Verfügung. Obwohl die Laser-in-situ-Keratomileusis (LASIK) und die photorefraktive Keratektomie (PRK) etablierte und weltweit anerkannte Verfahren darstellen, gehen beide mit einer irreversiblen Veränderung gesunden Hornhautgewebes einher. Dadurch verbleibt ein Risiko für Komplikationen wie Hornhautektasien, rezidivierende Hornhauterosionen, trockenes Auge sowie eine Zunahme Aberrationen höherer Ordnung.¹ Alternative Ansätze wie die Orthokeratologie haben sich insbesondere im Rahmen des Myopiemanagements als nützlich erwiesen. Allerdings handelt es sich um eine temporäre Therapieform, die ein kontinuierliches nächtliches Tragen spezieller Kontaktlinsen erfordert und häufig mit Schwankungen der Sehqualität verbunden ist.² Darüber hinaus erhöht das Tragen von Kontaktlinsen über Nacht das Risiko mikrobieller Keratitiden und anderer infektiöser Komplikationen.² Die elektromechanische Hornhautumformung könnte diese therapeutische Lücke schließen, indem sie eine lang anhaltende refraktive Korrektur bei minimaler Gewebeschädigung ermöglicht. Ob die erzielten Veränderungen dauerhaft bestehen bleiben, ist jedoch bislang nicht geklärt.

Die Anwendung der elektromechanischen Umformung (Electro­mechanical Reshaping, EMR) als medizinisches Therapieverfahren ist nicht neu. Obwohl EMR bereits umfassend zur Behandlung verschiedener Indikationen untersucht wurde, einschließlich der Formgebung von Knorpel­gewebe,^3,4,5,6,7 handelt es sich weiterhin um ein aufstrebendes Forschungsfeld mit zahlreichen offenen Fragestellungen, die weiter untersucht werden müssen. EMR wurde bereits an Septumknorpel von Kaninchen eingesetzt, um die Gewebeflexibilität zu beurteilen.^4,6 Das Verfahren war erfolgreich darin, das Gewebe in den gewünschten Zustand zu überführen, indem Wasser hydrolysiert und Redoxreaktionen induziert wurden.⁴ Dabei scheint es durch elektrochemische Reaktionen zu einer Reduktion der inneren Spannungen des stromalen Gewebes zu kommen, indem das elektrische Ladungsgleichgewicht zwischen Kollagen und Proteoglykanmatrix ausgeglichen wird.³

In Hill‘s Experiment zur Korrektion von Brechungsfehlern wurden Kaninchenhornhäute durch einen ähnlichen Mechanismus umgeformt, bei dem zunächst Wasser elektrolysiert wurde.¹ Der daraus resultierende Einstrom von Protonen in die extrazelluläre Matrix (ECM) stört das bestehende Netzwerk ionischer Bindungen und erhöht dadurch die Formbarkeit der Hornhaut. Nachdem die individuell angefertigte Form auf die Hornhautoberfläche aufgesetzt wurde, wird das Auge mit einer Flüssigkeit behandelt, um seinen physiologischen pH-Wert wiederherzustellen. Dadurch wird die ECM erneut stabilisiert und der Umformungsprozess abgeschlossen.¹

Hill‘s Arbeitsgruppe stellte fest, dass der neue Krümmungsradius der geformten Hornhaut exakt dem der verwendeten individuellen Form entsprach, was die zunächst dauerhafte und reproduzierbare Veränderung der Hornhautform bestätigt. Ein wesentlicher Vorteil dieser Methode der Hornhautumformung besteht darin, dass bislang keine Anzeichen von Narbenbildung, Hornhauttrübung (Haze) oder Schäden an der vorderen Grenzlamelle (anterior limiting lamina, auch Bowman-Membran) beobachtet wurden – einer nicht regenerationsfähigen Schicht, die bei LASIK geschädigt und bei PRK entfernt wird.¹ Obwohl die Forscher davon ausgehen, dass diese Veränderung dauerhaft sein wird, liegen bislang keine Langzeitstudien vor, die dies bestätigen könnten.

Obwohl die Studie von Hill mögliche Hinweise auf eine laserfreie und nichtinvasive Alternative zur refraktiven Chirurgie liefert, müssen viele Einschränkungen und Fragestellungen noch genauer untersucht werden.

