La fluidodinamica computazionale (Computational Fluid Dynamics: CFD) è una tecnica di scienza computazionale che analizza il flusso dei fluidi utilizzando metodi numerici e algoritmi basati sulle equazioni di Navier-Stokes. Applicando le leggi della fluidodinamica a un modello computazionale che rappresenta la struttura, è possibile stimare i pattern di flusso, la distribuzione della pressione, lo stress di taglio, ecc.
L’occhio è un organo che contiene fluidi ad alta concentrazione (umor acqueo, vitreo) ed è quindi un modello molto adatto per l’analisi CFD. I principali campi di applicazione in oftalmologia sono i seguenti:
Dinamica dell’umor acqueo e glaucoma: analisi del flusso nella camera anteriore, resistenza al deflusso attraverso il trabecolato, meccanismi di regolazione della pressione intraoculare.
Farmacocinetica intravitreale: simulazione della distribuzione del farmaco dopo iniezione intravitreale o impianto.
Cristallino e accomodazione: modello di trasferimento di calore, deformazione del cristallino durante l’accomodazione, fluidica durante la chirurgia della cataratta.
La CFD ha già ottenuto risultati significativi in campo cardiovascolare (aterosclerosi, progettazione di stent). Negli ultimi anni, la collaborazione con altri settori medici, inclusa l’oftalmologia, è aumentata e la ricerca multidisciplinare (medici, matematici, fisici) è diventata più attiva.
Semplificando le equazioni di Navier-Stokes, eliminando il termine di viscosità si ottiene l’equazione di Eulero, eliminando il termine di vorticità si ottiene l’equazione del potenziale completo, e linearizzando si ottiene l’equazione del potenziale linearizzato. Nello stato stazionario della camera anteriore, il numero di Reynolds massimo è circa 0,01, molto piccolo, ma per fenomeni transitori come l’ammiccamento, è necessario l’uso completo delle equazioni di Navier-Stokes.
QCos'è la CFD? Come viene applicata in oftalmologia?
A
La CFD (fluidodinamica computazionale) è una tecnica per simulare al computer il flusso dei fluidi. In oftalmologia viene utilizzata principalmente per analizzare le anomalie del flusso dell’umore acqueo che causano il glaucoma, prevedere la diffusione dei farmaci dopo un’iniezione intravitreale e ottimizzare il comportamento dei fluidi durante la chirurgia della cataratta. L’occhio è un organo ricco di liquidi, quindi è un modello molto adatto per l’analisi CFD.
6. Basi fluidodinamiche della dinamica dell’umore acqueo
L’umore acqueo viene secreto nella camera posteriore dall’epitelio non pigmentato del corpo ciliare. La produzione diurna è di circa 3,0 μL/min e l’umore acqueo di un volume standard della camera anteriore (circa 250 μL) viene sostituito in 1-2 ore. L’umore acqueo fluisce attraverso la pupilla nella camera anteriore e viene drenato principalmente attraverso la via trabecolare-canale di Schlemm (via principale: 80-95%) e la via uveosclerale (via secondaria: 5-20%)2).
Il sito principale della resistenza al deflusso nella via principale è la regione del tessuto connettivo giustacanalicolare contenente la matrice extracellulare (ECM)4). Un ricambio continuo dell’ECM è necessario per mantenere la regolazione della pressione intraoculare, ed è stato dimostrato sperimentalmente che la manipolazione dell’ECM del TM può modificare la velocità di deflusso4).
«La via di deflusso possiede un meccanismo omeostatico che rileva le deviazioni di pressione continue e regola compensativamente la resistenza al deflusso per mantenere la pressione intraoculare entro l’intervallo normale»4)
La membrana basale delle cellule endoteliali della parete interna del canale di Schlemm (SCE) presenta discontinuità submicrometriche attraverso le quali l’umore acqueo viene drenato tramite vacuoli giganti e pori4). L’ipotesi che le cellule del tessuto connettivo giustacanalicolare (JCT) regolino la resistenza al deflusso manipolando l’orientamento e la concentrazione di versicano è stata verificata4).
La pressione intraoculare è un parametro complesso che non può essere ridotto a un singolo valore numerico3). Varia nel tempo, differisce a seconda della posizione all’interno dell’occhio ed è influenzata dal metodo di misurazione3).
Caratteristiche della pressione intraoculare
Contenuto
Definizione
Differenza di pressione rispetto alla pressione atmosferica (mmHg)
Pressione intraoculare normale
Circa 15 mmHg (pressione atmosferica + 2 kPa)
Variazione diurna
Di notte la produzione di umore acqueo si dimezza
La deformazione meccanica generata dalla pressione intraoculare (IOP) influisce sulla funzione assonale a livello della testa del nervo ottico (ONH), causando rimodellamento locale della matrice extracellulare (ECM) e morte delle cellule gangliari retiniche (RGC)3). La lamina cribrosa (LC) è una struttura fenestrata che copre l’apertura del canale sclerale ed è considerata il sito primario del danno nel glaucoma3).
In un occhio normale, la deformazione principale massima della LC a una pressione di 5-45 mmHg è di circa il 3%, con valori più alti nella periferia rispetto al centro3). È stato riportato che la deformazione effettiva varia a seconda del tipo di glaucoma: occhio iperteso (3,96%), glaucoma primario ad angolo aperto (POAG) (6,04%) e glaucoma primario ad angolo chiuso (PACG) (4,05%)3).
