Method Article
Les modèles actuels in vitro pour l' évaluation des lentilles de contact (Cls) et d' autres applications liés aux yeux sont très limitées. La plate-forme oculaire présenté simule l'écoulement physiologique de la déchirure, le volume larme, exposition à l'air et à l'usure mécanique. Ce système est très polyvalent et peut être appliquée à diverses analyses in vitro avec NFT.
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.
Deux domaines importants d'intérêt dans le domaine des lentilles de contact (CL) comprennent l'inconfort et le développement de nouvelles applications de CL. Élucider les mécanismes sous - jacents CL inconfort est une question qui a échappé le domaine depuis des décennies. 8 Le développement de nouveaux CLs fonctionnels, tels que les dispositifs d' administration de médicaments 1,3,9 et biocapteurs, 10-12 est un domaine d'intérêt croissant, avec des marchés potentiels importants. Dans les deux cas, un système sophistiqué dans le modèle in vitro pourrait fournir des informations pertinentes pour aider à la sélection appropriée des matériaux de lentilles ou des caractéristiques de conception lors de la phase de développement. Malheureusement, le courant des modèles in vitro pour évaluer CLs et d' autres applications oculaires liées sont relativement brut et sophistiqué. Traditionnellement, les études in vitro CL évaluant le dépôt du film lacrymal ou la délivrance de médicaments sont effectuées dans des flacons statiques, les grands volumes de fluide contenant un volume fixe, qui greadépasse tly quantités physiologiques. En outre, ce modèle simple n'a pas la composante de flux lacrymal naturel et le réflexe de clignement, qui sont tous deux des facteurs de l'environnement oculaire déterminant.
Le développement d'un «modèle» sophistiqué, physiologiquement pertinente de l' œil , il faudra une approche multidisciplinaire et exigent substantielle validation in vivo. Pour ces raisons, le cadre fondamental pour notre modèle in vitro de l' œil est très polyvalent, de sorte que le modèle peut être continuellement amélioré grâce à des améliorations et des modulations futures. À ce jour, le modèle est capable de simuler le volume larme, flux lacrymal, l'usure mécanique et exposition à l'air. L'objectif est de créer un modèle in vitro qui fournira des résultats significatifs, qui est prédictive et complémentaire à in vivo et ex vivo observations.
Toutes les expériences ont été réalisées en conformité et le respect de toutes les directives pertinentes énoncées par l'Université de Waterloo le comité d'éthique de la recherche animale. Les yeux de l'espèce bovine sont généreusement offerts à partir d'un abattoir local.
1. Eye Model
2. Blink-plateforme
Les moules oculaires synthétisés obtenus à partir du magasin de machine et de l' impression 3D sont représentés sur la figure 1. Ces moules peuvent être utilisés avec une variété de polymères tels que le PDMS et d' agarose, pour produire des oculaires avec les propriétés souhaitées. L'assemblage fit signe de la plate - forme du modèle d'oeil avec une pompe à seringue microfluidique est représentée sur la figure 2. La plate - forme simule l' usure mécanique par la rotation de la pièce du globe oculaire, et l' exposition à l' air à travers la partie latérale et sortir le mouvement de la pièce paupière. le liquide lacrymal est infusé dans la paupière d'une pompe microfluidique au débit d'écoulement souhaité, et le fluide d'écoulement peut être recueillie dans une plaque à 12 puits.
La procédure pour la dissection d'une lentille de bovin, et le montage sur un oculaire PDMS est représenté sur la figure 3. Les tissus en excès sont séparés de l'oeil et mis au rebut, suivie de l'éliminationde la conjonctive. L'enlèvement de la cornée commence par une incision dans la sclère à proximité du limbe. La figure 4 montre la variété des oculaires qui peuvent être utilisés pour diverses analyses in vitro. Les morceaux de globe oculaire montés indiqués sont synthétisés à partir de PDMS, agar, et un ex-vivo bovine cornée montés sur un globe oculaire pièce PDMS.
La figure 5 représente une étude évaluant la libération d'un antibiotique, la moxifloxacine, du CCRS. 18 Lorsqu'ils sont mesurés dans le modèle de flacon traditionnel, la libération du médicament se produit dans les 2 premières heures suivie d'une phase de plateau. En revanche, le modèle de l' oeil roman montre la libération du médicament à être lente et durable pour un maximum de 24 heures. 18 Une étude évaluant le dépôt de cholestérol sur CCRS est représentée sur la figure 6. Le taux de cholestérol dans l'étude a été fluorescence marqué sous la forme de NBD -cholestérol (7-nitrobenz-2-oxa-1,3-diazole-4-yl-cholestérol) et dépoition a été imagée en utilisant le balayage laser microscopie confocale. Les résultats indiquent qu'il existe des différences importantes lorsque les études de dépôt sont réalisées dans un flacon par rapport au modèle d'oeil.
