Posterior capsule opacification (PCO) is a major component of secondary cataract, a complication of current cataract surgery practice. This iatrogenic condition occurs in virtually all pediatric cases and to a lesser extent in adults. PCO correlates with the development in the latter half of the 20th Century of extracapsular cataract extraction (ECCE). In these surgeries, the lens capsule is left intact. During ECCE surgery a circular capsulotomy opening is created in the anterior lens capsule, and the cataractous, proteinaceous lens is removed, often via ultrasonic lens liquefaction i.e. phacoemulsification. The posterior, equatorial and remaining anterior portions of the sac-like capsule are left intact, permitting the insertion of an artificial lens into the emptied capsule. However, cells from the monolayer of epithelium on the inner surface of the capsule often begin to proliferate and migrate onto the normally cell-free inner surface of the posterior capsule, and may obscure the central axis of vision. Subsequently, a second surgery is necessary to create a small capsulotomy in the centre of the posterior capsule, usually employing an Nd:YAG laser. However, up to 5% of patients who have capsulotomies may then develop further serious, vision-threatening complications such as macular edema and retinal detachments. This thesis reports the photodynamic therapy (PDT) conditions required to prevent lens epithelial (LE) cell de novo proliferation and migration onto posterior lens capsules in a euthanized rabbit surgical model in order to predict parameters required to prevent PCO in humans. Experiments with primary in vitro cultures of human LE cells have shown rapid delivery of the photosensitizer benzoporphyrin derivative monoacid ring A (BPD-MA) and efficient killing with low light doses of 690 nm red light. Additional studies have shown the efficacy of various viscous agents in protecting the comeal endothelium. During model phacoemulsification ECCE surgeries, the use of hyaluronate viscoelastic carriers addressed the need for containment necessary for localized delivery of photosensitizer in the emptied capsule. Long-term monitoring of PDT-treated rabbit lens capsules in vitro has demonstrated a phototoxic effect including complete cell kill in this surgical model employing the prophylactic use of PDT.

Posterior capsule opacification (PCO) is a major component of secondary cataract, a complication of current cataract surgery practice. This iatrogenic condition occurs in virtually all pediatric cases and to a lesser extent in adults. PCO correlates with the development in the latter half of the 20th Century of extracapsular cataract extraction (ECCE). In these surgeries, the lens capsule is left intact. During ECCE surgery a circular capsulotomy opening is created in the anterior lens capsule, and the cataractous, proteinaceous lens is removed, often via ultrasonic lens liquefaction i.e. phacoemulsification. The posterior, equatorial and remaining anterior portions of the sac-like capsule are left intact, permitting the insertion of an artificial lens into the emptied capsule. However, cells from the monolayer of epithelium on the inner surface of the capsule often begin to proliferate and migrate onto the normally cell-free inner surface of the posterior capsule, and may obscure the central axis of vision. Subsequently, a second surgery is necessary to create a small capsulotomy in the centre of the posterior capsule, usually employing an Nd:YAG laser. However, up to 5% of patients who have capsulotomies may then develop further serious, vision-threatening complications such as macular edema and retinal detachments. This thesis reports the photodynamic therapy (PDT) conditions required to prevent lens epithelial (LE) cell de novo proliferation and migration onto posterior lens capsules in a euthanized rabbit surgical model in order to predict parameters required to prevent PCO in humans. Experiments with primary in vitro cultures of human LE cells have shown rapid delivery of the photosensitizer benzoporphyrin derivative monoacid ring A (BPD-MA) and efficient killing with low light doses of 690 nm red light. Additional studies have shown the efficacy of various viscous agents in protecting the comeal endothelium. During model phacoemulsification ECCE surgeries, the use of hyaluronate viscoelastic carriers addressed the need for containment necessary for localized delivery of photosensitizer in the emptied capsule. Long-term monitoring of PDT-treated rabbit lens capsules in vitro has demonstrated a phototoxic effect including complete cell kill in this surgical model employing the prophylactic use of PDT.

