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Los modelos actuales in vitro para la evaluación de las lentes de contacto (CLS) y otras aplicaciones relacionadas con el ojo son muy limitadas. La plataforma ocular presentado simula fisiológica flujo lagrimal, volumen de lágrimas, la exposición al aire y el desgaste mecánico. Este sistema es muy versátil y se puede aplicar a diversos análisis in vitro con CLS.
Currently, in vitro evaluations of contact lenses (CLs) for drug delivery are typically performed in large volume vials,1-6 which fail to mimic physiological tear volumes.7 The traditional model also lacks the natural tear flow component and the blinking reflex, both of which are defining factors of the ocular environment. The development of a novel model is described in this study, which consists of a unique 2-piece design, eyeball and eyelid piece, capable of mimicking physiological tear volume. The models are created from 3-D printed molds (Polytetrafluoroethylene or Teflon molds), which can be used to generate eye models from various polymers, such as polydimethylsiloxane (PDMS) and agar. Further modifications to the eye pieces, such as the integration of an explanted human or animal cornea or human corneal construct, will permit for more complex in vitro ocular studies. A commercial microfluidic syringe pump is integrated with the platform to emulate physiological tear secretion. Air exposure and mechanical wear are achieved using two mechanical actuators, of which one moves the eyelid piece laterally, and the other moves the eyeballeyepiece circularly. The model has been used to evaluate CLs for drug delivery and deposition of tear components on CLs.
Dos importantes áreas de interés dentro de la arena de lentes de contacto (CL) incluyen malestar y el desarrollo de nuevas aplicaciones CL. Elucidar los mecanismos subyacentes CL malestar es un tema que ha eludido el campo durante décadas. 8 El desarrollo de la novela, CL funcionales, tales como dispositivos de liberación de fármacos 1,3,9 y biosensores, 10-12 es un área de creciente interés, con los mercados potenciales sustanciales. En ambas circunstancias, un sofisticado modelo in vitro podría proporcionar información relevante para ayudar en la selección de materiales de lentes o características de diseño apropiado durante la fase de desarrollo. Por desgracia, la corriente en modelos in vitro para la evaluación de las NFT y otras aplicaciones relacionadas con el ojo son relativamente crudo y poco sofisticado. Tradicionalmente, se llevan a cabo en los estudios in vitro que evalúan CL deposición de la película lagrimal o la administración de fármacos en viales de volumen estáticas, grandes que contienen un volumen de fluido fijo, que GREAtly excede cantidades fisiológicas. Además, este modelo simple no tiene la componente de flujo de lágrima natural y el reflejo del parpadeo, ambos de los cuales son la definición de factores del entorno ocular.
El desarrollo de un "modelo" sofisticado, fisiológicamente relevante ojo requerirá un enfoque multidisciplinar y requieren sustancial en la validación in vivo. Por estas razones, el marco fundamental para nuestro modelo de ojo in vitro es altamente versátil, de tal manera que el modelo puede ser mejorado continuamente a través de las actualizaciones futuras y modulaciones. Hasta la fecha, el modelo es capaz de simular el volumen de lágrimas, el flujo de lágrimas, desgaste mecánico y la exposición al aire. El objetivo es crear un modelo in vitro que proporcionará resultados significativos, que es predictivo y conexión a in vivo y ex vivo observaciones.
Todos los experimentos se realizaron de acuerdo y cumpliendo con todas las directrices pertinentes señalados por la Universidad de Waterloo comité de ética de la investigación con animales. Los ojos bovinos son donados generosamente de un matadero local.
