Proteiner i tårfilm, mjuka kontaktlinser och linsvätskor

Transkript

1 Proteiner i tårfilm, mjuka kontaktlinser och linsvätskor Tårfilmsproteinernas interaktion med kontaktlinser och linsvätskor är en viktig fråga för kontaktlinsbärare. Dr Philip Morgan och dr Curtis Dobson undersöker den aktuella kunskapen kring denna interaktion. Ända sedan de tidiga hydrogellinserna har man vetat att komponenter i tårfilmen orsakar beläggningar på och i kontaktlinsmaterialet (Figur 1) 1. Särskilt proteinerna i tårfilmen har kopplats samman med obehag 2, försämrad syn 3 och inflammatoriska reaktioner som papillär konjunktivit 4 vid kontaktlinsanvändning. Det är viktigt att förstå tårfilmsproteinernas beskaffenhet och roll samt hur de interagerar med kontaktlinser och linsvätskor om man ska kunna minska biverkningarna av linsbärande. En bra utgångspunkt är att få en grundläggande förståelse för proteinernas struktur. Proteiner är molekyler som består av linjära kedjor av cirka 20 eller fler aminosyror. Dessa förenas av peptidbindningar mellan karbonyl- och aminogrupperna av angränsande aminosyror. Begreppet peptid används ofta för att beskriva kortare kedjor (runt 40 aminosyror eller färre). Längre kedjor brukar förknippas med större molarmassa. Proteinstrukturen beskrivs på fyra nivåer som speglar hur enskilda proteinmolekyler och molekylsamlingar är ordnade. Primärstrukturen (eller sekvensen) rör aminosyrornas ordning i en enskild proteinkedja. Sekundärstrukturen beskriver hur kedjan veckas i olika konfigurationer, ofta inom samma proteinmolekyl, som hålls på plats av vätebindningar. Tertiärstrukturen beskriver hur element i sekundärstrukturen veckas samt attraktioner mellan elementen inom en enskild proteinmolekyl, medan kvartärstrukturen består av flera olika proteinmolekyler. Denaturering anger viktiga förändringar i proteinstrukturen som inte påverkar primärstrukturen, men som kan ändra de andra formerna av strukturell organisation. När protein denatureras förlorar de flesta proteiner sin biologiska funktion.

2 Denna process kan dock ibland reverseras. Man säger ofta att oförändrade proteiner är i sin nativa form. Proteinets konformationer är de sekundära, tertiära och kvartära former som ett protein kan anta under vissa förhållanden. Förändringar mellan dessa tillstånd (konformationsförändringar) påverkar ofta proteinets funktion. Proteiner kan denatureras av variationer i temperatur, ph, strålning, ytans hydrofobicitet och av peroxiderande lipider eller andra kemikalier. När detta inträffar destabiliseras bindningarna och de interaktioner som upprätthåller den sekundära eller tertiära strukturen. Ett vardagsexempel på icke-reversibel proteindenaturering är när äggvita blir hård och ogenomskinlig när den steks. Proteiner i tårfilm Man har identifierat nästan 500 olika proteiner i människans tårfilm, men bara fyra av dessa lysozym, lipokalin, laktoferrin och sekretoriskt immunglobulin A (siga) finns i några högre koncentrationer (Tabell 1). Alla viktigare tårfilmsproteiner produceras i tårkörteln. Lysozym, lipokalin och laktoferrin utsöndras av acini, druvliknande massor av celler i tårkörteln. siga produceras däremot av interstitiella plasmaceller i tårkörteln men utanför acini. Protein Molarmass (dalton) Lysozym ,07 Lipokalin ,55 Laktoferrin ,65 Sekretoriskt IgA ,93 Koncentration (mg ml -1 ) Tabell 1 Viktiga tårfilmsproteiner 5 Obs: Koncentrationen av övriga tårfilmsproteiner är <0.1 mg ml -1 Dessa olika produktionsplatser påverkar proteinernas dygnsvariation. I acini produceras vattniga sekret som minskar i volym under natten, och det gör även de tre proteiner som produceras i acini. Däremot fortsätter produktionen av siga medan man sover, och detta i kombination med den minskade vattenvolymen gör att siga-koncentrationen ökar kraftigt. Det faktum att tårfilmen förändras under natten, med förhöjd siga-koncentration och ett större antal polymorfonukleära vita blodkroppar, gör att somliga beskriver miljön i det stängda ögat under natten som en subklinisk inflammation. De viktigare proteinernas roller Vart och ett av de viktigare tårfilmsproteinerna fyller en funktion för att förhindra infektioner och hålla ögat friskt. Lysozym är ett kraftfullt antibakteriellt enzym som hydrolyserar bindningar i bakteriernas yttre cellväggar, särskilt hos grampo-