Posterior capsule opacification (PCO) is a major component of secondary cataract, a complication of current cataract surgery practice. This iatrogenic condition occurs in virtually all pediatric cases and to a lesser extent in adults. PCO correlates with the development in the latter half of the 20th Century of extracapsular cataract extraction (ECCE). In these surgeries, the lens capsule is left intact. During ECCE surgery a circular capsulotomy opening is created in the anterior lens capsule, and the cataractous, proteinaceous lens is removed, often via ultrasonic lens liquefaction i.e. phacoemulsification. The posterior, equatorial and remaining anterior portions of the sac-like capsule are left intact, permitting the insertion of an artificial lens into the emptied capsule. However, cells from the monolayer of epithelium on the inner surface of the capsule often begin to proliferate and migrate onto the normally cell-free inner surface of the posterior capsule, and may obscure the central axis of vision. Subsequently, a second surgery is necessary to create a small capsulotomy in the centre of the posterior capsule, usually employing an Nd:YAG laser. However, up to 5% of patients who have capsulotomies may then develop further serious, vision-threatening complications such as macular edema and retinal detachments. This thesis reports the photodynamic therapy (PDT) conditions required to prevent lens epithelial (LE) cell de novo proliferation and migration onto posterior lens capsules in a euthanized rabbit surgical model in order to predict parameters required to prevent PCO in humans. Experiments with primary in vitro cultures of human LE cells have shown rapid delivery of the photosensitizer benzoporphyrin derivative monoacid ring A (BPD-MA) and efficient killing with low light doses of 690 nm red light. Additional studies have shown the efficacy of various viscous agents in protecting the comeal endothelium. During model phacoemulsification ECCE surgeries, the use of hyaluronate viscoelastic carriers addressed the need for containment necessary for localized delivery of photosensitizer in the emptied capsule. Long-term monitoring of PDT-treated rabbit lens capsules in vitro has demonstrated a phototoxic effect including complete cell kill in this surgical model employing the prophylactic use of PDT. / Medicine, Faculty of / Pathology and Laboratory Medicine, Department of / Graduate

Knowledge of the mechanics of the lens capsule is crucial for improving cataract surgery as well as understanding better the physiological role of the lens capsule in the process of accommodation. Previous research on the mechanical properties of the lens capsule contains many gaps and contradictions due to experimental limitations and inappropriate assumptions. Thus, the goal of this work is to quantify fully the regional, multiaxial mechanical behavior of the lens capsule and to calculate the change in stress and strain fields as a result of cataract surgery. Determining in situ the multiaxial mechanical behavior of the lens capsule required the design and construction of an experimental device capable of altering stresses in the capsule while measuring localized surface deformations. Tests performed on this device reveal that the meridional and circumferential strains align with the principal directions and are equivalent through most of the anterior lens capsule, except close to the equator where the meridional strain is greater. Furthermore, preconditioning effects were also found to be significant. Most importantly, however, these tests provide the data necessary for calculating material properties. This experimental system is advantageous in that it allows reconstruction of 3D geometry of the lens capsule and thereby quantification of curvature changes, as well as measurement of surface deformations that result from various surgical interventions. For instance, a continuous circular capsulorhexis (CCC) is commonly used during cataract surgery to create a hole in the anterior lens capsule (typically with a diameter of 5 mm). After the introduction of a CCC, strain was found to redistribute evenly from the meridional direction (retractional strain) to the circumferential direction (extensional strain), where both directional components of strain reached magnitudes up to 20% near the edge of the CCC. Furthermore, the curvature was found to increase at the edge of the CCC and remain the same near the equator, indicating that the mere introduction of a hole in the lens capsule will alter the focal characteristics of the lens and must therefore be considered in the design of an accommodative intraocular lens.

L’amélioration des performances des dispositifs pyrotechniques requiert une description fine de la transition choc/détonation (TCD) dans les explosifs. Les modèles de TCD existant comportent une part d’empirisme qu’il est souhaitable de réduire à l’aide de données expérimentales à l’échelle microscopique. Pour cela, nous avons mis au point un dispositif permettant de générer des chocs de 2 à 30 GPa et d’analyser en temps réel l’évolution du matériau par spectroscopie. Le système de mesure comporte un laser sonde et un ensemble de spectroscopie Raman rapide. Ce dispositif a été utilisé pour l’étude des mécanismes d’initiation d’un explosif appelé TATB. L’évolution des spectres Raman en fonction de la pression révèle un couplage entre les modes de vibration des groupements NO2 et NH2 provenant de la présence d’un réseau de liaisons hydrogène au sein du TATB. Ce réseau est responsable de la grande stabilité de la molécule. Quelques différences entre les régimes statique et dynamique, imputables à l’effet du chauffage par le choc, sont mises en évidence ; elles semblent indiquer un affaiblissement du réseau de liaisons hydrogène. Les résultats font également apparaître une atténuation progressive du signal Raman sous choc avec la pression. A partir de 9 GPa, le signal n’est plus détectable. Des visualisations par caméras rapides montrent que cette atténuation du signal Raman est accompagnée d’un assombrissement progressif du TATB qui devient totalement opaque à 9 GPa. Des expériences de réflectivité sous choc ont montré que ces deux phénomènes sont dus à un élargissement de la bande d’absorption du TATB. / Improving performances and safety of pyrotechnic devices requires a sharp knowledge of the shock to detonation transition phenomenon in high explosives. Current models to describe this phenomenon largely involve empiric parameters based on macro scale experiments. To improve predictive capability of these models, it is necessary to get experimental data at a microscopic scale. To provide such data, we developed an experimental setup to shock a high explosive up to 30 GPa and perform in-situ measurement of its Raman spectra under this loading. The device includes a shock generator based on explosive driven plate impact triggered by a laser pulse and a diagnostic involving an excitation laser and a spectrometer coupled with an intensified CCD. This experiment has been applied to an insensitive high explosive named TATB. Pressure driven evolution of the Raman spectra reveals an important coupling between NO2 and NH2 vibration modes that is due to a strong H bonding within TATB crystal. This bonding is clearly linked to TATB high stability. Differences observed between dynamic and static loading are attributed to shock heating resulting in H bonding weakening. Moreover, results show a progressive decrease in Raman spectra intensity with increasing shock pressure down to a complete signal loss at about 9 GPa. High speed visualisations reveal a progressive darkening of the sample leading to complete opacity at 9 GPa. Reflectivity measurements under shock loading show that these two phenomena are due to a shock-induced enlargement of the TATB absorption band.