1. Modelo de ojos
2. Blink-plataforma
Los moldes ojo sintetizados obtenidos a partir de la tienda de la máquina y de la impresión 3-D se muestran en la Figura 1. Estos moldes se pueden utilizar con una variedad de polímeros, tales como PDMS y agarosa, para producir los oculares con las propiedades deseadas. El conjunto de señas de la plataforma de modelo de ojo con una bomba de jeringa de microfluidos se muestra en la Figura 2. La plataforma simula el desgaste mecánico a través de la rotación de la pieza de globo ocular, y la exposición al aire a través del lateral de entrada y salida de movimiento de la pieza de párpados. líquido lagrimal se infunde en el párpado desde una bomba de microfluidos en el caudal deseado, y el fluido de flujo a través se puede recoger en una placa de 12 pocillos.
El procedimiento para la disección de una lente de bovino, y el montaje en un ocular de PDMS se representa en la Figura 3. El exceso de tejidos se separan del ojo y se descartan, seguido por la eliminaciónde la conjuntiva. La eliminación de la córnea comienza con una incisión en la esclerótica cerca del limbo. La Figura 4 muestra la variedad de oculares que podría ser utilizado para diversos análisis in vitro. Las piezas del globo ocular montados mostrados son sintetizados a partir de PDMS, agar, y una córnea bovina ex-vivo montados en una pieza globo ocular PDMS.
La Figura 5 representa un estudio de evaluación de la liberación de un antibiótico, moxifloxacina, de Cs. 18 Cuando se mide en el modelo vial tradicional, la liberación del fármaco se produce dentro de la primera 2 h seguido por una fase de meseta. Por el contrario, el nuevo modelo de ojo muestra la liberación del fármaco a ser lento y sostenible durante un máximo de 24 h. 18 Un estudio de evaluación de la deposición de colesterol en la CL se muestra en la Figura 6. El colesterol en el estudio fue etiquetado con fluorescencia en forma de NBD -colesterol (7-nitrobenz-2-oxa-1,3-diazol-4-il-colesterol), y DEPOSition fue fotografiada usando escaneo láser microscopía confocal. Los resultados indican que existen diferencias sustanciales cuando se llevan a cabo los estudios de deposición en un vial en comparación con el modelo de ojo.
Figura 1. Los moldes ocular. (A) del globo del ojo pieza de molde de taller de máquinas. (B) del ojo del molde de la tapa de impresión 3-D. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 2. Una plataforma ocular in vitro. (A) El movimiento circular simula el desgaste mecánico. (B) el movimiento lateral produce aire intermitenteexposición. (C) de infusión de líquido lacrimógeno dentro del párpado. (D) El cobro de la placa también. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 3. La disección y la incorporación de córnea bovina. (A) La eliminación del exceso de tejido. (B) La eliminación de la conjuntiva. (C) de la incisión en la región limbo. (D) La córnea puede ser extirpado almacena o se monta en un pedazo bola del ojo PDMS. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 4. Muestra oculares. Muestra de ocular PDMS con una lente de contacto, una pieza ocular agar, y ex vivo córnea bovina ocular montado. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 5. El suministro de fármacos in vitro usando la plataforma ocular en. La liberación de moxifloxacina de lentes de contacto desechables diarias a partir de (A) un gran volumen vial estática y (B) el modelo de ojo (Re-imprimir con permiso de la Asociación para la Investigación en Visión y Oftalmología). 18 Todos los datos se presentan como media ± desviación estándar. Por favor, haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Hay tres pasos críticos dentro del protocolo que requieren una atención especial: diseño y producción de moldes (sección 1.1), conjunto de plataforma (sección 2.2.1-2.2.3), y el seguimiento de la ejecución experimental (sección 2.2.4-2.2.7 ). En términos del diseño y la producción de moldes (sección 1.1), la pieza de globo ocular debe ser diseñado de acuerdo con las dimensiones de una córnea humana. Sin embargo, se puede requerir múltiples prototipos del molde antes de una pieza globo ocular puede ser creado que se ajusta perfectamente una lente de contacto comercial (CL). Además, las 250 micras debe mantenerse cuando