-- / --

- / -

Στη διδακτορική αυτή διατριβή πραγματοποιείται η μελέτη των δυναμικών ιδιοτήτων των πρωτεϊνών του βοδινού φακού με τη μέθοδο της Δυναμικής Σκέδασης Φωτός και επιχειρείται ο συσχετισμός των ιδιοτήτων αυτών με το φαινόμενο του καταρράκτη. Μελετήθηκαν δυο μοντέλα καταρράκτη, ο «ψυχρός» καταρράκτης, που προκύπτει με ψύξη του φακού κάτω από τους 17 οC και ο «θερμός» καταρράκτης που προκύπτει με θέρμανση του φακού πάνω από τους 50 οC. Οι μετρήσεις στις διάφορες θερμοκρασίες πραγματοποιήθηκαν σε όλο το φάσμα συγκεντρώσεων, από πολύ αραιά μέχρι πολύ πυκνά αιωρήματα των πρωτεϊνών του φακού. Επιπλέον, μελετήθηκαν τρία ξεχωριστά συστήματα: ομογενή αιωρήματα α) από ολόκληρους φακούς νεαρών βοδιών, β) από τους πυρήνες των φακών νεαρών βοδιών και γ) α-κρυσταλλινών, οι οποίες αποτελούν το είδος των πρωτεϊνών με το μεγαλύτερο ποσοστό στο φακό (45 %) και επιπλέον έχουν το μεγαλύτερο μοριακό βάρος (800 kDa). Για τη μελέτη των α-κρυσταλλινών, προηγήθηκε απομόνωση και διαχωρισμός των διάφορων ειδών πρωτεϊνών του φακού με χρωματογραφία πηκτής. Από την ανάλυση των αποτελεσμάτων προέκυψε ότι: Τα αιωρήματα των πρωτεϊνών του φακού περιγράφονται από τέσσερις μηχανισμούς διάχυσης: τη συλλογική διάχυση, η οποία εμφανίζεται σε ενδιάμεσες συγκεντρώσεις (c>75 mg/ml) και γίνεται βαθμιαία πιο γρήγορη όταν αυξάνει η συγκέντρωση και την αυτοδιάχυση των α-κρυσταλλινών, των HMα-κρυσταλλινών και των συσσωματωμάτων των κρυσταλλινών (c>200 mg/ml), η οποία γίνεται βαθμιαία πιο αργή με αύξηση της συγκέντρωσης. Όλοι οι μηχανισμοί διάχυσης γίνονται βαθμιαία πιο αργοί κατά την ψύξη των αιωρημάτων. Το ίδιο ισχύει και κατά τη θέρμανση σε μια σταθερή θερμοκρασία (Τ>50 οC) με την αύξηση του χρόνου θέρμανσης. Όσο αυξάνεται η συγκέντρωση σε μια δεδομένη υψηλή θερμοκρασία (Τ>50 οC) αυξάνεται και ο αριθμός ή/και το μοριακό βάρος των συσσωματωμάτων των κρυσταλλινών. Όσο αφορά τον ψυχρό καταρράκτη, η σκεδαζόμενη ένταση αυξάνεται απότομα, ενώ εμφανίζονται «περιοχές» υψηλής συγκέντρωσης για T<TC, όπου TC η κρίσιμη θερμοκρασία σχηματισμού του ψυχρού καταρράκτη. Τα συμπεράσματα που προέκυψαν από τη διδακτορική αυτή διατριβή είναι σημαντικά για την κατανόηση των βασικών μηχανισμών των αλληλεπιδράσεων των πρωτεϊνών του φακού τόσο σε φυσιολογικές όσο και σε παθολογικές συνθήκες, καθώς επίσης για την έγκαιρη διάγνωση των πρώιμων σταδίων του γεροντικού καταρράκτη. / Protein condensation is the molecular basis for many neurodegenerative diseases such as Alzheimer’s disease and lens cataract. The cause of protein condensation (aggregation and/or phase separation) and the route to the condensed state are still a matter of debate, despite the intense research efforts on the subject. The present dissertation aims at studying the molecular basis of lens cataract in mammal lenses. The fact that the lens is a complex, dense dispersion of proteins (called crystallines) in water is an important obstacle that makes the understanding of the cataract onset in the lens a tough problem if not an impossible task. A strategy to overcome this obstacle is to study the cataract onset in simpler systems, e.g. dispersions of the various crystalline species at various protein concentrations ranging from very dilute dispersions to dense ones such as the intact lens. In this work we investigate the dynamics of bovine lens proteins dispersions by means of Dynamic Light Scattering, in an effort to reveal possible correlations of their behavior with the cataract effect. Two models of cataract were studied; the “cold” cataract, that is caused by cooling lens proteins below 17 οC and the “heat-induced” cataract, caused by heating lens proteins above ~45-50 οC. The temperature dependence of the diffusion coefficient was studied over a wide range of concentrations, from the very dilute limit up to the dense regime approaching lens concentration. The studies were carried out for three different young bovine lens protein dispersions. (a) Lens homogenates consist of the total lens content, (b) homogenate dispersions of the nucleus content, and (c) dispersions of isolated α-crystallins, i.e. the species that dominate in DLS among lens proteins. α-crystallins were separated from the mixture of lens proteins by using gel-filtration chromatography. The main conclusions of the present work are the following. The dynamics of lens protein dispersions are described by four diffusion mechanisms: one collective diffusion process that appears at moderate concentrations, c>75 mg/ml, and becomes faster with increasing concentration and three self-diffusion processes of α-crystallins, HMα-crystallins and large aggregates of crystallins (c>200 mg/ml). Self-diffusion becomes slower with increasing concentration. All diffusion mechanisms become slower by lowering the temperature of the dispersions. The same holds when the dispersions are heated at a constant temperature above 50 οC by increasing the heating time. Concerning “cold” cataract, it was observed that the scattered intensity grows rapidly, while “domains” of very high concentration appear for T<TC, where TC denotes the critical temperature for “cold” cataract formation.

