Kyynelfilmin proteiinit, pehmeät piilolinssit ja piilolinssinesteet

Transkriptio

1 Kyynelfilmin proteiinit, pehmeät piilolinssit ja piilolinssinesteet Kyynelfilmin proteiinien vuorovaikutus piilolinssien ja piilolinssinesteiden kanssa on keskeinen asia piilolinssien käytössä. Tri Philip Morgan ja tri Curtis Dobson tutkivat nykyistä tietämystä näistä vuorovaikutussuhteista Hydrogeeli-linssien aikakaudesta saakka on ollut tiedossa, että kyynelfilmin osat muodostavat kerrostumia piilolinssien pinnalle ja materiaaliin (kuva1). 1 Kyynelfilmin proteiineihin on yhdistetty erityisesti linssien käytön epämukavuus, 2 heikentynyt näöntarkkuus 3 ja silmäkalvon papillaarisen tulehduksen 4 kaltaiset tulehdusreaktiot. Kyynelfilmin proteiinien tilan ja tehtävän sekä niiden vuorovaikutussuhteiden ymmärtäminen linssien ja piilolinssinesteiden kanssa on tärkeää, jotta haitallisia tapahtumia voidaan vähentää piilolinssien käytössä. Perustiedot proteiinien rakenteesta ovat hyvä lähtökohta. Proteiinit muodostuvat noin 20:n tai sitä useamman aminohapon lineaarisista ketjuista. Karbonyylija aminoryhmät kiinnittyvät toisiinsa peptidisidoksilla vierekkäisissä aminohapoissa. Peptidi-termiä käytetään usein kuvaamaan lyhyitä ketjuja (enintään noin 40 aminohapon ketjuja). Pitkissä ketjuissa moolimassa on suuri. Proteiinirakennetta kuvataan neljällä tasolla yksittäisten proteiinimolekyylien ja useiden molekyylien järjestymistä heijastavalla tavalla. Primaarinen rakenne (tai järjestys ) kuvastaa aminohappojen järjestystä yksittäisessä proteiiniketjussa. Sekundaarinen rakenne kuvastaa ketjun paikallista poimuttumista eri muodoissa usein samassa proteiinimolekyylissä. Vetysidokset pitävät muodon paikallaan. Tertiaarinen rakenne kuvastaa sekundaaristen rakenneominaisuuksien poimuttumista ja niiden välisiä vetovoimia yhdessä proteiinimolekyylissä. Kvaternaarisessa rakenteessa proteiinimolekyylejä on useita erilaisia. Denaturaatio kuvastaa tärkeitä muutoksia proteiinien rakenteessa. Se ei vaikuta primaariseen rakenteeseen, mutta voi muuttaa muita rakenteellisia järjestäytymismuotoja. Denaturaatiossa useimmat proteiinit menettävät biologisen tehtä-

2 vänsä, vaikka prosessi voi olla palautuva. Muuttumattomien proteiinien sanotaan tavallisesti olevan alkuperäisessä tilassaan. Proteiinin konformaatiolla tarkoitetaan sekundaarisia, tertiaarisia tai kvaternaarisia muotoja, joihin proteiini voi järjestäytyä tietyissä olosuhteissa. Liike tilasta toiseen (konformaatiomuutos) vaikuttaa usein proteiinin toimintaan. Lämpötilan, ph:n, säteilyn, pinnan hydrofobisuuden ja peroksidoituvien lipidien tai muiden kemiallisten aineiden muutos voi aiheuttaa proteiinien denaturoitumisen. Näissä olosuhteissa sekundaarisen tai tertiaarisen rakenteen ylläpidosta vastaavat sidokset ja vuorovaikutussuhteet voivat muuttua epävakaiksi. Arkinen esimerkki palautumattomasta proteiinin denaturoitumisesta on munanvalkuaisen muuttuminen kirkkaasta valkoiseksi ja kovettuminen, kun se paistetaan. Kyynelfilmin proteiinit Ihmisen kyynelfilmissä olevista proteiineista on tunnistettu lähes 500, joista kuitenkin vain neljä lysotsyymi, lipokaliini, laktoferriini ja sekretorinen immunoglobuliini A (siga) esiintyy suurina pitoisuuksina (Taulukko 1). Kyynelrauhanen tuottaa kaikki tärkeimmät kyynelfilmin proteiinit: rypälemäisiä solumassoja muistuttava rakkula tuottaa lysotsyymia, lipokaliinia ja laktoferriiniä kyynelrauhasessa ja välitilan plasmasolut tuottavat siga:ta rakkulan ulkopuolella kyynelrauhasessa. Proteiini Moolimassa (atomimassayksikköinä) Pitoisuus (mg ml -1 ) Lysotsyymi 14, Lipokaliini 17, Laktoferrini 90, Sekretorinen IgA 385, Taulukko 1: Tärkeimmät kyynelfilmin proteiinit 5 Huomautus: Kyynelfilmin muiden proteiinien pitoisuudet ovat < 0,1 mg ml -1 Tuotantopaikat vaikuttavat kyynelfilmin proteiinien vaihteluun päivän aikana. Rakkula erittää vettä, jonka määrä vähenee yöllä samoin kuin kolmen rakkulassa tuotetun proteiinin määrä. siga:n tuotanto sitä vastoin jatkuu unen aikana. Kun veden määrä lisäksi vähenee, slga:n pitoisuus nousee voimakkaasti. Kyynelfilmin tila muuttuu linssin yöllisen käytön aikana: siga-pitoisuus suurenee ja monilohkotumaisten valkoisten verisolujen määrä lisääntyy. Siksi yöllä suljettuna olevan silmän ympäristöolosuhteita on kutsuttu oireettomaksi tulehdukseksi. Tärkeiden proteiinien tehtävät Kyynelfilmin kaikki tärkeät proteiinit vaikuttavat tulehdusten ehkäisemiseen ja silmän terveyden ylläpitämiseen. Lysotsyymi on voimakas bakteereja hajot-