el globo ocular y el párpado pieza están en contacto para asegurar el fluido lagrimal fluye suavemente a través de todo el modelo de ojo cuando un CL está presente. Esta distancia podría ser cambiado en futuras versiones, pero no debe ser inferior a 150 micras para permitir la suficiente separación para adaptarse a una CL. El conjunto de plataforma (sección 2.2.1-2.2.3) requiere una cuidadosa atención de tal manera que el globo ocular y el párpado pieza entran en contact durante el movimiento de abrir y cerrar. Si los oculares no están en contacto perfecto, entonces simulación de un párpado cerrado y fricción mecánica falla. El operador debe observar la plataforma en movimiento durante algunos ciclos para asegurar que tanto el globo ocular y el párpado están en contacto, y que roce se produce según lo programado. La plataforma actual está diseñado para funcionar continuamente durante un mes, pero un operador siempre debe comprobar la estabilidad del sistema cada 24 horas cuando se ejecuta un experimento (sección 2.2.4-2.2.7). Esto es importante ya que la plataforma actual no posee un control de temperatura o humedad, y las fluctuaciones en estos parámetros podría secarse el CLS. Si esto ocurre, coloque el modelo de ojo en una cámara de humedad y temperatura controlada. Además, para los experimentos de administración de fármacos, el fluido de flujo a través recogido debe ser analizado o almacena al menos cada 2 horas para evitar la evaporación significativa de la muestra.
Actualmente existen dos limitaciones de la presentadamodelo de ojo. La primera limitación es en lo que respecta a la exposición al ambiente circundante. Actualmente, debido a que las piezas de ojo no están encerrados en una cámara controlada, cambios tales como la temperatura y la humedad en el área de trabajo influirán en varios aspectos de los experimentos. Por ejemplo, si el ambiente es demasiado seco, a continuación, el CLS se secan más rápido y podrían separarse de la pieza globo ocular, o el fluido de flujo continuo podrían evaporarse. Para abordar este problema, las futuras iteraciones albergarán el modelo de ojo en una cámara de temperatura y humedad controladas. La segunda limitación se refiere a la pieza complejidad globo ocular. En la actualidad, los oculares son simples, consistentes en PDMS o agarosa, ninguno de los cuales representa verdaderamente propiedades de la superficie de la córnea. El trabajo futuro se tratará de producir modelos de ojo que imita a estrechar las estructuras de la superficie de la córnea.
In vitro la investigación ocular es generalmente visto como la fase de prueba que precede a la investigación in vivo. Sin embargo,es importante tener en cuenta que la investigación in vitro también puede ser complementario a los datos in vivo, proporcionando una perspectiva crítica que de otra manera no se puede lograr a partir de estudios in vivo solo. Lamentablemente, la corriente de modelos in vitro CLS pruebas son rudimentarios y carecen de varios componentes clave para imitar adecuadamente el ambiente in vivo. Por ejemplo, en estudios in vitro CL se llevan a cabo en viales que contienen 2-5 ml de solución salina tamponada con fosfato, 1-6 que excede en gran medida el volumen de lágrimas fisiológica a 7,0 ± 2 l. 7 Por otra parte, dos factores importantes del entorno ocular, el flujo natural de lágrimas y el reflejo del parpadeo, están ausentes en el modelo simple vial estática. Las limitaciones del modelo vial convencional han sido reconocidos por los investigadores, y se han hecho intentos para crear único en modelos de ojo vitro que simulan el entorno ocular, mediante la inclusión de un componente de reposición lágrima microfluidos 20-24 y / o la exposición al aire intermitente 25,26. No es sorprendente que los resultados generados a partir de estos experimentos son muy diferentes que los obtenidos con el modelo vial convencional, y puede parecerse más a los datos in vivo. 20-25 Por lo tanto, el desarrollo de una intrincados en el modelo de ojo vitro para examinar CLS proporcionar nuevos conocimientos sobre la interacción de los materiales de la lente con la superficie ocular, y ayudar a facilitar el desarrollo de nuevos materiales y nuevas aplicaciones para NFT en las próximas décadas.