Fattori dipendenti dalla pressione intraoculare
Stress meccanico : La pressione intraoculare deforma le trabecole di tessuto connettivo della lamina cribrosa. In caso di ipertensione oculare, si verifica un esteso rimodellamento della LC e uno spostamento posteriore3).
Disturbo del trasporto assonale : La deformazione correlata alla IOP blocca il trasporto assonale anterogrado e retrogrado nella LC3).
Meccanosensori : Deformazione della membrana cellulare → apertura di canali ionici, segnalazione tramite legame alle integrine → risposta cellulare3).
Fattori indipendenti dalla pressione intraoculare
Disturbo circolatorio : Associazione con emorragia papillare, atrofia peripapillare, bassa pressione di perfusione oculare, bassa pressione diastolica.
Fattori di rischio : Età avanzata, storia familiare, rapporto C/D elevato, cornea sottile, bassa isteresi corneale1)2).
Morte delle RGC : Vie apoptotiche, deprivazione di fattori neurotrofici, accumulo mitocondriale.
QDove si genera la resistenza al deflusso dell'umore acqueo?
A
La sede principale della resistenza al deflusso dell’umore acqueo è la matrice extracellulare del tessuto connettivo giustacanalicolare (JCT) nello strato più profondo del trabecolato. Il continuo turnover dell’ECM in questa regione mantiene la pressione intraoculare entro il range normale. Nel glaucoma, questo meccanismo di regolazione viene meno, portando a un aumento anomalo della resistenza al deflusso. La CFD contribuisce alla comprensione della patologia analizzando numericamente il comportamento del fluido a questo livello microstrutturale.
Sono stati identificati i seguenti cinque meccanismi fisici che causano il flusso dell’umore acqueo nella camera anteriore:
Flusso guidato da galleggiamento (convezione naturale) dovuto alla differenza di temperatura tra la superficie anteriore della cornea e l’iride
Flusso dovuto alla produzione di umore acqueo dal corpo ciliare
Interazione tra galleggiamento e gravità in posizione supina
Flusso dovuto a fakodonesi (oscillazione del cristallino)
Flusso dovuto ai movimenti oculari rapidi durante il sonno REM
Il flusso guidato da galleggiamento dovuto al gradiente di temperatura è il più dominante, con una velocità di diversi ordini di grandezza superiore a quella degli altri meccanismi fisici. I calcoli dello sforzo di taglio tramite CFD hanno mostrato che il solo flusso di galleggiamento non può spiegare il distacco delle particelle di pigmento dall’iride.
Utilizzando la CFD, è stato analizzato lo sforzo di taglio sulle cellule endoteliali corneali (CEC) dopo iridotomia laser (LI) a causa dei cambiamenti nel flusso dell’umore acqueo. In particolare, negli occhi con camera anteriore poco profonda, lo sforzo di taglio sulle CEC dopo LI può raggiungere un livello sufficiente a causare danni e perdita cellulare.
Le simulazioni CFD della distribuzione del farmaco nel segmento posteriore dopo iniezione intravitreale o impianto mostrano che il tempo di iniezione, il calibro dell’ago e l’angolo di inserimento influenzano il profilo di concentrazione del farmaco. Anche la posizione dell’impianto (anteriore vs posteriore) e la forma influenzano la concentrazione intraoculare. Tali modelli potrebbero contribuire all’ottimizzazione dell’efficacia terapeutica e alla riduzione della tossicità tissutale.
I modelli di trasferimento di calore del cristallino mostrano che l’esposizione termica professionale (ad esempio, nei panifici) può danneggiare il cristallino. Inoltre, la valutazione computazionale del ruolo dell’accomodazione nel glaucoma pigmentario ha confermato che l’accomodazione provoca un’incurvamento posteriore della parte posteriore dell’iride, e il suo grado di curvatura dipende fortemente dalla quantità di accomodazione.
Sono in corso anche tentativi di studiare tramite CFD le proprietà idrodinamiche dell’umore acqueo in lenti fachiche posteriori (ICL) modificate con un foro centrale per migliorare la circolazione dell’umore acqueo.
QIn che modo la CFD contribuisce alla ricerca sul glaucoma?
A
La CFD contribuisce alla comprensione della fisiopatologia del glaucoma in molteplici modi. Nello specifico, include (1) l’analisi dei pattern di flusso dell’umore acqueo e della distribuzione della temperatura nella camera anteriore, (2) la valutazione quantitativa della resistenza al deflusso attraverso il trabecolato, (3) la previsione dello stress di taglio sulle cellule endoteliali corneali dopo trattamento laser, (4) la modellazione dell’interazione tra umore acqueo e iride, e (5) l’analisi del meccanismo di blocco pupillare. In futuro, l’integrazione con i dati clinici dovrebbe consentire lo sviluppo di strategie terapeutiche ottimizzate per ogni singolo paziente.
Pitha IA, Du L, Nguyen TD, Quigley HA. 眼圧 and glaucoma damage: The essential role of optic nerve head and retinal mechanosensors. Prog Retin Eye Res. 2023;99:101232.
Acott TS, Vranka JA, Keller KE, Raghunathan V, Kelley MJ. Normal and glaucomatous outflow regulation. Prog Retin Eye Res. 2021;82:100897.
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