Figure 1. moules Oculaire. (A) Eyeball pièce de moule de l' atelier d'usinage. (B) Eye couvercle moule de l' impression 3-D. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.
Figure 2. Une plate - forme oculaire in vitro. (A) Le mouvement circulaire simule l' usure mécanique. (B) un mouvement latéral produit de l' air intermittentexposition. (C) de perfusion dans le liquide lacrymal de la paupière. (D) Collecte plaque de puits. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.
Figure 3. Dissection et l' incorporation de la cornée bovine. (A) Élimination des tissus en excès. (B) Retrait de la conjonctive. (C) Incision dans la région limbique. (D) La cornée excisée peut être stockée ou montée sur une boule d'oeil morceau PDMS. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.
Figure 4. Exemples oculaires. Exemple de pièce d'oeil PDMS avec une lentille de contact, une pièce d'oeil agar, et ex vivo bovin cornée oculaire monté. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.
Livraison Figure 5. Drug utilisant in vitro plateforme oculaire. La libération de moxifloxacine de quotidiens lentilles de contact jetables de (A) un grand flacon statique de volume et (B) le modèle de l' oeil (Re-print avec la permission de l'Association pour la recherche en vision et Ophtalmologie). 18 Toutes les données sont présentées sous forme de moyenne ± écart - type. S'il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de cette figure.
Il y a trois étapes critiques dans le protocole qui nécessitent une attention particulière: la conception et la production de moules (section 1.1), l'ensemble de la plate-forme (section 2.2.1-2.2.3), et le suivi de l'essai expérimental (section 2.2.4-2.2.7 ). En termes de conception et de production de moules (section 1.1), la pièce de globe oculaire doit être conçu selon les dimensions d'une cornée humaine. Cependant, il peut nécessiter plusieurs prototypes du moule avant une pièce de globe oculaire peut être créé qui correspond parfaitement à une lentille de contact commercial (CL). En outre, les 250 um doit être maintenue lorsque le globe oculaire et la paupière pièce sont en contact pour assurer le liquide lacrymal circule librement à travers le modèle de l'oeil entier lorsque CL est présent. Cette distance peut être modifiée dans les versions futures, mais ne devrait pas être inférieure à 150 um pour permettre suffisamment espacement pour adapter un CL. L'ensemble de la plate-forme (section 2.2.1-2.2.3) nécessite une attention particulière à ce que le globe oculaire et la paupière pièce entrent en contact pendant le mouvement de clignotement. Si les oculaires ne sont pas en contact parfait, alors la simulation d'une paupière fermée et frottement mécanique échoue. L'opérateur doit observer la plate-forme en mouvement pendant quelques cycles pour garantir que tant le globe oculaire et de la paupière sont en contact, et que le frottement se produit comme programmé. La plate-forme actuelle est conçu pour fonctionner en continu sur un mois, mais un opérateur doit toujours vérifier la stabilité du système toutes les 24 heures lors de l'exécution d'une expérience (section 2.2.4-2.2.7). Ceci est important car la plate-forme actuelle ne possède pas un contrôle de la température ou de l'humidité, et les fluctuations de ces paramètres pourrait tarir les CL. Si cela se produit, placer le modèle d'oeil à l'intérieur d'une chambre d'humidité et de température contrôlée. En outre, pour des expériences de délivrance de médicaments, le fluide d'écoulement collecté doit être analysé ou entreposé au moins toutes les 2 heures pour éviter l'évaporation importante de l'échantillon.
Il existe actuellement deux limites de la présentemodèle de l'œil. La première limite est en ce qui concerne l'exposition à l'environnement. Actuellement, parce que les pièces oculaires ne sont pas enfermés dans une chambre contrôlée, des changements tels que la température et l'humidité dans la zone de travail vont influencer divers aspects des expériences. Par exemple, si l'environnement est trop sec, les CLs sèchent plus rapidement et pourraient se séparer de la pièce du globe oculaire, ou le fluide d'écoulement pourraient s'évaporer. Pour résoudre ce problème, les futures itérations abritera le modèle de l'oeil dans une chambre à température et humidité contrôlées. La deuxième limite concerne la pièce complexité du globe oculaire. Actuellement, les oculaires sont simples, consistant en soit PDMS ou agarose, qui ne représente vraiment les propriétés de surface de la cornée. Les travaux futurs viseront à produire des modèles oculaires qui imite de plus près les structures de surface de la cornée.
