Инновации в контактной коррекции: создание биомиметической поверхности

Инновации в контактной коррекции: создание биомиметической поверхности

Dr Kazuhiko Ishihara, Professor Eric Papas, Dr John Pruitt, Dr Carolina Kunnen, Dr Carla Mack, Dr ErichBauman , Dr Ye Hong

Баннер

01 ИННОВАЦИИ В КОНТАКТНОЙ КОРРЕКЦИИ: СОЗДАНИЕ БИОМИМЕТИЧЕСКОЙ ПОВЕРХНОСТИ

Контактные линзы ежемесячной замены – наиболее востребованный режим плановой замены, который предпочитают многие пользователи. Согласно результатам многочисленных опросов, от 32% до 36% пользователей предпочитают со сроком замены 1 месяц. 1 Учитывая такую высокую востребованность, удивительно, что развитие инновационных технологий для этой категории линз пока отстает от прогресса в области линз однодневной замены.
Одной из новейших разработок в категории линз однодневной замены является запатентованная технология водоградиентного материала, используемая в линзах из полимера Делефилкон A. Эта технология позволила создать линзу, которая обеспечивает превосходную смачиваемость и очень высокую степень кислородной проницаемости.2 Полимер данной линзы представляет собой переход от «дышащего» силикон-гидрогелевого материала в сердцевине к несиликоновой гидрофильной полимерной структуре на поверхности. Этот подход позволяет обеспечить недостижимые ранее характеристики: Dk/t 156 (для линзы -3,00D) и влагосодержание на поверхности почти 100% (см. Таблицу 1)2
Таблица 1

Таблица 1. Технические характеристики контактных линз DAILIES TOTAL1 и материала Делефилкон А

Несмотря на отсутствие непреодолимых препятствий для использования водоградиентной технологии для линз плановой замены, существуют специфические проблемы, которые необходимо решить для адаптации этой технологии для многоразового использования. Для КЛ плановой замены важны определенные свойства:
  • Усиленная защита от инфекций
  • Совместимость с дезинфицирующими растворами для ухода за линзами
  • Устойчивость к потенциально раздражающим отложениям
  • Высокая износостойкость

02 БИОМИМЕТИЧЕСКИЙ: ЧТО ЭТО ЗНАЧИТ?

Хотя такие термины как "бионический", "биомиметический" и "биомимикрия" широко используются, они часто не имеют четких определений и иногда используются неправильно. Биомиметика включает в себя изучение природы и природных явлений для того, чтобы понять принципы их функционирования, почерпнуть идеи из природы и применить концепции, которые могут быть полезны для науки, инженерии и медицины2,3. Термины "биомимикрия", "биомиметика" и "биоинспирация " имеют различные определения.
Биомимикрию можно рассматривать как поверхностное подражание биологическим системам. Биомиметика означает копирование и воспроизведение взаимосвязи между структурой и функцией, наблюдаемой у живых организмов. Биоинспирация (биовдохновение) - это процесс, в котором структура и функция выходят за рамки природного примера и служат стимулом для создания продукта4. Диаграмма ниже показывает, как биологические, биомиметические и биовдохновленные системы являются отдельными системами, которые могут работать вместе.
Рис 1

Рис. 1

Термин "биомиметический" в контексте контактных линз относится к широкому спектру подходов к дизайну и производству, которые различаются по степени близости к приведенному выше определению. Во многих случаях продукт называют биомиметическим, даже если подход никак не связан с биологией глаза. Например, гиалуроновая кислота (ГК) - это гликозаминогликан природного происхождения, который широко распространен во многих тканях. Она используется в различных слезозаменителях для повышения вязкости и улучшения удержания влаги5. Была разработана контактная линза, описанная как биомиметическая, покрытая белком, связанным с ГК, с целью увеличения удержания воды линзой6. Это интересный подход к улучшению смачиваемости линзы, но, похоже, он был вдохновлен свойствами искусственной слезы, а не свойствами роговицы.

