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콘택트 렌즈 CLS () 및 기타 눈 관련 응용 프로그램을 평가하는 현재 시험관 모델은 심각하게 제한됩니다. 제시된 안 플랫폼은 생리적 눈물 흐름, 눈물 양, 공기 노출과 기계적 마모를 시뮬레이션합니다. 이 시스템은 매우 다목적이고 CL에서 분석하여 시험 관내에서 다양한 적용 할 수있다.
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.
콘택트 렌즈 (CL) 내의 관심 분야의 두 가지 중요한 부분이 불편 CL 및 신규 애플리케이션의 개발을 포함한다. CL의 불편 함을 기본 메커니즘을 해명하는 것은 수십 년 동안 필드를 회피 한 문제입니다. 8 소설의 개발은 이러한 약물 전달 장치 1,3,9 및 바이오 센서 등의 기능 CL에서, 10-12 성장 관심의 영역입니다, 상당한 잠재 시장과. 두 경우에, 시험 관내 모델에서 정교한는 개발 단계에서 렌즈 재료 및 디자인 특성 적절한 선택을 지원하기 위해 적절한 정보를 제공 할 것이다. 불행하게도, CL에서 다른 눈 관련 응용 프로그램을 평가하기위한 시험 관내 모델에 전류가 상대적으로 원유와 단순한입니다. 전통적으로, 눈물 성막 또는 약물 전달을 평가하는 시험 관내 연구 CL은 고정 된 부피의 유체를 포함하는 정적 대량 튜브에서 수행되는 GREATLY 생리 양을 초과합니다. 또한,이 단순한 모델은 천연 눈물 흐름 성분과 안구 환경 인자를 정의하는 둘 점멸 반사를 없다.
정교한, 생리 학적으로 중요한 눈 "모델"의 개발은 멀티 - 징계 접근 방식을 필요로하고 생체 검증에 상당한 필요합니다. 이러한 이유로, 우리의 생체 외 눈 모델에 대한 기본 골격 모델이 차후의 업그레이드 및 변조를 통해 개선 될 수있는, 범용성이 높은 것이다. 최신 모델은 눈물 양, 눈물 흐름의 기계적 마모 및 대기에의 노출을 시뮬레이션 할 수있다. 목표는 생체 내 및 생체 관측에 예측하고 무료로 의미있는 결과를 제공 할 것 체외 모델을 만드는 것입니다.
모든 실험은 대학의 워털루의 동물 연구 윤리위원회에 의해 설명 된 모든 관련 지침에 따라 준수에 완료되었다. 소 눈이 넉넉한 지역 도살장에서 기증된다.
1. 아이 모델
2. 깜박임 플랫폼
기계 숍에서 3-D 인쇄에서 얻어진 합성 눈 금형은도 1에 나타내었다. 이들 주형은 원하는 특성으로 접안 렌즈를 생산하기 위해, 아가 로스 PDMS와 같은 중합체의 다양한 이용 될 수있다. 미세 유체 주사기 펌프로 눈 모델 플랫폼의 손짓 조립체는도 2에 도시된다.이 플랫폼과 눈꺼풀 피스의 움직임 아웃 횡 통해 안구 부재의 회전, 대기에의 노출을 통해 기계적 마모를 시뮬레이션한다. 누액 원하는 유량 미세 유체 펌프로부터 눈꺼풀에 주입되고, 관류 액은 12 웰 플레이트에서 수집 될 수있다.
소의 렌즈의 절개 및 PDMS 접안 렌즈에 장착하는 절차는도 3에 도시되어있다. 과량의 조직이 눈으로부터 분리 및 폐기는 제거하여결막의. 각막의 제거는 윤부 근처의 공막 절개에 시작된다. (4) 분석 시험 관내에서 다양한 사용될 수 아이피스의 다양성을 나타낸다. 표시된 장착 안구 조각 PDMS, 한천에서 합성 및 전 생체 소 각막은 PDMS의 안구 부분에 장착.
그림 5는 CL에서의 항생제, 목시 플록 사신의 방출을 평가하는 연구를 보여줍니다. 18 기존의 유리 병 모델에서 측정 할 때, 약물 방출은 고원 단계 다음에 첫번째 2 시간 이내에 발생합니다. 대조적으로, 새로운 눈 모델은 최대 24 시간. 18 CL에서의 콜레스테롤의 침착을 평가 한 연구는 그림 6에 표시됩니다에 대한 약물 방출 속도가 느린와 지속 가능을 보여줍니다.이 연구에서 콜레스테롤 형광 NBD의 형태로 태그되었습니다 - 콜레스테롤 (7-nitrobenz-2 옥사 -1,3- diazol -4- 일 - 콜레스테롤) 및 deposition은 레이저 스캐닝 공 초점 현미경을 사용하여 영상화 하였다. 결과는 증착 과정은 바이알에서 수행 될 때 눈 모델과 비교하여 상당한 차이가있는 것을 나타낸다.
