Proteiner i tårfilm, mjuka kontaktlinser och linsvätskor

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 obehag2, försämrad syn3 och inflammatoriska reaktioner som
papillär konjunktivit4 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.
© Bausch & Lomb Incorporated.
®/TM denote trademarks of Bausch & Lomb Incorporated.
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 protein­
denaturering 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)
Koncentration
(mg ml-1)
Lysozym
14 000
2,07
Lipokalin
17 500
1,55
Laktoferrin
90 000
1,65
Sekretoriskt IgA 385 000
1,93
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-
© Bausch & Lomb Incorporated.
®/TM denote trademarks of Bausch & Lomb Incorporated.
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 timmar6. 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-vinylpyrrolidon7. 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 linser8. Detta kan vara en klinisk fördel med tanke på dessa
bakteriers förmåga att orsaka biverkningar vid linsbärande.
© Bausch & Lomb Incorporated.
®/TM denote trademarks of Bausch & Lomb Incorporated.
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 verkan9. Papillär konjunktivit associeras med förekomsten av denaturerade proteiner4. Andra negativa reaktioner på kontaktlinsbärande, som minskad komfort2 och försämrad syn3 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.
10000
Total HEL (µg/lins)
Suwala et al11 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
kontaktlinsbärande12.
1000
100
10
1
AA
AO
AV2
FND
O2
PC
PV
Figur 2a Total mängd lysozym i olika kontaktlinsmaterial11
100
90
80
% Aktivitet
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
Plus13. Andra forskare undersökte urvalet av
tårproteiner i tårar som samlats in från kontaktlinsbärare som använde sig av en rad
olika linsvätskor14. De kom fram till att prote-
70
60
50
40
30
20
AA
AO
AV2
FND
O2
PC
PV
Figure 2b Mängd denaturerat lysozym (mindre aktivitet
innebär högre nivåer av denaturering) i olika kontaktlinsmaterial11
Förklaring: AA Acuvue Advance, AO Acuvue Oasys, AV2 Acuvue 2
FND Focus Night & Day, O2 Air Optix, PC Proclear, PV PureVision
© Bausch & Lomb Incorporated.
®/TM denote trademarks of Bausch & Lomb Incorporated.
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 kontaktlinsmaterialet15. 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.
© Bausch & Lomb Incorporated.
®/TM denote trademarks of Bausch & Lomb Incorporated.
Referenser
1. Eriksen S. Cleaning hydrophilic contact lenses: an overview. Annal Ophthalmol 1975; 7: 1223-6, 1229-32.
2. 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: 16-21.
3. Gellatly KW, Brennan NA and Efron N. Visual decrement with deposit accumulation of HEMA contact lenses. Am J
Optom Physiol Opt 1988; 65: 937-941.
4. Skotnitsky C, Sankaridurg PR, Sweeney DF and Holden BA. General and local contact lens induced papillary conjunctivitis (CLPC). Clin Exp Optom 2002; 85: 3 193-197.
5. Tiffany J. The normal tear film. Dev Ophthalmol 2008; 41: 1-20.
6. 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: 503-510.
7. Garrett Q, Laycock B and Garrett RW. Hydrogel lens monomer constituents modulate protein sorption. Invest Ophthalmol Vis Sci 2000; 41: 1687-1695.
8. 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: 227-235.
9. 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: 339-344.
10. 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: 25-36.
11. 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: 138-143.
12. Mannucci LL, Moro F, Cosani A and Palumbo M. Conformational state of lacrimal proteins adsorbed on contact lenses. Curr Eye Res 1985; 4: 734-736.
13. 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: 468-470.
14. 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: 103-112.
15. Emch AJ and Nichols JJ. Proteins identified from care solution extractions of silicone hydrogels. Optom Vis Sci 2009;
86:2 E123-31.
•
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.
© Bausch & Lomb Incorporated.
®/TM denote trademarks of Bausch & Lomb Incorporated.