03 БИОМИМЕТИЧЕСКАЯ ПОВЕРХНОСТЬ КОНТАКТНЫХ ЛИНЗ

Роговица человека - удивительная структура, и не только благодаря своим преломляющим способностям. Хотя она постоянно подвергается воздействию условно-патогенных и потенциально патогенных микробов из окружающей среды, она редко воспаляется или инфицируется, что свидетельствует о наличии мощной и высокоэффективной системы защиты.7 При разработке идеальной контактной линзы ежемесячной замены стоит опираться на наше понимание свойств роговицы и использовать эти знания для разработки и изготовления поверхности контактной линзы.
Поверхность эпителия роговицы по своей природе гидрофобна, но существует несколько факторов, которые способствуют формированию гидрофильной поверхности. Наружный эпителий роговицы покрыт многочисленными микроворсинками, а бокаловидные клетки конъюнктивы вырабатывают муцин, который мигрирует по поверхности эпителия. Муцин покрывает эпителиальные микроворсинки, образуя гликокаликс. Благодаря распределению слоя муцина по поверхности роговицы, она становится гидрофильной.8 Глазные муцины участвуют в формировании муцинового слоя слезной пленки и удерживают слезу на поверхности роговицы. Эти молекулы также препятствуют адгезии патогенных микроорганизмов к глазной поверхности.
Протеогликаны (люмикан, кератокан и мимекан) и межфибриллярные белки (такие как коллагены VI и XII типов) необходимы для поддержания прозрачности роговицы.9
Наружный и базальный слои эпителия роговицы высоко специализированы. Клетки наружного эпителия имеют небольшие выступы, называемые микроскладками, которые увеличивают площадь эпителиальной поверхности. На поверхности микроскладок гликопротеины класса мембраноассоциированных муцинов образуют гликокаликс (рисунок 1).10 Этот богатый муцином слой формирует гидрофильную поверхность, по которой может распространяться слезная пленка, смазывая глазную поверхность и создавая барьер для патогенов.11 Как мы можем воспроизвести эту сложную структуру поверхности на контактной линзе?

04 2-МЕТАКРИЛОИЛОКСИЭТИЛ-ФОСФОРИЛХОЛИН

2-Метакрилоилоксиэтил-ФосфорилХолин (МФХ) - это водорастворимая молекула, содержащая гидрофобные метакрилатные и гидрофильные фосфорилхолиновые (ФХ) группы (Рис. 2).12 Такая структура позволяет модифицировать гидрофобные поверхности, подобно молекулам муцина и гликокаликсу
Рис 2

Рис. 2. Химическая структура МФХ12

Рис 3

Рис. 3. Состояние гидратации полимера MФХ в водной среде14

Цвиттер-ионная группа фосфорилхолина в боковой цепи молекулы MФХ придает полимеру биоинертные свойства. Когда на поверхности линзы формируется слой полимера MФХ, он гидратируется за счет взаимодействия групп ФХ с молекулами воды, обеспечивая поверхности увлажненность и смазывающую способность. Важно отметить, что чистый нейтральный заряд ФХ не притягивает заряженные молекулы белка или других отложений.12,13 С момента их разработки полимеры МФХ использовались во многих медицинских изделиях с целью предотвращения неблагоприятных биологических реакций, а исследования показали, что они подавляют адсорбцию белков и адгезию клеток к различным материалам..14
Эти свойства обусловлены тремя важнейшими характеристиками полимера МФХ:
1. Чрезвычайная гидрофильность
2. Электрическая нейтральность
3. Способность ФХ формировать и удерживать объём в водной среде.14
Когда молекула находится внутри жидкости, она притягивается к соседним молекулам во всех направлениях, в результате чего чистая сила, действующая на нее, равна нулю. Однако когда молекула находится на поверхности, чистая сила действует на нее в направлении внутрь, создавая поверхностное натяжение.14 Группы ФХ способствуют естественному движению воды, что превосходит показатели, достигаемые другими контактными линзами. Снижение поверхностного натяжения улучшает смачиваемость контактных линз.15
МФХ может применяться для создания молекулярных структур с индивидуально настраиваемыми свойствами, используя различные последовательности методов полимеризации, включая живую радикальную полимеризацию.13 Полимер МФХ может быть использован для создания поверхности, схожей с клеточной мембраной.16 Материал нетоксичен и уже используется в широком спектре биомедицинских устройств, включая биосенсоры, сердечно-сосудистые стенты, имплантируемые кровяные насосы, микрокатетеры, искусственные тазобедренные суставы и шовные материалы

