Der Einfluss von Kombilösungen auf den nativen Zustand der Tränenproteine

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Die Auswirkungen von Tränenproteinen, die an den Oberflächen und internen Strukturen von Kontaktlinsen haften, sind seit Jahrzehnten Gegenstand von Untersuchungen. Proteine aus dem Tränenfilm könnten sich innerhalb weniger Stunden auf weichen Kontaktlinsen ablagern [1]. Die klinischen Auswirkungen sind Verringerungen der Sehschärfe [2], des Tragekomforts [3,4] und der Benetzbarkeit [5] sowie vermehrte entzündliche Komplikationen wie eine papillare Konjunktuvitis [6,7] und akute Augenrötung [8].

Untersuchungen zum Thema Proteine

Vor dem Hintergrund der Tatsache, dass es auch zu den Aufgaben des Tränenfilms gehört, das Auge gegen Bakterien zu verteidigen (z.B. Streptococcus and Staphylococcus) und einen Beitrag zur Oberflächenspannung der Tränen zu leisten, die Auswirkungen auf die natürliche Benetzbarkeit der Augenoberfläche hat, suchen Wissenschaftler nach Möglichkeiten, die natürlichen Proteine im Augenmilieu zu erhalten und nur die unerwünschten ‘veränderten’ oder ‘denaturierten’ Proteine zu entfernen, die an den Kontaktlinsen haften.

Über 400 Proteine im Tränenfilm

Bislang wurden im menschlichen Tränenfilm über 400 Proteine nachgewiesen. Davon liegen vier wichtige Proteine in hohen Konzentrationen vor:

  • Lysozym
  • Lipocalin
  • Lactoferrin
  • Sekret-IgA

Diese Proteine werden alle in der Tränendrüse [9] erzeugt und dem Tränenfilm zugeführt. Forschungen haben gezeigt, dass Bakterien sich auf unterschiedliche Weise an getragenen und ungetragenen Linsen anlagern, wobei sich die Anzahl lebensfähiger Bakterien bei getragenen Linsen verringert [10]. Angesichts der antimikrobiellen Eigenschaften der im Tränenfilm auf natürliche Weise produzierten Proteine könnte man schlussfolgern, dass deren Anwesenheit auf oder in einer Kontaktlinse unter Umständen wünschenswert sein könnte.

Die wichtigsten Proteine

Lysozym
Lysozym greift die externen Strukturen von Bakterien chemisch an, sodass diese absterben. Lysozym ist ein relativ kleines Protein mit starker positiver Ladung, was auch der Grund dafür ist, dass es sich eher auf bestimmten Kontaktlinsenmaterialien anlagert, die negativ geladen sind (also auf ionischen Linsen, deren Material Methacrylsäure enthält, auch bekannt als Gruppe IV-Materialien).

Lipocalin
Lipocalin erhöht die Leistung von Lysozym und trägt zur Oberflächenspannung des Tränenfilms bei [11]. Tränen enthalten auch Fettsäuren, die Lysozym deaktivieren können; Lipocalin bindet die Fettsäuren und hält so die antimikrobielle Aktivität von Lysozym aufrecht [12].

Lactoferrin
Bakterien benötigen Eisen, um in größerer Anzahl zu wachsen. Lactoferrin bindet freies Eisen im Tränenfilm und senkt so dessen Verfügbarkeit für Bakterien, sodass das Wachstum gehemmt wird. Allein lagert sich Lactoferrin an die Zellmembran bestimmter Bakterienarten an, z..B. Streptococcus, Staphylococcus und Pseudomonas, und hemmt auf diese Weise ihr Wachstum. In Verbindung mit Lysozym wurde bei Lactoferrin eine gewisse Aktivität gegenüber Staphylococcus Epidermis [13] nachgewiesen, was auf Synergieeffekte zwischen diesen beiden Proteinen hinweist.

Sekret-IgA
Während die Produktion von Lysozym, Lipocalin und Lactoferrin mit der Produktion von Wasser in der Tränendrüse verknüpft ist, ist der Mechanismus der Freisetzung von sekretorischem IgA ein anderer. Da sich die wässrige Komponente des Tränenfilms über Nacht verringert, sinkt die Konzentration der anderen Proteine in dieser Zeit, während IgA weiterhin produziert wird. Sekretorisches IgA schützt das Auge, indem es Bakterien darin hindert, sich an der Augenoberfläche anzulagern. Zudem umhüllt es die schädlichen Bakterien mit Molekülen, was die Anziehung und Zerstörung polymorphkerniger weißer Blutkörperchen im Tränenfilm zur Folge hat.

