Visual and tomographic results after accelerated corneal crosslinking for keratoconus and reliability analysis of biomechanical measurements in untreated and crosslinked keratoconus corneas

Abstract

Introduction: Corneal crosslinking (CXL) represents a minimally invasive surgical method to stabilize the progression of keratoconus (KC) corneal disease, and can provide good visual results and prevent/postpone the need for a penetrating keratoplasty. The purpose of this study was: 1. to evaluate the effectiveness of epithelium-off accelerated CXL with a fluence of 9 mW/cm2 for 10 minutes (A-CXL, 9 mW/cm2, 10 minutes) in patients < 18 years and ≥ 18 years of age, and 2. to assess the reliability of successive measurements of corneal biomechanics using the Corneal Visualization Scheimpflug Technology (Corvis® ST, CST, Oculus, Wetzlar, Germany) in KC ≥ 2 years after A-CXL (9 mW/cm2, 10 minutes), compared to untreated KC corneas.

Patients and methods: For the evaluation of the effectiveness of this A-CXL, 151 KC corneas of 124 adult patients and 41 KC corneas of 30 underaged patients were included. The parameters analyzed were the best corrected visual acuity (BCVA) with spectacles (in LogMAR) and the tomographic readings measured with Pentacam® High Resolution (Pentacam® HR, Oculus, Wetzlar, Germany), including the anterior and posterior steep, flat and mean keratometry, as well as astigmatism, the maximal keratometry, thinnest and apex corneal pachymetry at 24 months, 12 and 6 months preoperatively, prior to surgery and 6 weeks, 6 months, 1, 2 and > 2 years postoperatively. The demarcation line was assessed by anterior segment optical coherence tomography (SS-1000 and CASIA 2, Tomey, Nagoya, Japan). Regarding the reliability analysis of CST measurements, two groups were formed, the first (CXLG) consisting of 20 KC corneas of 16 patients ≥ 2 years after A-CXL, and the second control group consisting of 20 non-operated KC corneas of 20 patients, matched according to the ABC parameters of Belin’s ABCD KC grading system. The maximal keratometry, the Belin/Ambrósio-Enhanced-Deviation-Index (BAD-D), the biomechanical parameters A1 velocity, deformation amplitude (DA) ratio 2 mm, Ambrósio’s relational thickness to the horizontal profile (ARTh), integrated radius, stiffness parameter A1 (SP-A1) and the Corvis Biomechanical Factor (CBiF, the linearized term of the Corvis Biomechanical Index) were evaluated, presenting the mean values, standard deviations and Cronbach’s alpha (CA).

Results: In the adult group, comparing pre- to postoperative findings after 6 weeks with paired t-test, there was a statistically significant increase of the anterior steep (46.8 ± 4.0|47.1 ± 4.1 diopters, D), flat (50.2 ± 4.3|50.6 ± 4.6 D) and maximal keratometry (57.6 ± 6.8|58.3 ± 6.8 D, p-value < 0.05), while the thinnest pachymetry decreased significantly (459 ± 39|444 ± 42 μm, p-value < 0.05), followed by a statistically significant decrease for the anterior flat (1, 2 and > 2 years, p < 0.0001), mean (1 year, p-value = 0.01 and 2 years, p-value = 0.03) and maximal keratometry (1, 2 and > 2 years, p-value < 0.0001). Similarly for the underaged group, a statistically significant increase preceded at 6 weeks postoperatively, regarding the anterior steep (47.2 ± 5.1|48.5 ± 5.2 D), flat (52.7 ± 5.4|43.8 ± 5.8 D) and mean keratometry values (47.1 ± 2.9|49.8 ± 5.0 D, p-value < 0.05) with parallel significant decrease of the thinnest pachymetry (460 ± 37|439 ± 36 μm, p-value < 0.05), followed by statistically significant decrease for the steep and mean keratometry until 2 years postoperatively. The maximal keratometry increased without statistical significance 6 weeks postoperatively (61.5 ± 8.5|62.6 ± 8.0 D) and decreased significantly even > 2 years after A-CXL. The posterior keratometry values did not change significantly for both groups after A-CXL. The BCVA showed in both adult and underaged groups a statistically significant decrease at 6 weeks postoperatively (0.35 ± 0.02|0.39 ± 0.02, 0.44 ± 0.04|0.48 ± 0.05 respectively, p-value < 0.05), followed by gradual improvement until > 2 years postoperatively. The demarcation line reached on average a similar corneal depth of 53.6 % and 52.1 % for both groups respectively. Concerning the reliability analysis of the Corvis® ST biomechanical measurements, both established control and CXLG groups were tomographically comparable in terms of BAD-D and maximal keratometry (p-value > 0.05, paired t-test). Comparable values with excellent reliability measurements were found for A1 velocity, DA ratio 2 mm, integrated radius and CBiF in both groups (p > 0.005, CA ≥ 0.960). The values of ARTh were found to be higher in the control group compared to CXLG (1771 ± 59|155.21 ± 65, p-value = 0.0062, CA: 0.993|0.993), while SP-A1 values were higher at CXLG (52.2 ± 16|59.2| 13, p-value = 0.0018, CA: 0.912|0.912).