In einer Studie wurde der erste Versuch, die vordere Hornhautoberfläche auszubalancieren, mit Hypochlorit durchgeführt, was zu oxidativen Schäden an der Hornhaut führte.¹ Der Wechsel zu einer Phosphatpufferlösung erwies sich als günstiger und verursachte nur minimale Störungen der makromolekularen Struktur. Die Forscher stellten außerdem fest, dass eine gepulste Reizfolge anstelle eines kurzen kontinuierlichen Reizes schonender für das Gewebe war.

Trotz dieser anfänglichen Verbesserungen zeigte die konfokale Mikroskopie gewisse Gewebenekrosen, insbesondere bei stromalen Keratozyten. Obwohl Keratozyten im Hornhautstroma nur in geringer Dichte vorkommen, sind sie für die Aufrechterhaltung der Homöostase sowie für die Verhinderung eines Verlusts der Hornhauttransparenz nach LASIK- und PRK-Eingriffen verantwortlich.¹ Der Verlust von Keratozyten im vorderen Stromabereich nach einer Excimerlaser-Behandlung hat sich jedoch als vorübergehend erwiesen.⁸ Dennoch sollten mögliche Schädigungen ernst genommen werden, da sie zu postoperativer Hornhauttrübung (Haze) und Narbenbildung führen können.

Obwohl nur wenige Studien die Auswirkungen des elektromechanischen Umformungsverfahrens (EMR) auf Keratozyten untersucht haben, zeigen Untersuchungen zur Umformung von Knorpel, dass Chondrozyten – funktionell ähnliche Zellen, die bei Knorpelschäden zur Narbenbildung beitragen – kaum oder gar nicht beeinträchtigt werden.⁷ Wie bei den Keratozyten ist die Untersuchung der Auswirkungen von EMR auf Chondrozyten schwierig, da auch diese Zellen nur in geringer Dichte vorkommen.

Einige Studien liefern jedoch vielversprechende Ergebnisse: Sie zeigen kaum Unterschiede hinsichtlich der Überlebensrate von Chondrozyten zwischen EMR und herkömmlichen Umformungstechniken, bei denen typischerweise chirurgische Instrumente eingesetzt werden.^4,5,6 Dennoch bleibt das Gewebe in unmittelbarer Nähe der Elektrode – einschließlich der Chondrozyten – dem höchsten Risiko lokaler Gewebeschäden ausgesetzt. Dieses Risiko steigt proportional zur angelegten Spannung sowie zum Ausmaß der angestrebten Formveränderung.^5,6

Studien zur EMR an Kaninchen-Nasenseptumknorpel ergaben, dass Chondrozytenschäden in den ersten drei Wochen der Kultivierung am schnellsten zunahmen.⁶ Daher prüfen Forscher alternative Elektrodenmaterialien anstelle von Aluminium sowie Möglichkeiten, die Chondrozyten an der Knorpeloberfläche elektrisch zu isolieren, um lokale Gewebeschäden möglichst gering zu halten.

Vor einer möglichen klinischen Anwendung beim Menschen müssen darüber hinaus wesentliche anatomische und physiologische Unterschiede zwischen Tiermodellen und der menschlichen Hornhaut berücksichtigt werden. Die Kaninchen­hornhaut besitzt keine ausgeprägte vordere Grenzlamelle (Bowman-Membran), wie sie beim Menschen vorhanden ist. Während diese beim Menschen eine Dicke von etwa 8–10 µm aufweist, findet sich beim Kaninchen lediglich eine dünne Schicht verstreuter Kollagenfasern von etwa 0,5 µm Dicke.⁹ Dieser Unterschied könnte die Gewebereaktion auf EMR maßgeblich beeinflussen und die Übertragbarkeit tierexperimenteller Ergebnisse auf den Menschen einschränken. Tatsächlich zeigten Untersuchungen zu Hornhautdystrophien, dass die schwach ausgeprägte Bowman-­Membran des Kaninchens die Differenzierung zwischen stromalem fibrozellulärem Pannus und Hornhautepithel erschwert.^9,10 Folglich lassen sich beobachtete Schädigungen der Kaninchenhornhaut nicht ohne Weiteres auf das menschliche Hornhautepithel oder die Bowman-Membran übertragen.

Weitere wichtige Aspekte umfassen die langfristige Erhaltung der Basalzell- und Endothelzelldichte, die Stabilität des Tränenfilms sowie die präzise Kontrolle der Eindringtiefe der Behandlung bei unterschiedlichen Hornhautdicken.