Proteine sind 3D-Objekte

Proteine sind lange Ketten aus Aminosäuremolekülen — die aus den Grundelementen Kohlenstoff, Wasserstoff, Stickstoff, Sauerstoff und Schwefel bestehen. Ihre Individualität wird nicht durch die Reihenfolge der Moleküle einer Kette bestimmt, sondern auch davon, wie diese Ketten in einer 3D-Struktur aneinander gereiht und angeordnet sind. Die 3D-Struktur wird durch die Umgebung definiert, in der sich das Protein befindet. Im ‘Wasser’ ordnen sich die hydrophoben Teile des Proteins innen an, während die hydrophilen Teile den äußeren Rahmen der 3D-Struktur bilden. Wenn sich Proteine an die hydrophobe Oberfläche einer Kontaktlinse anlagern, beginnt sich der Aufbau des Proteins zu verändern, d.h. es denaturiert. Auch andere Faktoren wie pH-Wert, Wärme und Vorhandensein von Salzen beeinflussen den natürlichen Zustand.

Den ‘natürlichen’ Zustand des Tränenfilms erhalten

Die natürliche Biologie der 3-dimensionalen Proteine des Tränenfilms wie z.B. Lysozym dient dem Schutz des Auges gegenüber Mikroorganismen. Durch die Denaturierung von Lysozym, die sich auf dessen natürliche 3D-Form auswirkt, wird dessen bakterizide Aktivität nachweislich verringert [14]. Wenn man bedenkt, dass Lysozym etwa 20%-40% aller im Tränenfilm vorkommenden Proteine ausmacht, sind Schritte zur Eindämmung des Denaturierungsprozesses durchaus wünschenswert, wenn die Schutzfunktion aufrecht erhalten werden soll. Die komplexe molekulare Struktur von Proteinen muss erhalten bleiben, wenn sie weiterhin ihre optimale antibakterielle Aktivität ausführen sollen.

Es ist wichtig zu verstehen, wie die einzelnen Bestandteile von Kombilösungen (Multipurpose Lens Care Solutions – MPS) mit den Komponenten des Tränenfilms interagieren, denn die Bestandteile einer MPS kommen beim Einsetzen von Kontaktlinsen, die gereinigt, desinfiziert und in der Lösung aufbewahrt wurden, mit dem Auge in Berührung. MPS können die Tränenfilmkomponenten beeinflussen, indem sie in den Denaturierungsprozess der Proteine und die anschließende Ablagerung auf den Kontaktlinsen eingreifen.

Eine vor kurzem durchgeführte in vitro-Studie untersuchte die Fähigkeit einer neuen, von B+L entwickelten MPS-Lösung und vier handelsüblicher MPS, ein Protein (Lysozym) an der Denaturierung zu hindern.15 Die Ergebnisse zeigten, dass es erhebliche Unterschiede in der Fähigkeit der MPS gab, das Tränenprotein Lysozym in seinem nativen Zustand zu erhalten. Offensichtlich können Aufbau und physikalische Eigenschaften einer MPS ihre Interaktion mit Lysozym beeinträchtigen.

Testlösungen: Es wurden fünf MPS (eine neue und vier handelsübliche) untersucht.

  • MPS A: Neue MPS von B&L (Borat / Poloxamin)
  • MPS B: Borat / Citrat / Poloxamin
  • MPS C: Borat / Citrat / Poloxamin
  • MPS D: Tromethamin / Phosphate / Poloxamer
  • MPS E: Borat / Poloxamin
Proteine Tränenfilm

Die oben dargestellten Ergebnisse zeigen den Zusammenhang der getesteten MPS-Lösungen mit den getesteten physikalischen Eigenschaften. Nur 3 von 7 getesteten Lösungen (MPS A, E und F) wiesen physikalische Eigenschaften auf, die in allen vier Kriterien im Bereich des menschlichen Tränenfilms lagen. Störungen in der Zusammensetzung des Tränenfilms führen dazu, dass das Auge die gewünschte Balance wieder herstellt, und es sind weitere klinische Studien erforderlich, um die klinische Relevanz dieser Messungen zu quantifizieren. Möglicherweise könnten Pflegeprodukte, die ganz ähnliche Eigenschaften wie der Tränenfilm haben, das Zusammenspiel zwischen Tränenfilm, Kontaktlinse und Pflegesystem optimieren.