05 ВЛИЯНИЕ MФХ НА СВОЙСТВА КОНТАКТНОЙ ЛИНЗЫ

Биоинспирированный полимер MФХ имеет большой потенциал в улучшении защитных свойств, биосовместимости и смачиваемости материалов для контактных линз.16 Полимерное покрытие MPC имитирует поверхность роговицы и может функционировать аналогичным образом

УСТОЙЧИВОСТЬ К ИНФЕКЦИИ

Роговица имеет несколько механизмов, которые способствуют защите от инфекции. Естественная защита включает антимикробные пептиды, связанные с эпителием, многослойную структуру эпителия, антимикробную активность слезной пленки, барьерную функцию базальной пластинки и постоянную популяцию антибактериальных клеток в эпителии.7 Эти защитные механизмы могут быть нарушены в результате ношения контактных линз. Адгезия бактерий к контактным линзам это нежелательное явление, связанное с риском развития инфекции.18 Бактерии, вызывающие контаминацию контактных линз (например, Pseudomonas aeruginosa19,20), часто сохраняются на линзах в виде биопленок.18 Таким образом, для уменьшения риска осложнений важно уменьшить или предотвратить образование этих биопленок.18
Сложная структура поверхности роговицы (Рис. 1) с большой долей точности имитируется структурой полимера MФХ (Рис. 3 и 4).14,21,22 Биомиметическая структура слоя MФХ уменьшает адгезию бактерий к контактным линзам и помогает обеспечить защиту от инфекции. Исследования показали, что нанесение на поверхность полимера MФХ значительно снижает прикрепление патогенных для человека микроорганизмов23.
Например, адгезия Staphylococcus aureus, Streptococcus mutans, P. aeruginosa и Candida albicans к трем различным поверхностям уменьшилось после нанесения на поверхность полимера MФХ.23 Этот эффект был объяснен "супергидрофильностью" поверхности из полимера MФХ,23 и подтверждается данными исследований, указывающими на то, что адгезии и образованию биопленок P.aeruginosa способствует гидрофобная поверхность.19 Исследования продемонстрировали способность полимера MФХ ингибировать образование бактериальных биопленок (Рис. 5).24 Кроме того, способность полимера MФХ подавлять бактериальную адгезию на широком спектре поверхностей не ставит под угрозу безопасность или биосовместимость. Например, было показано, что ополаскиватель для полости рта на основе полимера MФХ является безопасным и эффективным в предотвращении бактериальной адгезии на тканях полости рта.25
Рис 4

Рис. 4. Нанесение MPC на поверхность. Изображение поверхности, полученное с помощью просвечивающей электронной микроскопии, показано справа

Рис 5

Рис. 5. Адгезия бактерий на поверхности без MФХ (контроль) и с покрытием из 1,5% и 3,0% MФХ