3 tava entsyymi. Sen vaikutuksesta bakteerien, erityisesti gram-positiivisten bakteerien, soluseinämien ulkopinnan siteet hajoavat hydrolyysissä. Kyynelfilmillä lysotsyymi hyökkää lähinnä sidekalvon tulehduksia aiheuttavia streptokokki- ja stafylokokki-bakteerilajeja vastaan. Lipokaliini näyttää sitovan lipidejä kyynelkalvolla ja vetävän voimakkaasti puoleensa rasvahappoja. Tästä aiheutuu kaksi tärkeää ominaisuutta: lipokaliinin ja lipidien välinen sidos määrää kyynelten pintajännitteen ja estää lisäksi lysotsyymin toiminnan estymisen pitkien rasvahappoketjujen muodostumisen seurauksena. Tämä tehostaa välillisesti pieneliöitä tuhoavaa toimintaa kyynelkalvolla. Laktoferriini voi sitoutua sekä gram-positiivisiin että gram-negatiivisiin bakteerikalvoihin ja estää erilaisten bakteerien kasvun seuraavat mukaan lukien: kolibakteeri, hemofilus sekä streptokokki-, stafylokokki- ja pseudomonas-bakteerilajit. Laktoferriinin ja lysotsyymin yhteistoiminnasta on lisäksi jonkin verran todisteita. Esimerkiksi Staphylococcus epidermidis on altis laktoferriinille vain, jos ympäristössä on lysotsyymiä. Laktoferriinin tehoa pieneliöiden tuhoamisessa voimistaa sen kyky sitoutua vapaaseen rautaan kyynelkalvolla. Bakteerien kasvuaan varten tarvitsemaa rautaa on siten vähemmän saatavilla. Lysotsyymi, lipokaliini ja laktoferriini vastaavat kyynelfilmin taustalla toimivista eli luontaisista puolustusmekanismeista, kun taas siga on tärkeä tekijä adaptiivisen vastejärjestelmän toiminnassa. Se suojaa silmää estämällä bakteereja kiinnittymästä silmän pintaan ja mahdollistamalla niiden tuhoamisen. Piilolinssimateriaalit ja proteiinit Kyynelfilmin proteiinit kerrostuvat nopeasti piilolinssin pinnalle (ja materiaaliin) käytön aikana. Se vie ehkä vain tunteja. 6 Kerrostuminen vaihtelee materiaalin tyypin mukaan: metakryylihappoa sisältävät ioniset linssit vetävät puoleensa muita materiaaleja, kuten n-vinyyli-pyrrolidonia sisältäviä ei-ionisia linssejä, huomattavasti runsaammin proteiineja. 7 Lysotsyymi on positiivisesti varautunut, minkä vuoksi eräät negatiivisesti varautuneet materiaalit vetävät sitä erityisen voimakkaasti puoleensa. Kliinisestä näkökulmasta tarkasteltuna proteiinien kiinnittymistä pehmeiden piilolinssien pinnalle ja piilolinssimateriaaliin pidetään yleisesti haitallisena. Proteiinien, jotka tuhoavat pienieliöitä, kerääntymistä piilolinsseihin voidaan kuitenkin pitää myös suotavana. Hypoteesia tukee käytettyihin ja käyttämättömiin piilolins-