No description available.

Η χειρουργική καταρράκτη διαμέσου μικρής τομής με τη χρήση αναδιπλούμενων ενδοφθάλμιων φακών είχε ως αποτέλεσμα την εμφάνιση μιας νέας επιπλοκής˙ της θόλωσης των φακών. Αρκετοί παράγοντες έχουν ενοχοποιηθεί για την αιτιολόγηση του φαινομένου. Μεταξύ αυτών αναφέρονται η μετεγχειρητική φλεγμονή, η χρήση διαλυμάτων πλύσης και ιξωδοελαστικών υλικών, η σιλικόνη, τα λιπαρά οξέα που εμπεριέχονται στο υδατοειδές υγρό. Προηγούμενες αναφορές έχουν αποδώσει την αιτία του φαινομένου της θόλωσης των ενδοφακών στην ασβεστοποίηση. Για τη μελέτη του φαινομένου της ασβεστοποίησης έχουν κατά καιρούς χρησιμοποιηθεί in vivo μοντέλα. Στα μοντέλα αυτά γίνονται απλοποιήσεις ώστε να προσομοιώνονται όσο το δυνατόν καλύτερα οι φυσικοχημικές συνθήκες των βιολογικών ρευστών που είναι σε επαφή με τους αντίστοιχους ιστούς. Ακριβείς θερμοδυναμικές μετρήσεις και μελέτες της κινητικής στις συνθήκες αυτές είναι δυνατόν να δώσουν χρήσιμες πληροφορίες όσον αφορά στην εμφάνιση και εξέλιξη με το χρόνο του φαινομένου της ασβεστοποίησης διάφορων ιστών ή οργάνων. Στην παρούσα εργασία, και με στόχο να προσομoιωθούν οι συνθήκες του προσθίου θαλάμου κατά την επαφή του φακού με το υδατοειδές υγρό, κατασκευάσθηκε από πολυαμίδιο διπλότοιχος θερμοστατούμενος αντιδραστήρας συνολικού όγκου 10 ml. Ο πυθμένας και το άνω μέρος του αντιδραστήρα ήταν από γυαλί, έτσι ώστε το σύνολο να είναι δυνατόν να διευθετηθεί στο έδρανο οπτικού μικροσκοπίου διερχομένου φωτός, προκειμένου να είναι δυνατή η συνεχής παρατήρηση των δοκιμίων. Το συνθετικό υδατοειδές υγρό παρασκευάστηκε με τριπλά απεσταγμένο νερό στο οποίο διαλύθηκαν συγκεκριμένες ποσότητες κρυσταλλικών αλάτων έτσι ώστε η τελική σύσταση να αντιστοιχεί στη σύσταση του υδατοειδούς υγρού, σύμφωνα με την βιβλιογραφία. Η ροή του συνθετικού υδατοειδούς υγρού προς τον αντιδραστήρα γινόταν με τη βοήθεια αντλίας σύριγγας ρυθμιζόμενης παροχής. Ο ρυθμός ροής ήταν 0.2ml/h όπως και στην περίπτωση της ροής του υδατοειδούς υγρού στον πρόσθιο θάλαμο του φακού. Εντός του αντιδραστήρα τοποθετήθηκαν σε ειδικό δειγματοφορέα τρεις υδρόφιλοι ακρυλικοί ενδοφθάλμιοι φακοί (Α, Β και Γ) με περιεκτικότητα σε νερό 26% κ.β. Η μελέτη του συστήματος έγινε σε συνθήκες αντιπροσωπευτικές του oργανισμού, δηλαδή pH=7.4 και θερμοκρασία=37˚C. Η παρακολούθηση των φακών με τη βοήθεια του οπτικού μικροσκοπίου, το οποίο ήταν εφοδιασμένο με βιντεοκάμερα, γινόταν καθημερινά και λαμβάνονταν φωτογραφίες για περαιτέρω ανάλυση. Οι φακοί Α, Β και Γ απομακρύνθηκαν από τον αντιδραστήρα στους πέντε, εννιά και δώδεκα μήνες αντίστοιχα, με σκοπό να μελετηθεί τόσο η επιφάνειά τους όσο και το εσωτερικό του πολυμερικού υλικού. Τα μορφολογικά χαρακτηριστικά των εναποθέσεων εξετάσθηκαν και μελετήθηκαν με τη βοήθεια ηλεκτρονικού μικροσκοπίου σάρωσης ενώ η χημική σύσταση των κρυσταλλιτών ταυτοποιήθηκε με μικροανάλυση με φασματοσκοπία ενεργειακής διασποράς ακτίνων Χ (EDX). Περαιτέρω ταυτοποίηση έγινε με φασματοσκοπικές μεθόδους (φασματοσκοπία Raman) και με περίθλαση ακτίνων Χ. Η τελευταία τεχνική, λόγω της μικρής αναλογίας κρυσταλλικό στερεό/πολυμερές, δεν έδωσε αποτελέσματα και ως εκ τούτου δεν είναι δυνατόν να χρησιμοποιηθεί ως τεχνική ταυτοποίησης. Η χρήση της προϋποθέτει διαφορετική γεωμετρία δείγματος-ανιχνευτή. Ο υπερκορεσμός είναι η κινητήρια δύναμη για την έναρξη της πυρηνογένεσης και της εν συνεχεία ανάπτυξης των σταθερών πυρήνων σε κρυσταλλίτες φωσφορικού ασβεστίου. Δεδομένου του ότι, η συγκέντρωση ασβεστίου του υδατοειδούς υγρού είναι χαμηλή, περίπου η μισή της αντίστοιχης του πλάσματος, υπετέθη, ότι κάθε αιτία τοπικής αύξησης του ασβεστίου και του φωσφόρου, εντός του υδατοειδούς υγρού, μπορεί ενδεχομένως να καταλήξει σε δυστροφική ασβεστοποίηση των φακών. Η μελέτη των φακών και η αξιολόγηση του φαινομένου στο πειραματικό μοντέλο που δημιουργήθηκε στην παρούσα εργασία έγιναν