Fluidodinâmica Computacional (Computational Fluid Dynamics: CFD) é uma técnica da ciência da computação que analisa o fluxo de fluidos usando métodos numéricos e algoritmos baseados nas equações de Navier-Stokes. Ao aplicar as leis da dinâmica dos fluidos a um modelo computacional que representa a estrutura, é possível inferir padrões de fluxo, distribuição de pressão e tensão de cisalhamento.
O olho é um órgão que contém fluidos de alta concentração (humor aquoso e vítreo), sendo extremamente adequado como modelo para análise CFD. As principais áreas de aplicação em oftalmologia são as seguintes:
A CFD tem alcançado grandes sucessos na área cardiovascular (aterosclerose, design de stents). Nos últimos anos, a colaboração com outras áreas médicas, incluindo oftalmologia, tem aumentado, e a pesquisa ativa por meio da cooperação multidisciplinar (médicos, matemáticos, físicos) está se intensificando.
Como etapas de simplificação das equações de Navier-Stokes, a remoção do termo viscoso resulta nas equações de Euler, a remoção do termo de vorticidade resulta na equação de potencial completo, e a linearização resulta na equação de potencial linearizado. No estado estacionário dentro da câmara anterior, o número de Reynolds máximo é muito pequeno (cerca de 0,01), mas em fenômenos transitórios como o piscar, é necessário o uso das equações completas de Navier-Stokes.
CFD (Fluidodinâmica Computacional) é uma técnica para simular o fluxo de fluidos usando computadores. Em oftalmologia, é usado principalmente para analisar anormalidades no fluxo do humor aquoso que causam glaucoma, prever a difusão de medicamentos após injeção intravítrea e otimizar o comportamento do fluido durante a cirurgia de catarata. Como o olho é um órgão que contém muito líquido, é muito adequado como modelo para análise de CFD.
O humor aquoso é secretado pelo epitélio não pigmentado da pars plicata do corpo ciliar para a câmara posterior. A taxa de produção diurna é de aproximadamente 3,0 μL/min, e o humor aquoso na câmara anterior (volume padrão de cerca de 250 μL) é renovado em 1-2 horas. O humor aquoso flui através da pupila para a câmara anterior e é drenado principalmente pela via trabecular-canal de Schlemm (via principal: 80-95%) e pela via uveoescleral (via secundária: 5-20%)2).
O principal local de resistência ao fluxo na via principal está no tecido conjuntivo justacanalicular onde está presente a matriz extracelular (ECM)4). A renovação contínua da ECM é necessária para manter a regulação da pressão intraocular, e foi demonstrado experimentalmente que a manipulação da ECM no trabeculado pode alterar a taxa de drenagem4).
«A via de drenagem possui um mecanismo homeostático que detecta desvios de pressão contínuos e ajusta compensatoriamente a resistência ao fluxo para manter a pressão intraocular dentro da faixa normal»4)
Na membrana basal das células endoteliais da parede interna do canal de Schlemm (SCE), existem descontinuidades submicrométricas, e através delas o humor aquoso é drenado via vacúolos gigantes e poros4). A hipótese de que as células do tecido conjuntivo justacanalicular (JCT) regulam a resistência ao fluxo controlando a orientação e concentração de versican foi testada4).
A pressão intraocular é um parâmetro complexo que não pode ser reduzido a um único número3). A pressão intraocular varia com o tempo, difere dependendo da posição dentro do olho e é influenciada pelo método de medição3).
| Característica da Pressão Intraocular | Conteúdo |
|---|---|
| Definição | Diferença de pressão em relação à pressão atmosférica (mmHg) |
| Pressão Intraocular Normal | Aproximadamente 15 mmHg (pressão atmosférica + 2 kPa) |
| Variação diurna | A produção de humor aquoso é reduzida à metade durante a noite |
A deformação mecânica gerada pela pressão intraocular afeta a função axonal na cabeça do nervo óptico (ONH), causando remodelação local da matriz extracelular (ECM) e morte das células ganglionares da retina (RGC)3). A lâmina cribrosa (LC) é uma estrutura semelhante a uma janela que cobre a abertura do canal escleral, sendo considerada o local primário de dano no glaucoma3).