In vitro la recherche oculaire est généralement considérée comme la phase de test précédent pour la recherche in vivo. cependant,il est important de garder à l' esprit que la recherche in vitro peut également être complémentaire aux données in vivo, en fournissant des renseignements cruciaux qui , autrement , ne peuvent pas être atteints de la seule études in vivo. Malheureusement, le courant des modèles in vitro pour CLs d'essai sont rudimentaires et manque plusieurs éléments clés pour imiter adéquatement l'environnement in vivo. Par exemple, les études in vitro CL sont réalisées dans des fioles contenant 2 à 5 ml de solution saline tamponnée au phosphate, 06.01 qui dépasse largement le volume de déchirement physiologique à 7,0 ± 2 pi. 7 De plus, deux facteurs importants de l'environnement oculaire, le flux lacrymal naturel et le réflexe de clignement, sont absents du modèle flacon statique simple. Les limites du modèle de flacon classique ont été reconnus par les chercheurs, et des tentatives ont été faites pour créer des modèles uniques dans l' oeil in vitro simulant l'environnement oculaire, en incluant un composant de remplissage d'arrachage 2 microfluidique0-24 et / ou exposition à l'air intermittent. 25,26 Sans surprise, les résultats obtenus à partir de ces expériences sont très différentes de celles obtenues avec le modèle de flacon classique, et peut ressembler davantage à des données in vivo. 20-25 Ainsi, le développement d' une complexes dans le modèle de l' oeil in vitro pour examiner CCRS fournir de nouvelles perspectives sur l'interaction des matériaux de lentille avec la surface oculaire, et aider à faciliter le développement de nouveaux matériaux et de nouvelles applications pour NFT dans les décennies à venir.
Sans doute, l' un des aspects les plus controversés du modèle in vitro de l' oeil est de savoir si l'oeil ressemble à un puits infini, ce qui est particulièrement important en ce qui concerne l' administration de médicaments en provenance de CLS. Dans des conditions de puits infini, le volume de la solution environnante est significativement plus élevé que le volume de saturation du médicament, de telle sorte que la libération du médicament ne soit pas affectée par la solubilité du médicament. 27 Les partisans de la fiole en tant que accemodèle oeil ptable soutiennent que la cornée, de la conjonctive, et entourant les tissus oculaires ensemble fonctionnent comme un puits infini. Bien qu'en théorie cela peut être vrai, le médicament doit d'abord se dissoudre dans le liquide lacrymal. Cette étape limitant la vitesse est probablement pas une condition de l'évier, et dépendra à la fois sur le volume et le débit de déchirure que simulée par notre modèle.
L'identité unique du modèle présenté réside dans sa capacité à imiter le film lacrymal. En adoptant une conception en deux parties, une section "cornéen / scléral" du globe oculaire et une "paupière", il est possible de créer une couche mince uniformément répartie du film lacrymal à travers la pièce du globe oculaire lorsque les deux pièces entrent en contact. Pour simuler davantage la surface oculaire, l'usure mécanique et exposition à l'air est incorporé dans le modèle à travers deux actionneurs mécaniques. Comme la pièce la paupière se déplace latéralement, il simule la fermeture de l'œil et de l'exposition de l'air intermittent. La rotation du globe oculaire simule l'usure mécanique produite during clignote. Le système est couplé à une pompe microfluidique, qui insuffle le modèle d'oeil avec le fluide lacrymal à un débit physiologique ou tout autre débit d'écoulement souhaité. Le film lacrymal est formé chaque fois que les deux pièces entrent en contact, et la déchirure rupture se produit lorsque les deux pièces séparées.
Le but est de créer une plate - forme de test universel pour évaluer CLs pour diverses analyses in vitro. Afin d'être polyvalents, les pièces du globe oculaire peuvent être synthétisés à partir de divers polymères, tels que le polydiméthylsiloxane (PDMS) ou d'agar-agar. Pour les études oculaires simples, ces polymères, qui représentent des surfaces hydrophobes et hydrophiles, respectivement, suffisent. Cependant, des analyses plus complexes sont nécessaires, par exemple des études de pénétration oculaire du médicament ou de toxicité, les morceaux oculaires doivent encore être modifié. Ces modifications supplémentaires apportées au modèle, tels que l'inclusion d'une cornée ex vivo , comme indiqué, sont relativement réalisables. Cependant, d'autres études de validationsont nécessaires, et les travaux futurs viseront à améliorer la validité de ce modèle en le comparant avec des modèles in vivo.
Les auteurs ont rien à révéler.
Les auteurs tiennent à remercier notre source de financement du CRSNG 20/20 Réseau pour le développement d'Advanced Materials ophtalmiques.
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 |
Demande d’autorisation pour utiliser le texte ou les figures de cet article JoVE
Demande d’autorisationThis article has been published
Video Coming Soon