3 sitiva bakterier. De bakterier i tårfilmen som framför allt attackeras av lysozymet är varianter av Streptococcus och Staphyloccus som kan orsaka konjunktivit. Lipokalin tycks spela en viktig roll för att binda lipider i tårfilmen och har en stark affinitet med fettsyror. Detta ger proteinet två viktiga egenskaper: bindningen mellan lipokalin och lipider avgör tårarnas ytspänning och förhindrar även långa kedjor av fettsyror att inaktivera lysozymet, vilket indirekt förbättrar tårfilmens antimikrobiella verkan. Laktoferrin kan binda sig till både grampositiva och gramnegativa bakteriemembran och förhindrar tillväxten av flera olika bakterier, bland annat Escherichia coli, Haemophilus influenzae och varianter av Streptococcus, Staphylococcus och Pseudomonas. Det finns även tecken på synergistiska effekter mellan laktoferrin och lysozym. Staphylococcus epidermidis påverkas till exempel endast av laktoferrin om det även finns lysozym närvarande. Laktoferrinets antimikrobiella verkan förstärks av dess förmåga att binda sig till fritt järn i tårfilmen, vilket minskar järntillgången för bakterietillväxt. Lysozym, lipokalin och laktoferrin ansvarar för de bakomliggande eller medfödda försvarsmekanismerna i tårfilmen medan siga är viktigt för det adaptiva immunförsvaret. Det skyddar ögat genom att förhindra att bakterier fäster på ögats yta och genom att göra det möjligt att förstöra dessa bakterier. Kontaktlinsmaterial och proteiner Proteinerna i tårfilmen orsakar snabbt beläggningar på (och i) kontaktlinsmaterialet när man bär linser ibland tar detta bara några timmar 6. Beläggningarna är nära sammankopplade med materialtypen: joniska linser som innehåller metakrylsyra drar till sig mer protein än andra material, inklusive icke-joniska linser som innehåller n-vinylpyrrolidon 7. Särskilt lysozym är starkt positivt laddat och dras till den negativa laddningen i vissa material. Ur klinisk synvinkel betraktas det i allmänhet som negativt att proteiner dras till mjuka kontaktlinser, men faktum är att en ansamling av proteiner med antimikrobiella egenskaper i en kontaktlins kan anses vara något önskvärt. Denna hypotes stöds av de bakterienivåer man hittar på använda respektive oanvända kontaktlinser. Antalet livskraftiga gramnegativa bakterier på använda linser är mindre än på nya, oanvända linser 8. Detta kan vara en klinisk fördel med tanke på dessa bakteriers förmåga att orsaka biverkningar vid linsbärande.

4 Eftersom proteinernas egenskaper förändras vid denaturering kan eventuella skyddseffekter av proteinavlagringar på kontaktlinser vara kopplade till tårfilmsproteinernas tillstånd. När lysozym denatureras minskar till exempel dess bakteriedödande verkan 9. Papillär konjunktivit associeras med förekomsten av denaturerade proteiner 4. Andra negativa reaktioner på kontaktlinsbärande, som minskad komfort 2 och försämrad syn 3 kan också vara relaterade till nivån av proteindenaturering. Ytterligare forskning krävs för att vi bättre ska kunna förstå dessa effekter. Olika studier har undersökt förhållandet mellan proteiner och olika kontaktlinsmaterial. Etafilcon-linser uppvisar en relativt hög nivå lysozymer efter användning (1 mg/lins) jämfört med balafilcon- (10 µg/lins) och lotrafilcon-linser (2 µg/ lins) 10. Denatureringsnivån varierar också mellan linstyper med protein som har bundit till lotrafilcon-, balafilcon- och etafilcon-materialet. Där är siffrorna 80 %, 50 % respektive 22 % denaturerade proteiner. Suwala et al 11 undersökte mängden beläggningar av lysozym och nivån av denaturering på olika kontaktlinsmaterial och kom fram till att aktivitetsnivåerna varierade mycket (Figur 2a och 2b). Andra forskare har också rapporterat att lysozym denatureras vid kontaktlinsbärande 12. Total HEL (µg/lins) Linsvätskor och proteiner Jämfört med förhållandet mellan proteiner och linsmaterial har förhållandevis få studier gjorts kring interaktionen med linsvätskor. I en studie som utfördes utan gnuggning av linsen kom man fram till att mer protein avlägsnades från kontaktlinser som rengjordes i OptiFree Express än i ReNu MultiPlus eller SOLO-care Plus 13. Andra forskare undersökte urvalet av tårproteiner i tårar som samlats in från kontaktlinsbärare som använde sig av en rad olika linsvätskor 14. De kom fram till att prote- 1 AA AO AV2 FND O2 PC PV Figur 2a Total mängd lysozym i olika kontaktlinsmaterial 11 % Aktivitet AA AO AV2 FND O2 PC PV Figure 2b Mängd denaturerat lysozym (mindre aktivitet innebär högre nivåer av denaturering) i olika kontaktlinsmaterial 11 Förklaring: AA Acuvue Advance, AO Acuvue Oasys, AV2 Acuvue 2 FND Focus Night & Day, O2 Air Optix, PC Proclear, PV PureVision