No olho normal, a deformação principal máxima na região da LC é de aproximadamente 3% sob pressão de 5 a 45 mmHg, com valores mais altos na periferia do que no centro3). A deformação efetiva varia conforme o tipo de doença: olho com hipertensão ocular (3,96%), olho com glaucoma primário de ângulo aberto (POAG) (6,04%) e olho com glaucoma primário de ângulo fechado (PACG) (4,05%)3).
Fatores dependentes da pressão intraocular
Estresse mecânico: A pressão intraocular deforma as trabéculas de tecido conjuntivo da lâmina cribrosa. A pressão alta causa remodelação extensa e deslocamento posterior da LC3)
Distúrbio do transporte axonal: A deformação relacionada à pressão intraocular bloqueia o transporte axonal anterógrado e retrógrado na LC3)
Mecanossensores: Deformação da membrana celular → abertura de canais iônicos, sinalização de ligação de integrina → resposta celular3)
Fatores independentes da pressão intraocular
Distúrbio circulatório: Associação com hemorragia papilar, atrofia peripapilar, baixa pressão de perfusão ocular, baixa pressão arterial diastólica
Fatores de risco: Idade avançada, história familiar, relação C/D grande, córnea fina, histerese corneana baixa1)2)
Morte de RGC: Via apoptótica, depleção de fator neurotrófico, acúmulo mitocondrial
O principal local de resistência ao fluxo do humor aquoso é a matriz extracelular do tecido conjuntivo justacanalicular (JCT) na camada mais profunda do trabeculado. A ECM nesta área é continuamente renovada para manter a pressão intraocular dentro da faixa normal. No glaucoma, esse mecanismo regulatório falha, resultando em aumento anormal da resistência ao fluxo. A CFD contribui para a compreensão da patologia ao analisar numericamente o comportamento do fluido nesse nível microestrutural.
Cinco mecanismos físicos foram identificados como causadores do fluxo do humor aquoso na câmara anterior:
O fluxo por empuxo devido ao gradiente térmico é o mais dominante, sendo várias ordens de grandeza maior que as velocidades de fluxo causadas por outros mecanismos físicos. Cálculos de tensão de cisalhamento por CFD mostraram que apenas o fluxo por empuxo não pode explicar o desprendimento de partículas de pigmento da íris.
A tensão de cisalhamento nas células endoteliais da córnea após iridotomia a laser foi analisada usando CFD. Em olhos com câmara anterior rasa, a tensão de cisalhamento nas células endoteliais da córnea após LI pode atingir um nível suficiente para causar dano e perda celular.
Na simulação por CFD da distribuição de drogas no segmento posterior após injeção intravítrea ou implante, foi demonstrado que o tempo de injeção, o calibre da agulha e o ângulo de penetração influenciam o perfil de concentração da droga. A localização do implante (anterior vs posterior) e sua forma também afetam a concentração intraocular. Tais modelos podem contribuir para a otimização do efeito terapêutico e redução da toxicidade tecidual.
Um modelo de transferência de calor do cristalino mostrou que a exposição térmica ocupacional (por exemplo, em padarias) pode causar danos ao cristalino. Além disso, na avaliação computacional do papel da acomodação no glaucoma pigmentar, foi confirmado que a acomodação causa uma curvatura posterior da íris, e o grau dessa curvatura depende fortemente da quantidade de acomodação.
Também estão sendo feitas tentativas de investigar as características hidrodinâmicas do humor aquoso usando CFD para lentes implantáveis de câmara posterior fáquica modificadas (ICL) com um orifício central para melhorar a circulação do humor aquoso.
A CFD contribui em várias áreas para a compreensão da fisiopatologia do glaucoma. Especificamente, inclui: (1) análise dos padrões de fluxo do humor aquoso e distribuição de temperatura na câmara anterior, (2) avaliação quantitativa da resistência ao fluxo através da malha trabecular, (3) previsão da tensão de cisalhamento nas células endoteliais da córnea após tratamento a laser, (4) modelagem da interação entre o humor aquoso e a íris, e (5) análise do mecanismo de bloqueio pupilar. Futuramente, espera-se que a integração com dados clínicos possibilite o desenvolvimento de estratégias de tratamento otimizadas para cada paciente.
- European Glaucoma Society. European Glaucoma Society Terminology and Guidelines for Glaucoma, 5th Edition. Br J Ophthalmol. 2025.
- 日本緑内障学会. 緑内障診療ガイドライン（第5版）. 日眼会誌. 2022;126(2):85-177.
- 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.