Podría decirse que uno de los aspectos más debatidos del modelo de ojo in vitro es si el ojo se asemeja a un sumidero infinito, lo cual es especialmente importante cuando se trata de la administración de fármacos a partir de Cs. En condiciones de inmersión infinitas, el volumen de la solución circundante es significativamente mayor que el volumen de saturación de drogas, de manera que la liberación del fármaco no se ve afectada por la solubilidad de la droga. 27 Los defensores del vial como un accemodelo de ojo ptable argumentan que la córnea, la conjuntiva, y los tejidos circundantes oculares juntos funcionan como un sumidero infinito. Aunque en teoría esto puede ser cierto, el fármaco debe disolverse en primer lugar en el fluido lagrimal. Este paso limitante de la velocidad probable es que no es una condición fregadero, y dependerá de tanto volumen de lágrimas y el flujo como simulado por nuestro modelo.
La identidad única del modelo presentado reside en su capacidad para emular la película lagrimal. Al adoptar un diseño de dos piezas, una sección globo ocular "de la córnea / esclerótica" y un "párpado", es posible crear una capa delgada uniformemente repartidas de la película lagrimal a través de la pieza globo ocular cuando ambas piezas entran en contacto. Para simular aún más la superficie ocular, el desgaste mecánico y la exposición al aire se incorpora en el modelo a través de dos actuadores mecánicos. Como la pieza párpado se desplaza lateralmente, que simula el cierre del ojo y la exposición al aire intermitente. La rotación del globo ocular simula el desgaste mecánico producido during parpadear. El sistema está acoplado con una bomba de microfluidos, que infunde el modelo de ojo con el fluido lagrimal, a un caudal fisiológica o cualquier otra velocidad de flujo deseada. La película lagrimal se forma cada vez que las dos piezas se ponen en contacto, y la rotura lagrimal se produce cuando las dos piezas separadas.
El objetivo es crear una plataforma universal de ensayos para evaluar CLs para diversos análisis in vitro. Con el fin de ser versátil, las piezas del globo ocular se pueden sintetizar a partir de diversos polímeros, tales como polidimetilsiloxano (PDMS) o agar. Para los estudios oculares simples, estos polímeros, que representan superficies hidrófobas e hidrófilas, respectivamente, serán suficientes. Sin embargo, ya que se requieren análisis más complejos, por ejemplo, estudios de penetración de fármacos oculares o de toxicidad, tendrá que ser modificado aún más las piezas de ojo. Estas modificaciones adicionales al modelo, como la inclusión de una córnea ex vivo como se muestra, son relativamente factible. Sin embargo, estudios adicionales de validaciónse requiere, y el trabajo futuro tendrá como objetivo mejorar la validez de este modelo comparándolo con modelos in vivo.
Los autores no tienen nada que revelar.
Los autores desean reconocer nuestra fuente de financiación CRSNG 20/20 Red para el Desarrollo de Materiales Avanzados oftálmicos.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Arduino Uno R3 (Atmega328 - assembled) | Adafruit | 50 | Board |
Stepper motor | Adafruit | 324 | Motor and Motor shield |
Equal Leg Coupler 1.6mm 1/16" | VWR | CA11009-280 | 50 pcs of tube connector |
Tubing PT/SIL 1/16"x1/8" | VWR | 16211-316 | Case of 50feet |
PDMS | Dow Corning | Sylgard 184 Solar Cell Encapsulation | |
Agarose, Type 1-A, low EEO | Sigma-Aldrich | A0169-25G | |
PHD UltraTM | Harvard Apparatus | 703006 | MicroFluidic Pump |
Bovine cornea | Cargill, Guelph/ON | ||
Soldidworks | Dassault Systemes | Software | |
3-D printing | University of Waterloo - 3D Print Centre | ||
Dissection tools | Fine Science Tools | General dissection tools | |
Medium 199 | Sigma-Aldrich | Culture medium storage for cornea | |
Fetal bovine serum | Thermo Fisher | Add to culture medium, 3% total volume |
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