그림 1. 접안 렌즈 금형. (A) 기계 공장에서 안구 조각 금형. 3-D 인쇄에서 (B) 아이 뚜껑 금형. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 2. 체외 안구 플랫폼입니다. (A) 원형 운동은 기계적 마모를 시뮬레이션합니다. (B)의 횡 방향 운동 간헐적 공기 생산노출. (C) 눈꺼풀에 눈물 유체 주입. (D) 웰 플레이트를 수집. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 3. 해부 및 소 각막의 설립. 초과 조직의 (A) 제거. 결막의 (B)를 제거. 윤부 영역으로 (C) 절개. (D) 그 절제 각막 저장 또는 PDMS 눈에 볼 조각에 장착 할 수 있습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 4. 샘플 접안 렌즈. 콘택트 렌즈, 한천 눈 조각과 함께 PDMS 눈 조각의 샘플 생체 소 각막 장착 된 눈 조각. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
체외 안구 플랫폼을 사용하여 그림 5. 약물 전달.에서 매일 일회용 콘택트 렌즈에서 목시 플록 사신의 릴리스 (A) 많은 양의 정적 유리 병 (B) 눈 모델 비전 연구 협회의 허가와 (재 인쇄 및 안과). 모든 데이터는 평균 ± 표준 편차로보고됩니다 (18). 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
거기에 특별한주의를 필요로하는 프로토콜 내에서 세 가지 중요한 단계는 다음과 같습니다 설계 및 금형 생산 (섹션 1.1), 플랫폼 어셈블리 (제 2.2.1-2.2.3)을하고, 실험 실행을 감시 (제 2.2.4-2.2.7 ). 설계 및 금형 (1.1 절)의 제조의 측면에서, 안구 부분은 인간 각막의 크기에 따라 설계되어야한다. 그러나, 완벽한 시판 콘택트 렌즈 (CL)에 맞는 생성 될 수있는 안구 편 전에 몰드의 복수의 원형을 요구할 수있다. 안구 및 눈꺼풀 부분이 CL이 존재하는 경우 누액 전체 눈 모델에 걸쳐 원활하게 유입되도록 접촉하는 경우 또한, 250 ㎛의 요구가 유지되어야한다. 이 거리는 미래의 반복에서 변경 될 수 있지만 미만 150 μm의는 CL에 맞게 충분한 공간을 허용해서는 안됩니다. 플랫폼 어셈블리 (제 2.2.1-2.2.3)는 안구와 눈꺼풀 조각 접점에 와서 않도록 세심한주의가 필요합니다점멸 동작시 중부 표준시. 접안 렌즈는 완벽한 접촉하지 않는 경우, 닫힌 눈꺼풀의 시뮬레이션 및 기계적 마찰이 실패합니다. 오퍼레이터는 안구와 눈꺼풀 모두에 접촉하고, 해당 프로그램과 같이 마찰이 발생하도록 몇 사이클 동안의 플랫폼 움직임을 관찰한다. 현재 플랫폼은 1 개월간 계속 실행하도록 설계되어 있지만 실험 (제 2.2.4-2.2.7)을 실행할 때 작업자는 항상 시스템의 안정성에 매 24 시간을 확인해야합니다. 현재 플랫폼은 온도 나 습도 제어를 소유하지 않으며, 이러한 매개 변수의 변동이 CL에서를 건조 수 있기 때문에 중요하다. 이 경우, 조절 된 습도 및 온도 챔버 내의 눈 모델을 배치했다. 또한, 약물 전달 실험에서 수집 된 관류 액을 분석하거나 샘플의 현저한 증발을 방지하기 위해 적어도 매 2 시간을 저장한다.
제시된 두 가지 제한 사항이 현재있다눈 모델입니다. 첫 번째 제한은 주위 환경에 대한 노출에 관해서이다. 눈 조각이 제어 된 실내에 묶여 있기 때문에 현재, 이러한 작업 영역의 온도 및 습도 등의 변화는 실험의 다양한 양태에 영향을 미칠 것이다. 환경이 너무 건조 경우 예를 들어, CL에서 빨리 건조 및 안구 조각에서 분리 할 수 또는 흐름을 통해 유체가 증발 할 수있다. 이 문제를 해결하기 위해 미래의 반복을 제어 된 온도 및 습도 챔버 내의 눈 모델을 수용한다. 두 번째 제한은 복잡성 안구 부분에 관한 것이다. 현재 접안 렌즈는, 간단 아가로 오스 중 하나 PDMS 또는 구성된, 어느 것도 진정으로 각막 표면 특성을 나타냅니다. 향후 연구는 가까운 모방 각막 표면 구조를 눈의 모델을 생산하는 것을 목표로합니다.