- / -

- / -

- / -

- / -

Λόγω της διαφάνειας των οφθαλμικών ιστών η σκέδαση φωτός αποτελεί ιδανικό εργαλείο για την ανίχνευση των αρχικών σταδίων ορισμένων παθολογικών τους καταστάσεων. Για παράδειγμα, η θόλωση του φακού των θηλαστικών λόγω ηλικίας ή/και άλλων εξωγενών αιτίων καλείται καταρράκτης. Ο καταρράκτης δεν μπορεί να διαγνωστεί κλινικά σε πρώιμο στάδιο με αποτέλεσμα την δημιουργία σοβαρών προβλημάτων στην όραση. Το γεγονός ότι το φως έχει την ικανότητα να ανιχνεύει τις μοριακές αλλαγές οι οποίες είναι πρόδρομα συμπτώματα του καταρράκτη αναδεικνύει την σημασία της έγκαιρης διάγνωσης στην αντιμετώπιση διάφορων οφθαλμικών παθήσεων. Ο φακός θεωρείται ως ένα πυκνό διάλυμα πρωτεϊνών (κρυσταλλίνες, ~40 % wt) σε νερό και η αδιαφάνεια η οποία αποτελεί την εκδήλωση του καταρράκτη προκαλείται ουσιαστικά από την συσσωμάτωση των πρωτεϊνών. Στόχος αυτής της διατριβής είναι η διερεύνηση των μοριακών μεταβολών οι οποίες λαμβάνουν χώρα κατά την ανάπτυξη του καταρράκτη. Ιδιαίτερη σημασία δίνεται επίσης στην ανάπτυξη μιας μη-επεμβατικής μεθοδολογίας για έγκαιρη διάγνωση οφθαλμικών παθήσεων με τη βοήθεια της δυναμικής σκέδασης φωτός. Με την βοήθεια της τεχνικής αυτής, κατάλληλα τροποποιημένης για την μελέτη οφθαλμικών ιστών, μελετήθηκαν οι δυναμικές ιδιότητες των πρωτεϊνών χοίρειων φακών (π.χ. οι συντελεστές διάχυσης, η θερμοκρασιακή τους εξάρτηση σε διάφορα μέρη του φακού, κλπ.) χρησιμοποιώντας το πειραματικό μοντέλο του “ψυχρού” καταρράκτη. Στο μοντέλο αυτό η ελεγχόμενη ψύξη φακών επιφέρει βαθμιαία καταρρακτογένεση. Ιδιαίτερη έμφαση δόθηκε σε τέσσερα κυρίως είδη περαμάτων. (α) Μελέτη της εμφάνισης του ψυχρού καταρράκτη στον πυρήνα του φακού. (β) Μελέτη της επίδρασης του μήκους κύματος της ακτινοβολίας στην εμφάνιση και στην έκταση του φαινομένου του ψυχρού καταρράκτη. (γ) Μελέτη του φαινομένου του ψυχρού καταρράκτη κατά μήκος μιας διαμέτρου του φακού, δεδομένης της βαθμίδας συγκέντρωσης των πρωτεϊνών του φακού (μεγάλη συγκέντρωση στον πυρήνα και μικρή συγκέντρωση στην περιφέρεια του φακού). (δ) Μελέτη του επίδρασης της προθέρμανσης του φακού σε θερμοκρασίες υψηλότερες της φυσιολογικής στο φαινόμενο του ψυχρού καταρράκτη. Τα βασικά συμπεράσματα της παρούσας διατριβής συνοψίζονται ως εξής. Υπάρχουν σαφείς συσχετισμοί μεταξύ των φασματικών χαρακτηριστικών (συναρτήσεις αυτοσυσχέτισης) και των ιεραρχικών σταδίων ανάπτυξης του καταρράκτη. Ποιοτικές και ποσοτικές αλλαγές στην θερμοκρασιακή εξάρτηση διαφόρων παραμέτρων, οι οποίες σχετίζονται με τις μοριακές διαμορφώσεις των αρχικών σταδίων του καταρράκτη, εμφανίζονται ήδη από τους 17 oC όπου ο πυρήνας του φακού είναι ακόμα διαυγής. Η χρήση ακτινοβολίας κοντά στο υπεριώδες μέρος τους φάσματος ενισχύει την ανάπτυξη του ψυχρού καταρράκτη στον πυρήνα του φακού. Ο ψυχρός καταρράκτης δεν αναπτύσσεται στην περιφέρεια του φακού. Η προθέρμανση του φακού σε συγκεκριμένη θερμοκρασία καθώς και ο χρόνος παραμονής σε αυτήν επηρεάζει σημαντικά την ανάπτυξη του ψυχρού καταρράκτη στον πυρήνα αλλά όχι στην περιφέρεια του φακού. Όλα τα παραπάνω δείχνουν πως η δυναμική σκέδαση φωτός μπορεί να παρέχει παραμέτρους οι οποίες μπορούν να χρησιμοποιηθούν με επιτυχία ως ευαίσθητοι και αξιόπιστοι δείκτες της έγκαιρης, μη-επεμβατικής, και in vivo διάγνωσης