5 inmönstren tenderade att likna mönstren hos icke-kontaktlinsbärare mer med vissa linsvätskor än med andra. En senare studie kom fram till att OptiFree Express avlägsnade mest protein (jämfört med ReNu MoistureLoc, Complete MoisturePlus och AQuify), och att dessa resultat var beroende av kontaktlinsmaterialet 15. Vilka proteiner som avlägsnades varierade också beroende på typ av vätska och linsmaterial. Det finns fortfarande begränsat med information inom litteraturen om tårfilmsproteinernas konformationstillstånd i förhållande till kontaktlinsvätskor. Vidare studier behövs för att undersöka huruvida vätskorna har olika förmåga att minska proteindenatureringen och vilken den kliniska betydelsen av sådana skillnader blir. Slutsatser Proteinerna i tårfilmen spelar en viktig fysiologisk roll. Den potentiella denatureringen av proteiner på kontaktlinsytorna och av kontaktlinsvätskor associeras med vissa biverkningar vid kontaktlinsbärande. En bättre förståelse för interaktionen mellan tårfilmsproteiner, mjuka kontaktlinser och linsvätskor kan leda till nya strategier för att minska antalet biverkningar och upprätthålla eller förbättra tårfilmens inneboende antimikrobiella verkan.

6 Referenser 1. Eriksen S. Cleaning hydrophilic contact lenses: an overview. Annal Ophthalmol 1975; 7: , Jones L, Franklin V, Evans K, Sariri R and Tighe B. Spoilation and clinical performance of monthly vs. three monthly Group II disposable contact lenses. Optom Vis Sci 1996; 73: Gellatly KW, Brennan NA and Efron N. Visual decrement with deposit accumulation of HEMA contact lenses. Am J Optom Physiol Opt 1988; 65: Skotnitsky C, Sankaridurg PR, Sweeney DF and Holden BA. General and local contact lens induced papillary conjunctivitis (CLPC). Clin Exp Optom 2002; 85: Tiffany J. The normal tear film. Dev Ophthalmol 2008; 41: Jones L, Mann A, Evans K, Franklin V and Tighe B. An in vivo comparison of the kinetics of protein and lipid deposition on group II and group IV frequent-replacement contact lenses. OptomVis Sci 2000; 77: Garrett Q, Laycock B and Garrett RW. Hydrogel lens monomer constituents modulate protein sorption. Invest Ophthalmol Vis Sci 2000; 41: Williams TJ, Schneider R P and Willcox MDP. The effect of protein-coated contact lenses on the adhesion and viability of gram negative bacteria. Curr Eye Res 2003; 27: Masschalck B, Van Houdt R, Van Haver EG and Michiels CW. Inactivation of gram-negative bacteria by lysozyme, denatured lysozyme, and lysozyme-derived peptides under high hydrostatic pressure. Appl Environ Microbiol 2001; 67: Senchyna M, Jones L, Louie D, May C, Frobes I and Glazier MA. Quantitative and conformational characterization of lysozyme deposited on balafilcon and etafilcon contact lens materials. Curr Eye Res 2004; 28: Suwala M, Glasier MA, Subbaraman LN and Jones L. Quantity and conformation of lysozyme deposited on conventional and silicone hydrogel contact lens materials using an in vitro model. Eye & Contact Lens 2007; 33: Mannucci LL, Moro F, Cosani A and Palumbo M. Conformational state of lacrimal proteins adsorbed on contact lenses. Curr Eye Res 1985; 4: Mok KH, Cheung RW, Wong BK, Yip KK and Lee VW. Effectiveness of no-rub contact lens cleaning on protein removal: a pilot study. Optom Vis Sci 2004; 81: Grus FH, Kramann C, Bozkurt N, Wiegel N, Bruns K, Lackner N and Pfeiffer N. Effects of multipurpose contact lens solutions on the protein composition of the tear film. Contact Lens Ant Eye 2005; 28: Emch AJ and Nichols JJ. Proteins identified from care solution extractions of silicone hydrogels. Optom Vis Sci 2009; 86:2 E Dr Philip Morgan är lektor i optometri och chef för Eurolens Research på University of Manchester i Storbritannien. Dr Curtis Dobson är forskare på samma institution och är dessutom vd för medicinteknikföretaget Ai2 Limited.