σε συνθήκες σταθερού υπερκορεσμού, δεδομένου του ότι υπήρξε συνεχής ανανέωση του υδατοειδούς υγρού εντός του αντιδραστήρα, κατά τρόπο κατάλληλο ώστε να επιτευχθεί ικανοποιητική προσομοίωση των in vivo συνθηκών. Τα περισσότερα βιολογικά ρευστά, περιλαμβανομένου του υδατοειδούς υγρού είναι υπέρκορα ως προς διάφορες φάσεις αλάτων φωσφορικού ασβεστίου, οι οποίες κατά σειρά μειωμένης διαλυτότητας είναι το διένυδρο φωσφορικό ασβέστιο (CaHPO42H2O, DCPD), το φωσφορικό τριασβέστιο (Ca3(PO4)2, TCP), το φωσφορικό οκτασβέστιο (Ca8H2(PO4)65 H2O, OCP) και ο υδροξυαπατίτης (Ca10(PO4)6(OH)2, HAP). Η διαλυτότητα των κρυσταλλικών αυτών φάσεων και ο υπερκορεσμός των διαλυμάτων καθορίζονται από παράγοντες όπως η θερμοκρασία, το pH κτλ. Η τάση για καταβύθιση και σχηματισμό συγκεκριμένης φάσης κρυσταλλικού ασβεστίου εντός του υδατοειδούς υγρού, μπορεί να καθοριστεί από το διάγραμμα διαλυτότητας και εξαρτάται από το pH του διαλύματος και από τη θερμοκρασία. Σε υψηλές τιμές υπερκορεσμού και σε διαλύματα με υψηλό pH, έχει ταυτοποιηθεί ο σχηματισμός και η σταθεροποίηση πρόδρομων φάσεων, ενώ σε συνθήκες χαμηλού υπερκορεσμού και μειωμένου pH σχηματίζεται απ’ ευθείας ΗΑΡ. Η διαδικασία της ασβεστοποίησης των ενδοφακών επηρεάζεται από παράγοντες όπως η δομή και η κατεργασία του πολυμερούς υλικού βάσης (μήτρα), η παρουσία πόρων και η περιεκτικότητά του σε νερό. Τα ακρυλικά πολυμερή διαθέτουν επιφανειακές ιονιζόμενες καρβοξυλικές ομάδες, η παρουσία των οποίων σε ιονισμένη μορφή (-COO-, pH>4) ευνοεί τη συμπλοκοποίηση με ιόντα ασβεστίου του υδατοειδούς υγρού. Τα επιφανειακά αυτά σύμπλοκα είναι πιθανόν να λειτουργούν ως ενεργά κέντρα για την πυρηνογένεση και περαιτέρω ανάπτυξη των κρυστάλλων του φωσφορικού ασβεστίου. Επιπλέον, η ασβεστοποίηση φαίνεται ότι είναι έντονη στους υδρόφιλους φακούς, λόγω της υψηλότερης ενυδάτωσης των υδρόφιλων πολυμερών, η οποία έχει ως αποτέλεσμα την υψηλότερη επιφανειακή συγκέντρωση των ιονισμένων ομάδων (ομάδες / m2) και συνεπώς και των επιφανειακών συμπλόκων- ενεργών κέντρων για την κρυσταλλική ανάπτυξη. Στην παρούσα εργασία και στο in vitro μοντέλο με τη χρησιμοποίηση ενός υδρόφιλου φακού, διαπιστώθηκε ότι η διαδικασία της ασβεστοποίησης λαμβάνει χώρα στο εσωτερικό των φακών, στην πολυμερική μήτρα. Οι σχηματισμοί στο πειραματικό μοντέλο εντοπίσθηκαν στο εσωτερικό των ενδοφακών και με την πάροδο του χρόνου, διαπιστώθηκε ότι μετατοπίζονταν προς τα επιφανειακά στρώματα των φακών. Επίσης, οι εναποθέσεις εμφανίσθηκαν ως γραμμικό μέτωπο παράλληλο προς την γραμμή της επιφάνειας των ενδοφακών. Τόσο η μορφολογική εξέταση των εναποθέσεων στο εσωτερικό όσο και η φασματοσκοπική τους ταυτοποίηση, έδειξε ότι η σύστασή τους ήταν εξ’ ολοκλήρου ΗΑΡ, χωρίς να αποκλείεται και ο σχηματισμός πρόδρομης φάσης OCP, δεδομένου του ότι βρέθηκαν κρυσταλλίτες οι οποίοι μορφολογικά παρουσιάζουν μεγάλη ομοιότητα στη φάση αυτή. Η ερμηνεία της διαπίστωσης του γεγονότος ότι η ασβεστοποίηση λαμβάνει χώρα στο εσωτερικό των ενδοφακών, συνίσταται στο ότι η διάχυση των ιόντων Ca2+ και PO43- εντός της πολυμερικής μήτρας, προχωρεί μέχρι τέτοιο βαθμό ώστε να δημιουργούνται στο εσωτερικό του πολυμερούς συνθήκες τοπικού υπερκορεσμού, κατάλληλες για τη δημιουργία των αντίστοιχων κρυστάλλων. Με την υπόθεση ότι οι τιμές των συντελεστών διάχυσής των ιόντων Ca2+ και PO43- εντός της πολυμερικής μήτρας, είναι της αυτής τάξεως μεγέθους είναι δυνατόν να εξηγηθεί και η εμφάνιση μετώπου συγκέντρωσης των. Η συσσώρευση των ιόντων τα οποία αποτελούν τα δομικά συστατικά του ΗΑΡ συνεχίζεται μέχρις ότου επιτευχθεί μία κρίσιμη τιμή υπερκορεσμού. Σε αυτό το σημείο σχηματίζονται οι πυρήνες και λαμβάνει χώρα η κρυσταλλική ανάπτυξη με τον ερχομό και συσσώρευση επιπρόσθετων ιόντων. Η ασβεστοποίηση των υδρόφιλων ενδοφακών είναι μία προοδευτική και συνεχώς εξελισσόμενη διαδικασία μετά την εμφύτευσή τους και όσο περισσότερο