БЕЛКОВЫЕ ОТЛОЖЕНИЯ

Во время ношения на линзах могут накапливаться отложения в результате взаимодействия со слезной пленкой. Накопление белковых отложений на гидрогелевых контактных линзах зависит от влагосодержания, поверхностного заряда, гидрофобности и размера пор материала линзы.26 Отложения на контактных линзах негативно влияют на ощущения пользователя и здоровье глаз, снижая смачиваемость поверхности линзы и вызывая дискомфорт.27 Они также могут привести к осложнениям, связанным с контактными линзами, включая папиллярный конъюнктивит, точечный кератит и воспалительные процессы роговицы.28,29.
Сразу после надевания на глаз контактные линзы начинают покрываться слоем белка. Большая часть протеинов прочно прикрепляется к материалу, только 50% белковых отложений удаляются с помощью обычных процедур ухода.30 Белки, прикрепившиеся к контактным линзам, могут денатурироваться, но связь между этими изменениями и снижением комфорта при ношении контактных линз точно не установлена.31 Однако предполагается, что структурные изменения белков и антибактериальные белки, накапливающиеся на гидрогелевых линзах, могут изменять антимикробные свойства глазной поверхности, повышать риск прикрепления бактерий и развития инфекции.19,32 Было установлено, что накопление определенных белков на контактных линзах повышает риск прикрепления микробных клеток к материалу линзы, что также связано с воспалительными осложнениями.30.
Протеомный анализ показал, что лизоцим и липокалин 1 являются наиболее распространенными белковыми отложениями, обнаруженными на контактных линзах.33 Связывание лизоцима с некоторыми материалами контактных линз может привести к денатурации белка в "неактивную" форму.34 Исследования показали, что воздействие денатурированного лизоцима может привести к снижению метаболической активности и жизнеспособности эпителиальных клеток роговицы человека, а также к увеличению выделения провоспалительных цитокинов.34 Цитокины, экспрессия которых увеличивается в ответ на денатурированный лизоцим, включают различные интерлейкины (1b, 2, 4, 6, 8, 10, 12 и 13), интерферон-g и фактор некроза опухоли. Эти цитокины способны вызывать раздражение и воспаление при ношении контактных линз..34,35
В линзах с покрытием из полимера МФХ наблюдалось снижение адсорбции белков на 83% для лизоцима и 73% для бычьего сывороточного альбумина (рис. 6).37 Эти результаты были повторены в другом исследовании, в котором оценивалась способность полимерного покрытия МФХ снижать адгезию белков и липидов к различным контактным линзам.38
Рис 4

Рис. 6. Количество адсорбированного лизоцима (1,9 мг/мл) и бычьего сывороточного альбумина (0,2 мг/мл) на немодифицированных и модифицированных полиМФХ-50 (пМФК-50) образцах силиконовых гидрогелевых линз после 24-часового периода инкубации

Нанесение слоя полимера МФХ на поверхность других материалов с помощью свободнорадикальной полимеризации приводит к снижению адсорбции белков и улучшению биосовместимости.36 Исследование показало уменьшение адгезии потенциально загрязняющих молекул к контактным линзам.37 Причем именно покрытие силикон-гидрогелевых линз тонким слоем полимера МФХ, а не присутствие его в толще материала линзы, увеличило как смачиваемость поверхности, так и равновесное влагосодержание материала.
Очень высокая гидрофильность МФХ, аналогичная гидрофильности поверхности роговицы, расценивается как наиболее вероятная причина предотвращения неспецифического связывания белков с этим материалом Наличие цвиттерионных цепочек МФХ значительно снижает адсорбцию белков и бактерий модифицированным материалом, благодаря уникальному гидрофильному слою, образуемому полимерным слоем МФХ на поверхности линзы.12,39,40 Кроме того, было показано, что полимерное покрытие МФХ снижает адгезию белков и других веществ к широкому спектру материалов, регулярно контактирующих с биологическими жидкостями в различных медицинских изделиях..14,41

ДОЛГОВЕЧНОСТЬ

Стойкость полимерного покрытия МФХ еще предстоит оценить на контактных линзах, однако было показано, что его защитные свойства остаются неизменными после испытания на трение, включившего 500 циклов чистки зубов после нанесения на материалы зубных протезов.42 Более того, нанесение полимера МФХ на поверхность полиэтилена привело к очень стабильным защитным свойствам, даже когда он был подвергнут тесту на трение с 20 миллионами циклов.43 Эти результаты подтверждают долговечность самого полимера МФХ и показывают, что он хорошо подходит для модификации поверхности контактных линз ежемесячной замены

06 СНИЖЕНИЕ ДРОП-АУТ

Вышеупомянутые характеристики потенциально способны снизить процент отказов от ношения контактных линз. Сочетание технологии водного градиента с биомиметической поверхностью линз способно обеспечить очень высокую степень комфорта.45 Поверхность линз на основе полимера MФХ имитирует поверхность роговицы, предотвращая прикрепление белков и бактерий, которые также могут быть причиной прекращения использования линз.46,47

07 ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Разработка новых контактных линз плановой замены требует сочетания лучших существующих технологий и биомиметического подхода с использованием материалов со свойствами, аналогичными поверхности роговицы, таких как МФХ.

Линзы из биомиметических материалов имеют потенциал для повышения комфорта и безопасности, а также для уменьшения количества отказов от ношения контактных линз среди пользователей МКЛ плановой замены
Соединение с интернетом отсутствует