Conclusions: Epithelium-off A-CXL (9 mW/cm2, 10 minutes) can successfully provide stabilization of KC and reach a deep demarcation line. Features of progression, within the first 6 weeks postoperatively, which we called “pseudoprogression” are not indicative of the long-term effect. The reliability analysis of the biomechanical measurements shows in summary excellent reliability in both control and crosslinked KC corneas, whereas the values of ARTh and SP-A1 showed a statistically significant difference between the groups, indicating that CXL affects the biomechanical measurements over more than 2 years.

Einleitung: Die Hornhautvernetzung, das so gennante Crosslinking (CXL), ist eine minimalinvasive operative Methode zur Stabilisierung der fortschreitenden Keratokonus-Hornhauterkrankung (KK) und kann gute visuelle Ergebnisse liefern sowie die Notwendigkeit einer perforierenden Keratoplastik verhindern bzw. verzögern. Ziel dieser Studie war es, 1. die Wirksamkeit der beschleunigten Epithel-Off-CXL-Behandlung mit einer Fluence von 9 mW/cm2 für 10 Minuten (A-CXL, 9 mW/cm2, 10 Minuten) bei Patienten im Alter <18 und von ≥ 18 Jahren zu untersuchen, und 2. die Zuverlässigkeit aufeinanderfolgender Messungen der Biomechanik der Hornhaut mit der Corneal Visualization Scheimpflug Technology (Corvis® ST, CST, Oculus, Wetzlar, Deutschland) bei KK ≥ 2 Jahre nach A-CXL 9 mW/cm2, 10 Minuten, im Vergleich zu unbehandelten KK-Hornhäuten zu bewerten. Patienten und Methoden: Für die Bewertung der Wirksamkeit von dies A-CXL, wurden 151 KK-Hornhäute von 124 erwachsenen Patienten und 41 KK-Hornhäute von 30 Patienten < 18 Jahren einbezogen. Die analysierten Parameter waren die bestkorrigierte Sehschärfe (BCVA) mit Brille (LogMAR) und die mit der Pentacam® High Resolution (Pentacam® HR, Oculus, Wetzlar, Deutschland) gemessenen tomographischen Werte, einschließlich der vorderen und hinteren steilen, flachen und mittleren Keratometrie sowie des Astigmatismus, der maximalen Keratometrie, der dünnsten und der Apex-Hornhautpachymetrie 24 Monate, 12 und 6 Monate präoperativ, vor der Operation und 6 Wochen, 6 Monaten, 1, 2 und > 2 Jahren postoperativ. Die Demarkationslinie wurde mittels optischer Kohärenztomographie des vorderen Augenabschnitts (SS-1000 und CASIA 2, Tomey, Nagoya, Japan) beurteilt. Für die Zuverlässigkeitsanalyse der Corvis® ST-Messungen wurden zwei Gruppen gebildet, die erste (CXLG), bestehend aus 20 KK-Hornhäuten von 16 Patienten ≥ 2 Jahre nach A-CXL, und die zweite Kontrollgruppe, bestehend aus 20 nicht operierten KK-Hornhäuten von 20 Patienten, die nach den ABC-Parametern des ABCD-KK-Gradingsystems von Belin gematcht wurden. Die maximale Keratometrie, der Belin/Ambrósio-Enhanced-Deviation-Index (BAD-D), die biomechanischen Parameter A1 Velocity, Deformation Amplitude (DA) Ratio 2 mm, Ambrósio‘s relational Thickness to the horizontal Profile (ARTh), integrated Radius, Stiffness Parameter A1 (SP-A1) und Corvis Biomechanic Factor (CBiF, der linearisierte Term des Corvis Biomechanic Index) wurden unter Angabe der Mittelwerte, Standardabweichungen und Cronbach‘s Alpha (CA) ausgewertet. Ergebnisse: In der Erwachsenengruppe zeigte sich