αφήνεται να εξελιχθεί τόσο αυξάνεται η πυκνότητα των εναποθέσεων στο εσωτερικό των φακών. Η επιφάνεια μπορεί να προσβληθεί μόνο σε όψιμες φάσεις και αρκετά χρόνια μετά την εμφύτευση των φακών. Στο σημείο αυτό κρύσταλλοι μπορεί να αναπτυχθούν και σε σημεία, στα οποία έχουν δημιουργηθεί στην επιφάνεια του πολυμερούς σχισμές και χαρακιές. Το θέμα της έναρξης της ασβεστοποίησης (εσωτερικό ή επιφάνεια) χρειάζεται περαιτέρω διερεύνηση. Σύμφωνα με κάποιες αναφορές στη βιβλιογραφία, προτείνεται ότι η έναρξη της ασβεστοποίησης γίνεται στην επιφάνεια των ενδοφακών. Στην παρούσα εργασία, σε συνθήκες χαμηλού υπερκορεσμού, ανάλογες με τις αντίστοιχες υγιούς υδατοειδούς υγρού η ασβεστοποίηση έλαβε χώρα στο εσωτερικό της πολυμερικής μήτρας του ενδοφακού και σε χρόνο και με τρόπο ο οποίος μπορεί να εξηγηθεί από τη (βραδεία) διάχυση των δομικών ιόντων του ΗΑΡ στο εσωτερικό της πολυμερικής μήτρας. Τα ευρήματα και τα συμπεράσματα από την ολοκλήρωση της πειραματικής διαδικασίας με τη χρήση υδρόφιλων ενδοφακών με υδρόφοβη επικάλυψη δείχνουν ότι το θέμα της έναρξης της ασβεστοποίησης˙ εσωτερικό ή επιφάνεια φαίνεται ότι εκτός από τον υπερκορεσμό, υψηλός ή χαμηλός, εξαρτάται και από τη φύση του πολυμερούς του φακού˙ υδρόφιλη ή υδρόφοβη. Τα ευρήματα δείχνουν ότι η υδρόφιλη φύση ευνοεί τη διάχυση, ενώ το υδρόφοβο υλικό την έναρξη της ασβεστοποίησης στην επιφάνεια του φακού. Τα ευρήματα δείχνουν ότι η υδρόφιλη φύση ευνοεί τη διάχυση, ενώ το υδρόφοβο υλικό την έναρξη της ασβεστοποίησης στην επιφάνεια του φακού. Συμπερασματικά, η όψιμη μετεγχειρητική ασβεστοποίηση των ενδοφακών συνιστά σοβαρή επιπλοκή και αιτία μείωσης της όρασης. Λόγω του ότι η διαδικασία και η εκδήλωση του φαινομένου έχει καθυστερημένη έναρξη, είναι σημαντική η μακροχρόνια και προσεκτική παρακολούθηση αυτών των ασθενών. Αρκετοί οφθαλμίατροι δεν είναι ενήμεροι ως προς αυτήν την κλινική οντότητα και αναγνωρίζοντάς την βοηθούν ώστε να μην υποβάλλουν τους ασθενείς σε ανώφελες επεμβάσεις. Η χειρουργική εξαίρεση του φακού συνιστά τη μοναδική θεραπευτική προσέγγιση, καθώς ασθενείς με ασβεστοποιημένους φακούς παρουσιάζουν σταδιακή μείωση της οπτικής τους οξύτητας και καμία περίπτωση αυτόματης υποστροφής δεν έχει παρατηρηθεί. / Small incision cataract surgery with foldable IOL implantation resulted in a new postoperative complication, IOL opacification. Various factors implicated in the phenomenon have been suggested, including inflammation, irrigation solutions and viscosurgical devices, silicone and fatty acids contamination. There is increasing evidence that IOL opacification is due to calcification. Modeling in vivo processes by reliable and reproducible in vitro methods is of key importance to understand the underlying mechanisms. Precise thermodynamic calculations of equilibrium speciation in combination with kinetics measurements at conditions simulating the eye environment are expected to yield mechanistic information concerning the formation of calcium phosphate deposits. In the present contribution we have developed an experimental approach for the investigation of the mechanism of calcification of hydrophilic acrylic IOLs. A double walled thermostated reactor was constructed, volume totaling 10 ml made of polyamide. The reactor had glass windows on top and bottom to allow for the direct observation of the IOL specimens in situ using an optical microscope combined with an image analysis system. In the external wall of the reactor, water supplied from a thermostat was circulated in order to maintain the temperature at 37.0  0.2˚C, while in the interior of the reactor constant flow of a simulated aqueous humor solution (SAH) was ensured with the help of a syringe pump. The SAH solution was introduced in the reactor in an once flow mode at a flow rate of 0.2ml/h, simulating the in vivo flow in the anterior