시험 관내에서 눈 연구는 일반적으로 생체 내 연구 이전 테스트 단계로 볼 수 있습니다. 하나,그렇지 않으면 혼자 생체 내 연구에서 얻을 수없는 중요한 통찰력을 제공, 시험 관내 연구는 또한 생체 데이터를 보완 할 수 있다는 점에 유의하는 것이 중요합니다. 유감스럽게도, 테스트 CL에서를위한 체외 모델 현재는 기초하고 적절하게 생체 내 환경을 모방하는 몇 가지 주요 구성 요소가 부족하다. 예를 들어, 시험 관내 CL 연구 인산염 완충 식염수 2-5 ㎖, 크게 7.0 ± 2 μL에 생리 눈물 양을 초과 1-6을 함유하는 바이알에 수행된다. (7) 또한, 상기 안구 환경의 두 가지 중요한 요인 천연 눈물 흐름 및 깜박이는 반사는, 단순한 정적 유리 병 모델에서 존재하지 않는다. 미세 유로 인열 보충 성분 (2)를 포함하여, 종래의 유리 병 모델의 제한은 연구원에 의해 인식되고, 그리고 시도 안구 환경을 시뮬레이션하는 생체의 눈 모델에 고유하게 생성 된0-24 및 / 또는 간헐적으로 공기 노출. 25,26 놀랍게도 이들 실험에서 생성 된 결과들은 종래의 유리 병 모델에 의한 것보다 매우 다르고 더 가깝게 생체 데이터가 유사 할 수있다. 20-25을 따라서, 현상 없음 검사하는 체외 눈 모델에서 복잡한 CL에서의 안구 표면과 렌즈 물질의 상호 작용에 대한 새로운 통찰력을 제공하고, 새로운 재료와 앞으로 수십 년 동안 CL에서의 새로운 응용 프로그램의 개발을 촉진하는 데 도움이됩니다.
틀림없이, 체외 눈 모델의 가장 논쟁 측면 중 하나는 눈이 CL에서의 약물 전달에 있어서는 특히 중요하다 무한 싱크 유사한 여부이다. 무한 싱크 조건 하에서 주위 용액의 부피는 약물 방출은 약물의 용해도에 의해 영향을받지 않도록, 약물 포화 량보다 훨씬 더 높다. 전열로 바이알 27 옹호자ptable 눈 모델 각막, 결막 및 무한 싱크로서 기능 안구 조직을 함께 둘러싸는 것을 주장한다. 이론이 사실이 될 수 있지만, 약물 먼저 눈물 유체에 용해해야합니다. 이 속도 제한 단계는 가능성이 싱크 조건이 아니며, 모두 눈물 볼륨에 의존하고 모델 시뮬레이션으로 흐를 것이다.
제시된 모델의 고유 ID는 눈물 필름을 에뮬레이트 할 수있는 능력에있다. 투피스 디자인은 "각막 / 공막"안구 부와 "일말"채용함으로써, 두 조각이 접촉 할 때 안구 부분에 걸쳐 눈물 막의 균일하게 확산 박막을 만들 수있다. 상기 안구 표면을 시뮬레이션하기 위해 기계적 마모 및 대기에의 노출은 두 개의 기계적 액츄에이터를 통해 모델에 통합된다. 눈꺼풀 조각이 횡 방향 이동함에 따라, 그것은 눈 간헐적 공기 노출 폐쇄를 시뮬레이션한다. 안구의 회전은 두린 생산 된 기계적 마모를 시뮬레이션g가 점멸. 시스템은 생리적 유속 누액 또는 기타 원하는 유량과 눈 모델을 불어 미세 유체 펌프에 연결되어있다. 눈물 막 두 조각에 접촉 할 때마다 형성되고, 상기 두 부분이 분리 될 때 눈물 막 파괴가 발생한다.
목표는 분석 시험관 내에서 다양한에 대한 CL에서 평가하는 보편적 인 테스트 플랫폼을 만드는 것입니다. 다재다능하기 위하여, 안구 조각 등 다양한 폴리 디메틸 실록산 등의 중합체 (PDMS) 또는 아가로 합성 할 수있다. 간단한 안구 연구의 경우, 각각 소수성과 친수성 표면을 나타내는 이들 중합체는 충분합니다. 더 복잡한 분석이 필요하지만, 예를 들어 안구 약물 침투 또는 독성 연구에 눈 조각은 또한 수정 될 필요가있을 것이다. 예컨대 도시 된 바와 같이, 생체 각막의 포함과 같은 모델이 추가 변형은 비교적 가능하다. 하지만, 더 검증 연구필요하며, 향후 연구는 생체 내 모델과 비교하여이 모델의 타당성을 개선하는 것을 목표로한다.
저자는 공개 아무것도 없어.
저자는 고급 안과 재료의 개발에 대한 우리의 결제 수단 NSERC 20/20 네트워크를 인정하고 싶습니다.
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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