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Augenheilkunde 2. September 2015

Synthetische Tränen – Ein Schritt näher der menschlichen Tränenflüssigkeit

Hintergrund: Bis heute ist es noch nicht gelungen, die menschliche Tränenflüssigkeit mit all ihren Komponenten synthetisch herzustellen. Dies ist auf den komplexen Aufbau der Tränenflüssigkeit zurück zu führen. Tränen bestehen nicht nur aus Wasser und Salz, sondern enthalten vielmehr auch unzählige Proteine, Lipide, Muzine, Antioxidantien sowie ein eigenes Puffersystem. Tränenersatzmittel, die unter anderem zur Therapie des Trockenen Auges eingesetzt werden, enthalten meist wenig bis kaum Bestandteile der natürlichen Tränen. Für einen optimierten Tränenersatz bedürfte es des Zusatzes mehrerer Komponenten der natürlichen Tränenflüssigkeit. Eine dieser Komponenten betrifft auch die Inhaltsstoffe mit antioxidativer Schutzwirkung. Die vorliegende Arbeit untersucht Substanzen, die antioxidativ wirken und eine Schutzwirkung vor UV-Licht und Ozon aufweisen und in solchen Präparaten zur Anwendung kommen könnten. Desweiteren werden mögliche weitere physiologische Komponenten eines optimierten Tränenersatzes beleuchtet.

Material und Methoden: Mithilfe von Viskositätsbestimmungen wurden verschiedene Substanzen, die in der Literatur als Radikalfänger bezeichnet werden, auf eine mögliche Schutzwirkung gegenüber Umwelteinflüssen wie UV-Licht und Ozon untersucht. Dazu wurden alle Substanzen in genau definierten Konzentrationen in 0,25 % Hyaluronsäure gelöst, unter konstanten Untersuchungsbedingungen mit UV-B Licht bestrahlt oder Ozon bedampft und anschließend deren Viskosität mithilfe eines KPG-Ubbelohde Viskosimeters bestimmt. UV-Licht und Ozon führen zu einer Depolymerisierung und damit verbundenen Viskositätsverminderung von Hyaluronsäure. Dies wird auf die Entstehung freier Radikale durch UV-Licht und Ozon zurückgeführt. Eine geringere Viskositätsverminderung bzw. ein Gleichbleiben der Ausgangsviskosität trotz Bestrahlung oder Bedampfen wurde als Schutzwirkung der zugesetzten Substanz interpretiert. Bezüglich anderer Tränenfilmhauptkomponenten wurde eine Recherche der aktuellen Literatur zusammengefasst.

Resultate: Insgesamt wurden elf Substanzen auf ihre Wirkung gegenüber UV-Licht und Ozon untersucht: Euphrasia und Mannit konnten Hyaluronsäure signifikant vor einer Depolymerisirung durch UV-Licht und Ozon schützen (p < 0,05). Harnsäure und Melatonin konnten gegenüber UV-Licht eine signifikante Wirkung erzielen (p < 0,05), nicht aber gegen Ozon. Arginin, Curcumin, Fructose, Harnstoff, Lysin, Spermidin, Taurin konnten keine Verhinderung der Depolymerisierung bewirken. Von den Tränenfilmhauptkomponenten haben Natriumchlorid, Glucose und Bikarbonat als Inhaltsstoffe in Tränen Schlüsselfunktionen für die Homöostase der Augenoberfläche.

Schlussfolgerung: Für einen optimierten Tränenersatz ist der Einsatz von Bestandteilen der natürlichen Tränenflüssigkeit wie Natriumchlorid, Glucose und Bikarbonat als Hauptpuffersubstanz zu bevorzugen. Im Hinblick auf die antioxidative Wirkung können Substanzen, wie Euphrasia und Mannit zum Einsatz kommen. Beide Substanzen können die sowohl in den Tränen wie auch in einigen Tränenersatzmitteln enthaltene Hyaluronsäure vor einer Depolymerisation durch UV-Licht und Ozon schützen und damit potentiell ihre Verweildauer und Schmierwirkung an der Augenoberfläche verlängern.

Summary

Background: Today it is not possible to synthesize tear substitutes identical to human tears. Beside water and sodium chloride natural tears contain various other components like proteins, lipids, mucins, antioxidants and buffer substances. Tear substitutes which are used for therapy of dry eye syndrome contain little to no of these components. To create tear substitutes identical to human tears an addition of several components of natural tears is necessary. One of these components concerns ingredients with antioxidative potential.

Aim of this study is to identify substances with protective function against ultraviolet light and ozone, which could be used in artificial tear substitutes. Furthermore this paper examines physiological components of natural tears for creation of an optimized artificial tear substitute.

Material and methods: Viscosity measurements were used to identify substances with protective function against environmental influences. All substances investigated are described in literature as radical scavengers with possible antioxidant function. They were dissolved in accurately defined concentrations in 0.25 % hyaluronic acid solution and irradiated with ultraviolet light or steamed with ozone followed by a viscosity measurement with a KPG-Ubbelohde viscosimeter. Ultraviolet light and ozone lead to a depolymerisation of hyaluronic acid associated with a decrease of viscosity, which can be traced back to the formation of free radicals. A lower decrease of viscosity or no change of viscosity despite irradiation or steaming can be interpreted as protective function of the added substance. Concerning other tear film components a research of actual literature has been summarized.

Results: All in all 11 substances with possible protective function against ultraviolet light and ozone were investigated: eyebright and mannitol could significantly protect hyaluronic acid from depolymerisation through influence of ultraviolet light and ozone (p < 0,05). Uric acid and melatonine were able to achieve a significant effect against ultraviolet light (p < 0,05), but not against ozone. Arginine, curcumin, fructose, urea, lysine, spermidine and taurine were not able to protect hyaluronic acid from depolymerisation.

Sodium chloride, glucose and bicarbonate are tear ingredients with important function in maintaining homeostasis of ocular surface.

Conclusions: For creation of an ideal tear substitute a use of natural tear components like sodium chloride, glucose and bicarbonate should be preferred. For maintaining the antioxidative function of tears eyebright and mannitol, could be added. Both substances are capable of preventing hyaluronic acid in tears from depolymerisation through influence of ultraviolet light and ozone. Also hyaluronic acid in artificial tears may be protected and retention time and lubricating effect on the ocular surface may be extended.

Andrea Heidinger, Univ.-Prof. Mag. Dr. Otto Schmut, Univ.-Prof. Dr. Andreas Wedrich, Spektrum der Augenheilkunde 3/2015

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