chamber, where aqueous humor is fully renewed within 2 hours. Hydrophilic acrylic IOLs (A, B and C) in triplicate, made of Poly-HEMA with 26% water content were placed in a special holder. The observation of IOLs was done in situ daily by optical microscopy, for the assessment of the opacification progress. Five months after the initiation of the experiment, Lens A was removed in order to be inspected, both at the surface and in the interior. The morphology of the deposits was examined using Scanning Electron Microscopy (SEΜ). The composition of the deposits was identified by microanalysis with Energy Dispersive x-ray Spectroscopy (EDS). Lens B was removed on the ninth month, while Lens C was inspected one year after the onset of the experiment. Similar studies including SEM and EDS analysis were used for the investigation of both those lenses. Investigation showed deposits of calcium phosphate crystallites in the interior of opacified IOLs. These deposits however, were not observed on the IOL’s surface. The thermodynamic driving force for the formation of a salt from solution is the difference between the chemical potentials of the salt in solution from the equilibrium. Taking into account that the calcium concentration in normal aqueous humor is low, about half of the respective value in blood serum, it may be assumed that any cause of localized increase in calcium and phosphorus might result in dystrophic calcification. The experiments in the present work were done at conditions of practically constant supersaturation, since the solution in the experimental reactor was flown once through thus providing a reasonable simulation of the in vivo conditions. Heterogeneous nucleation, an almost ubiquitous phenomenon, is initiated at impurity sites and foreign surfaces in contact with supersaturated solutions. The induction time preceding the formation of nuclei of solids which grow to crystals depends on several factors, including temperature, pH, ionic strength, solution composition which determine the thermodynamic driving force for the formation of the solid phase. Biological fluids like blood serum or aqueous humor are supersaturated with respect to a number of different phases of calcium phosphate salts, in the order of decreasing solubility: Calcium phosphate dehydrate (CaHPO42H2O, DCPD), Tricalcium phosphate (Ca3(PO4)2, TCP), Octacalcium phosphate (Ca8H2(PO4)65 H2O, OCP) and Hydroxyapatite (Ca10(PO4)6(OH)2, HAP). HAP is the thermodynamically stable phase while the rest of the crystalline phases are precursors which may be formed and/or stabilized in supersaturated solutions depending on the conditions in the supersaturated solutions. The tendency for particular calcium phosphate phases to form in supersaturated solutions may be estimated from the solubility phase diagrams of calcium phosphates. Unstable precursor phases, if formed, they convert through hydrolytic processes to the thermodynamically most stable. The process of biomaterial calcification seems moreover to be influenced by factors such as polymer structure, polymer porosity and water content. The ionizable surface hydroxyl groups (present in the carboxyl functional groups) available on the surface of the acrylic polymers may act as sites for nucleation and growth of mineral phase, through surface complexation with calcium ions. The presence of larger numbers of –COOH groups on the polymers accelerate the process of Ca-P overgrowth. The higher extend of hydration in hydrophilic materials leads to higher ionization of the surface functional groups, thus promoting calcification through the formation of complexes with Ca2+ ions. The higher calcification incidents observed in IOLs with higher water content has been attributed to this fact. The polar functional groups (-COO) on the