im Vergleich der prä- und postoperativen Befunde nach 6 Wochen mit dem gepaarten t-test eine statistisch signifikante Zunahme der vorderen steilen (46,8 ± 4,0|47,1 ± 4,1 Dioptrien, D), flachen (50,2 ± 4,3|50,6 ± 4,6 D) und der maximalen Keratometrie (57,6 ± 6,8|58,3 ± 6,8 D, p-Wert < 0,05), während die dünnste Pachymetrie signifikant abnahm (459 ± 39|444 ± 42 μm, p-Wert < 0,05), gefolgt von einer statistisch signifikante Abnahme der vorderen flachen (1, 2 und > 2 Jahre, p-Wert < 0,0001), mittleren (1 Jahr, p-Wert = 0,01 und 2 Jahre. p-Wert = 0,03) und maximalen Keratometrie (1, 2 und > 2 Jahre, p-Wert < 0,0001). Auch in der Gruppe der Minderjährigen war ein statistisch signifikanter Anstieg der vorderen steilen (47,2 ± 5,1|48,5 ± 5,2 D), flachen (52,7 ± 5,4|43,8 ± 5,8 D) und mittleren Keratometriewerte (47,1 ± 2,9|49,8 ± 5,0 D, p-Wert < 0,05) bei gleichzeitiger signifikanter Abnahme der dünnsten Pachymetrie (460 ± 37|439 ± 36 μm, p-Wert < 0,05) zu verzeichnen, gefolgt von einer statistisch signifikanten Abnahme der steilen und mittleren Keratometrie bis 2 Jahre postoperativ. Die maximale Keratometrie stieg ohne statistische Signifikanz 6 Wochen postoperativ an (61,5 ± 8,5|62,6 ± 8,0 D), nahm im Verlauf aber bis > 2 Jahre nach A-CXL signifikant ab. Die Werte der posterioren Keratometrie änderten sich nach der A-CXL in beiden Gruppen nicht signifikant. Die bestkorrigierte Sehschärfe zeigte sowohl in der Erwachsenen- als auch in der Minderjährigen-Gruppe eine statistisch signifikante Abnahme nach 6 Wochen postoperativ (0,35 ± 0,02|0,39 ± 0,02, 0,44 ± 0,04|0,48 ± 0,05, p-Wert < 0,05), gefolgt von einer allmählichen Verbesserung bis > 2 Jahre postoperativ. Die Demarkationslinie erreichte im Durchschnitt eine ähnliche Hornhauttiefe von 53,6 % bzw. 52,1 % für beide Gruppen. Was die Zuverlässigkeitsanalyse der biomechanischen CST Messungen betrifft, so waren die beiden etablierten Kontroll- und CXLG-Gruppen tomographisch vergleichbar in Bezug auf BAD-D und maximale Keratometrie (p-Wert > 0.05, gepaarter t-Test). Vergleichbare Werte mit ausgezeichneter Zuverlässigkeit wurden für A1-Velocity, DA Ratio 2 mm, integrated Radius und den CBiF in beiden Gruppen ermittelt (p > 0,005, CA ≥ 0,960). Die Werte von ARTh waren in der Kontrollgruppe höher als in der CXLG-Gruppe (177 ± 59|155,21 ± 65,00, p-Wert = 0,0062, CA: 0,993|0,993), während die SP-A1-Werte in der CXLG-Gruppe höher waren (52,2 ± 16,0|59,2 ± 13,0, p-Wert = 0,0018, CA: 0,912|0,912). Schlussfolgerungen: Epithel-off A-CXL (9 mW/cm2, 10 Minuten) kann erfolgreich zur Stabilisierung des KK beitragen und eine tiefe Demarkationslinie erreichen. Progressionserscheinungen innerhalb der ersten 6 Wochen postoperativ, die wir als "Pseudoprogression" bezeichnet haben, sind kein Indikator für den langfristigen Effekt. Die Zuverlässigkeitsanalyse der biomechanischen Messungen zeigt insgesamt eine ausgezeichnete Zuverlässigkeit sowohl bei den Kontroll- als auch bei den vernetzten KK-Hornhäuten, während die Werte von ARTh und SP-A1 statistisch signifikante Unterschiede zwischen den Gruppen aufwiesen, was darauf hindeutet, dass CXL die biomechanischen Messungen über mehr als 2 Jahre beeinflusst.