του καταρράκτη. / On account of the transparency of ophthalmic tissues, light scattering is an ideal tool for detecting the early stages of some of their pathological conditions. For example, the opacity of the mammalian lens due to age or other external causes is called cataract. Cataract cannot be detected clinically at early stages and as a result serious vision problems appear. The fact that, light has the ability to detect molecular changes that are related to the mechanism of cataract formation draws attention to the importance of early diagnosis in ophthalmic disorders. The lens can be considered as a dense colloidal protein dispersion (crystallins, ~ 40% wt) in water where the opacity that leads to cataract formation how its basis to the aggregation of proteins. This dissertation is aimed at studying the molecular changes that take place upon cataract development. Particular emphasis is paid to the development of a non-invasive methodology for early diagnosis of ocular diseases with the aid of dynamic light scattering. By means of this technique, suitably modified for the study of ophthalmic tissues, the dynamic properties of the proteins of porcine lenses (e.g. diffusion coefficients and their temperature dependence at various parts inside the lens, etc.) were studied by using the experimental model of ‘cold’ cataract. In cold cataract the controlled cooling of the lens at temperatures below the physiological one induces gradual cataractogenesis. In particular, we focused on four kinds of experiments. (a) Detailed study on the cold cataract onset in the lens nucleus. (b) Study on the effect of the laser light wavelength in the onset and the extent development of cold cataract. (c) Study of the cold cataract effect along an equatorial diameter of the lens, considering the gradual concentration of the lens proteins (high protein concentration in the nucleus and low concentration in the cortex). (d) Study on the effect of thermal history, i.e. by warming up the lens at temperatures higher than the physiological one on the cold cataract effect. The basic conclusions of the present dissertation are summarized as follows: There are clear correlations between the spectral characteristics (autocorrelation functions) and the hierarchical stages of the onset of cataract. Qualitative and quantitative changes in the temperature dependence of several parameters, which are related with the diffusive motions of proteins at the early stages of cataract, appear already at 17 oC while the nucleus is still clear and highly transparent. The use of laser radiation close to the ultraviolet part of the spectrum seems to enhance the formation of cold cataract in the lens nucleus. Cold cataract does not develop at the cortex of the lens, in view of the low protein concentration. The lens pre-heating at a certain temperature for various time periods affects significantly cold cataract formation in the lens nucleus but not in lens cortex. The above mentioned make clear that dynamic light scattering can indeed provide useful parameters that can be successfully used as sensitive and reliable indicators for the early, non-invasive diagnosis of cataract in mammalian lenses and in vivo.