surface of the polymeric matrix of IOLs result in the significant increase in electron density and the subsequent reduction of the interfacial energy between the polymer and aqueous solution. The energy barrier to diffusion of calcium and phosphate species from the bulk solution to the substrate is also reduced, through the formation of surface complexes, which favor the accumulation of Ca2+ and PO43- ions, thus promoting calcification. Our in vitro model experiments have shown that IOL’s calcification is a process initiated at the interior of the IOLs tested. SEM investigation in combination with EDS microanalysis, confirmed the presence of HAP crystallites with sizes less than 100nm. Raman spectroscopy analyses of the opacified lenses corroborated the findings for HAP formation in the interior of the polymeric matrix. X-Ray diffraction measurements failed to identify the presence of minerals apparently because of the low content (by mass) of solid in the polymeric matrix. Supersaturation of the aqueous humor, with respect to calcium phosphate, is the driving force a necessary condition for nucleation of Ca-P salts. The formations observed in our experimental set-up which simulated closely in vivo conditions, were found exclusively in the interior of the IOLs. The solid deposits formed linear fronts parallel to the lens surfaces, advancing with time. It may be suggested therefore that the deposits fronts is the result of diffusion of Ca2+, PO43- and OH- ions through the polymer matrix in contact with the polymer. Assuming similar values for the diffusion coefficients of Ca2+, PO43- and OH- ions in the gel (bulk polymer) material the formation of linear deposits fronts may be explained from the formation of the supersaturated solutions at a depth in which a critical supersaturation was reached. At this point calcium phosphate nuclei form and grow with the arrival of additional ions. IOL’s calcification is an ongoing process after IOL implantation, and the longer the process proceeds, the density of the deposits in the interior of the IOL increases. In all of the cases surface was free of deposits and the distortions that were observed are thought to be due to changes in polymer structure in the IOL’s interior. Surface can be affected only in late phases of calcification and many years after IOL implantation. At this stage crystals may outgrow especially at places in which the polymer’s surface has developed fissures. The issue of calcification’s process initiation (interior or surface) needs further investigation. Reports in the literature, suggest that calcification is initiated on the surface of the IOL. In our experiment where low supersaturation conditions have been achieved, diffusion was favored resulting in calcification at the interior of the polymeric matrix. Investigation and analysis of IOLs with hydrophobic surface confirmed that the issue of calcification`s process initiation is more over influenced by factors others than supersaturation conditions, such as the hydrophilic or hydrophobic nature of the IOLs surface. The experimental analysis proved that hydrophilic IOLs favor ions diffusion while hydrophobic material limits calcification process on the surface. In conclusion, late postoperative IOL opacification causes a severe loss of visual acuity. Because calcification process appears to be of delayed onset it is important to be vigilant in the long-term follow-up of these patients. Many ophthalmologists are not aware of this clinical problem and recognizing this phenomenon will help prevent patients from undergoing useless procedures. IOL exchange is the only therapeutic approach, in such patients, as patients with calcified IOLs have gradual deterioration of their visual acuity and no case of spontaneous recovery has been observed.