Proteinentfernung

Wenn die Proteine auf der Oberfläche einer Linse denaturiert sind, lassen ihre schädlichen Auswirkungen auf Sehleistung und Tragekomfort ihre Entfernung als wünschenswert erscheinen. Inzwischen macht man sich allerdings Gedanken darüber, wie ihr positiver, auf natürliche Weise antibakterieller Zustand erhalten werden kann. Es wurden spezielle Inhaltsstoffe entwickelt, die denaturierte Proteine entfernen und das Gleichgewicht der natürlichen Proteine auf der Linse aufrecht erhalten können. Die Chemie einer solchen Proteinentfernung setzt sowohl die Ionenladung der Moleküle als auch Van-der-Waals-Kräfte ein, um lose haftende denaturierte Proteine wie ein leichter Magnet zu lösen.

Auswirkungen auf Tragekomfort und Zufriedenheit

Tragekomfort ist eine wichtige Zielvorgabe für das Tragen von Kontaktlinsen und einer der wichtigsten Faktoren für einen lang anhaltenden Trageerfolg. Bei Austauschlinsen wird versucht, ihre Lebensdauer und Tragbarkeit über den empfohlenen Tragezeitraum hinaus zu verlängern, und mit Pflegeprodukten wird versucht, über den gesamten Zeitraum ein ‘frisches Tragegefühl’ zu vermitteln. Die Nachahmung des natürlichen Augenmilieus ist eine inspirierende neue Art, Linsenpflege in vivo zu betreiben.

Literaturverweise:

  1. Jones, L. et al. An in vivo comparison of the kinetics of protein and lipid deposition on group II and group IV frequent-replacement contact lenses. Optometry and vision science : official publication of the American Academy of Optometry 2000; 77: 503-510.
  2. Gellatly KW, Brennan NA, Efron N. Visual decrement with deposit accumulation of HEMA contact lenses. Am J Optom Physiol Opt 1988;65:937–41.
  3. Nilsson SE, Andersson L. Contact lens wear in dry environments. Acta Ophthalmol (Copenh) 1986;64:221–5.
  4. Pritchard N, Fonn D, Weed K. Ocular and subjective responses to frequent replacement of daily wear soft contact lenses. CLAO J 1996; 22:53–9.
  5. Bleshoy H, Guillon M, Shah D. Influence of contact lens material surface characteristics on replacement frequency. ICLC 1994;21: 82–93.
  6. Grant T, Holden BA, Rechneberger J, Chong MS. Contact lens related papillary conjunctivitis (CLPC): influence of protein accumulation and replacement frequency. Invest Ophthalmol Vis Sci 1989; 30(suppl.):166.
  7. Porazinski AD, Donshik PC. Giant papillary conjunctivitis in frequent replacement contact lens wearers: a retrospective study. CLAO J 1999;25:142–7.
  8. Kotow M, Holden BA, Grant T. The value of regular replacement of low water content contact lenses for extended wear. J Am Optom Assoc 1987;58:461–4.
  9. Tiffany, J. The normal tear film. Developments in Ophthalmology 2008; 41: 1-20.
  10. Williams, T. J., Schneider, R. P. & Willcox, M. D. P. The effect of protein-coated contact lenses on the adhesion and viability of gram negative bacteria. Curr Eye Res 2003; 27: 227-235.
  11. Nagyova,B., Tiffany,J.M,, Components responsible for the surface tension of human tears.Current Eye Research 1999, Vol. 19, No. 1, Seite 4-11
  12. Gasymov, O. K., Abduragimov, A. R., Yusifov, T. N. & Glasgow, B. J. Interaction of tear lipocalin with lysozyme and lactoferrin. Biochemical and Biophysical Research Communications 1999; 265: 322-325.
  13. Flanagan, J. L. & Willcox, M. D. P. Role of lactoferrin in the tear film. Biochimie 2009; 91: 35-43.
  14. Masschalck, B., Van Houdt, R., Van Haver, E. G. & Michiels, C. W. Inactivation of gram-negative bacteria by lysozyme, denatured lysozyme, and lysozyme-derived peptides under high hydrostatic pressure. Appl Environ Microbiol 2001; 67: 339-344.
  15. Barniak,V.,Burke,S.,Venkatesh,S., Präsentiert beim Annual Meeting of the American Academy of Optometry , November 11-14, 2009:Orlando,FL.

Die Autorin dieses Artikels – Dr. Susan E Burke – ist leitende Wissenschaftlerin der Global Vision Care Research & Development, Bausch & Lomb, Rochester, NY.

 

Bausch & Lomb


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