4 seihin kiinnittyvien bakteerin määrä: elinkelpoisten gram-negatiivisten bakteerien määrä on käytetyissä linsseissä pienempi kuin uusissa, käyttämättömissä linsseissä. 8 Tästä voi olla kliinistä etua, vaikka tällaisten bakteerien tiedetään voivan aiheuttaa myös haitallisia vaikutuksia linssien käytön aikana. Denaturaatio muuttaa proteiinien käyttäytymistä, minkä perusteella proteiinikerrostumia sisältävien piilolinssien mahdolliset suojaavat ominaisuudet ovat ehkä yhteydessä kyynelfilmin proteiinien tilaan. Esimerkiksi lysotsyymin denaturaatio vähentää sen bakteereja tuhoavaa toimintaa. 9 Silmäkalvon papillaarisilla tulehduksilla on yhteys denaturoituneiden proteiinien määrään 4. Esimerkiksi alentuneen käyttömukavuuden 2 ja heikentyneen näöntarkkuuden 3 kaltaisilla muilla kielteisillä reaktioilla voi myös olla yhteys proteiinien denaturoitumisasteeseen. Näiden vaikutussuhteiden syvälliseen ymmärtämiseen vaaditaan lisätutkimuksia. Useissa tutkimuksissa on tutkittu proteiinien ja piilolinssimateriaalien välistä suhdetta. Etafilcon-linsseissä lysotsyymipitoisuus on käytön jälkeen suhteellisen suuri (1 mg/linssi) verrattuna balafilconlinsseihin (10 µg/linssi) ja lotrafilcon-linsseihin (2 µg/linssi). 10 Denaturaatioaste vaihtelee eri linssityyppien välillä: lotrafilcon-materiaaliin sitoutuneiden proteiinien denaturoitumisaste on 80 %, balafilcon-materiaaliin 50 % ja etafilcon-materiaaliin 22 %. Kokonaismäärä HEL (µg/linssi) Suwala et al 11 tutkivat kerrostuneen lysotsyymin määrää ja sen denaturaatioastetta useissa materiaaleissa, joita käytetään pehmeissä piilolinsseissä. He havaitsivat, että toimintataso vaihtelee suuresti (Kuva 1: Pehmeän linssin kerrostumat (Kuva: Bausch & Lomb:n kuvakirjasto) Kuva a ja 2b). Myös muut tutkijat ovat todenneet raporteissaan, että lysotsyymi denaturoituu pehmeiden piilolinssien käytön aikana AA AO AV2 FND O2 PC PV Kuva 2a Lysotsyymin kokonaismäärä erilaisilla piilolinssimateriaaleilla % Toiminta AA AO AV2 FND O2 PC PV Kuva 2b Denaturoituneen lysotsyymin mittaustulokset (toiminta vähenee denaturaatioasteen suuretessa) erilaisilla piilolinssimateriaaleillal 11 Lyhenteet: AA Acuvue Advance, AO Acuvue Oasys, AV2 Acuvue 2 FND Focus Night & Day, O2 Air Optix, PC Proclear, PV PureVision

5 Piilolinssinesteet ja proteiinit Proteiinien ja linssimateriaalien väliseen suhteeseen verrattuna proteiinien vuorovaikutusta piilolinssinesteiden kanssa on tutkittu vähän. Yhden tutkimuksen mukaan piilolinsseistä poistui ilman pintapuhdistuksen tekemistä enemmän proteiineja, kun ne puhdistettiin OptiFree Express -hoitonesteellä verrattuna ReNu MultiPlus- tai SOLO-care Plus -nesteisiin. 13 Eräät tutkijat tutkivat proteiineja keräämällä ensin kyynelnäytteitä piilolinssien käyttäjiltä, jotka käyttivät erilaisia linssinhoitotuotteita. 14 He totesivat, että joitakin tiettyjä hoitotuotteita käyttävien proteiinikuviot muistuttavat hieman enemmän sellaisten henkilöiden proteiinikuvioita, jotka eivät käytä ollenkaan piilolinssejä. Tuoreen tutkimuksen mukaan OptiFree Express poisti eniten proteiineja (verrattuna ReNu with MoistureLoc-, Complete MoisturePlus- ja AQuify-nesteeseen) ja että tulokset vaihtelivat piilolinssimateriaalin perusteella. 15 Poistetut proteiinit vaihtelivat myös nesteen tyypin ja linssin materiaalin perusteella. Tällä hetkellä käytettävissä on vain vähän kirjallisia lähteitä, joissa tarkastellaan kyynelfilmin proteiinien konformaatiotilaa suhteessa piilolinssinesteisiin. Jatkotutkimuksissa tutkitaan, vaihteleeko eri piilolinssinesteiden kyky vähentää proteiinien denaturaatiota, ja arvioidaan tällaisen eron kliininen merkitys. Johtopäätökset Kyynelfilmin proteiineilla on tärkeä fysiologinen tehtävä. Proteiinien mahdollinen denaturaatio piilolinssien pinnalla ja piilolinssinesteiden vaikutuksesta on yhteydessä joihinkin piilolinssien käytön haittavaikutuksiin. Kyynelkalvon proteiinien, pehmeiden piilolinssien ja piilolinssinesteiden välisten vuorovaikutussuhteiden entistä parempi tuntemus voi toimia pontimena uusille strategioille, joiden tarkoituksena on vähentää haitallisia ilmiöitä ja ylläpitää tai tehostaa luontaista pieneliöiden tuhoamistoimintaa kyynelkalvolla.

6 Kirjallisuus 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 Tri Philip Morgan on vanhempi optometrian lehtori ja Eurolens Research -hankkeen johtaja Manchesterin yliopistossa Isossa-Britanniassa. Tri Curtis Dobson on vanhempi tutkija samassa laitoksessa ja antimikrobiaalisten tekniikoiden alalla toimivan Ai2 Limited -yhtiön pääjohtaja.