Zusammenfassung

Die elektromechanische Hornhautumformung ohne Einsatz chirurgischer Instrumente oder Laser stellt ein potenziell wegweisendes Verfahren der zukünftigen refraktiven Korrektur dar. Die Technik könnte Gewebeschäden deutlich reduzieren, das Risiko postoperativer Ektasien senken und die Notwendigkeit einer dauerhaften Orthokeratologie vermeiden. Aufgrund der derzeit begrenzten Evidenzlage ist eine abschließende Beurteilung der klinischen Anwendbarkeit beim Menschen jedoch noch nicht möglich. Wesent­liche Fragen hinsichtlich der Keratozytenhomöostase, lokaler Gewebe­effekte, langfristiger biomechanischer Stabilität und der Übertragbarkeit tierexperimenteller Daten bleiben offen. Gleichwohl stellt die elektromechanische Hornhaut­umformung eine äußerst interessante Innovation mit erheblichem Zukunftspotenzial dar.

Obwohl LASIK und PRK weltweit etabliert sind und hervor­ragende klinische Ergebnisse erzielen, sollten sie nicht zwangsläufig als Endpunkt der Entwicklung refraktiv-­chirurgischer Verfahren betrachtet werden. Zukünftige Techno­logien könnten sicherere, weniger invasive und biologisch gewebeschonendere Methoden der Refraktionskorrektur ermöglichen. Die elektromechanische Hornhautumformung könnte dabei einen wichtigen Schritt in diese Richtung darstellen.

Interessenkonflikt

Die Autoren haben keinen Interessenkonflikt in Bezug auf die im Artikel genannten Methoden und Geräte

1 Stokolosa, A. M., Thomas-Colwell, J., Dilley, K. K., Qu, Y., Cullip, C., Heidari, A. E., Huang ,M., Kerrigan, N., Hsu, K., Leonard, J., Prasad, K. R., Wong, B. J. F., Hill, M. G. (2023). Electromechanical Cornea Reshaping for Refractive Vision Therapy. ACS Biomater. Sci. Eng., 9, 595-600.

2 Walline, J. J., Holden BA, Bullimore, M. A., Rah, M. J., Asbell, P. A., Barr, J. T.,
Caroline, P. J., Cavanagh, H. D., Despotidis, N., Desmond, F., Koffler, B. H., Reeder, K., Swarbrick, H. A., Wohl, L. G. (2005). The current state of corneal reshaping. Eye Cont. Lens, 31, 209–214.

3 Protsenko, D., Lim, A., Wu, E. C., Manuel, C., Wong, B. J. F. (2011). Theinfluence of electric charge transferred during electro-mechanical reshaping on mechanical behavior of cartilage. SPIE., 7901, 90104-90105

4 Kuan, E. C., Hamamoto, A. A., Manuel, C. T, Protsenko, D. E., Wong, B. J. (2014). In-depth analysis of pH-dependent mechanisms of electro­mechanical reshaping of rabbit nasal septal cartilage. Laryngoscope, 124, E405–E410.

5 Hunter, B. M., Kallick, J., Kissel, J., Herzig, M., Manuel, C., Protsenko, D., Wong, B. J., Hill, M. G. (2016). Controlled-Potential Electromechanical Reshaping of Cartilage. Angew. Chem, Int, Ed. Engl., 128, 5587–5590.

6 Protsenko, D. E., Ho, K., Wong, B. J. F. (2011). Survival of chondrocytes in rabbit septal cartilage after electromechanical reshaping. Ann. Biomed. Eng., 39, 66–74.

7 Ramesh, H., Jahankir, M. J. B., Chakaravarthi, T., Sharma, V., Goyal, A. (2025). Electromechanical Reshaping of Face, Neck and Auricular Cartilages: A Scoping Review. Indian J. Otolaryngol. Head Neck Surg.,
77, 1702–1721.

8 You, X., Bergmanson, J. P., Zheng, X. M., MacKenzie, I. C., Boltz, R. L., Aquavella, J. V. (1995). Effect of Corticosteroids on Rabbit Corneal Keratocytes After Photorefractive Keratectomy. J. Refract. Surg., 11, 460–467.

9 Bergmanson, J. P. G. (2025). Cornea. In: Clinical Ocular Anatomy and Physiology. 32nd ed. Texas Eye Research and Technology Center, pp. 79–116.

10 Schuh, J. A. C. L., Holve, D. L., Mundwiler, K. E. (2021). Corneal Dystrophy in Dutch Belted Rabbits as a Possible Model of Thiel-Behnke Subtype of Epithelial-Stromal TGFβ-Induced Corneal Dystrophy. Toxicol.Pathol., 49, 555–568.