Abstract This study was undertaken to identify mechanisms of adhesion of intraocular lenses (IOLs) to the capsular bag after cataract surgery and IOL implantation. It was also done to challenge the sandwich theory presented for posterior capsular opacification (PCO): If the IOL is made of a bioactive material it would allow a single lens epithelial cell layer to bond both to the IOL and the posterior capsule at the same time. This would produce a sandwich pattern including the IOL, the cell monolayer and the posterior capsule. The sealed sandwich structure would prevent further epithelial ingrowth. The degree of bioactivity of the IOL could explain the basic difference in the incidence of PCO and capsulotomy rates with different IOL materials. The sandwich theory was put forward on the basis of a search for a keratoprosthesis material, which would allow maximal adhesion of the prosthesis to corneal tissue. Titanium and glass-ceramic coated titanium were found to develop better adhesion than poly (methyl methacrylate) (PMMA). The adhesion of PMMA to the corneal stromal tissue was loose, and down growth of corneal epithelial cells was seen around the prosthesis. The differences between various IOL materials were first tested with rabbit corneal tissue cultures. There was better adhesion of corneal tissue to soft, hydrophobic acrylate than to PMMA, heparin surface modified (HSM)-PMMA, silicone or hydrogel IOLs. To assess differences in protein adhesion to IOL surfaces, different IOLs were incubated for 24 hours with radioactive iodine labeled fibronectin. Soft hydrophobic acrylate (AcrySof®) showed the highest binding of fibronectin, and the differences relative to all the other materials were significant (p < 0.01-0.001), except to PMMA (p = 0.31). The sandwich theory and the results with rabbit corneal tissue cultures and the protein adhesion study in vitro were evaluated against the results found in pseudophakic autopsy eyes. Altogether, 70 autopsy eyes were analyzed. From 38 autopsy eyes containing PMMA, silicone, soft hydrophobic acrylate or hydrogel IOLs histological sections were prepared from the capsular bag and immunohistochemical analyses were performed for fibronectin, vitronectin, laminin and collagen type IV. A total of 152 specimens were analyzed. From 32 autopsy eyes containing IOLs made of PMMA, silicone, acrylate or hydrogel, IOLs were explanted from the capsular bag and immunohistochemical analysis was done on both sides of the IOLs for fibronectin, vitronectin, laminin or collagen type IV. Soft hydrophobic acrylate IOLs had significantly more adhesion of fibronectin to their surfaces than PMMA or silicone IOLs. Also, more vitronectin was attached to acrylate IOLs than to the other IOL materials. Silicone IOLs had more collagen type IV adhesion in comparison to the other IOL materials studied. In histologic sections a sandwich-like structure (anterior or posterior capsule-fibronectin-one cell layer-fibronectin-IOL surface) was seen significantly more often in eyes with acrylate IOLs than in PMMA, silicone or hydrogel IOL eyes. These studies support the sandwich theory for posterior capsule opacification after cataract surgery with IOLs. The results suggest that fibronectin may be the major extracellular protein responsible for the attachment of acrylate IOLs to the capsular bag. This may represent a true bioactive bond between the IOL and the lens epithelial cells, and between the IOL and the capsular bag. This may explain the reason for clinical observations of less posterior capsular opacification and lower capsulotomy rates with the soft hydrophobic acrylate material of AcrySof® IOLs compared to the other IOL materials studied.

<p>Improved materials for implantation as intraocular lens (IOL) devices are needed to minimize the occurrence of posterior capsule opacification (PCO). In this work, novel polydimethylsiloxane (PDMS) loaded with matrix metalloprotease inhibitors (MMPI) were developed as model IOL materials.</p> <p>PDMS was chosen as silicones are currently used successfully as IOLs. Inhibitor release rates and amount of initial burst of drug-loaded PDMS could be controlled by changing solvent when loading into elastomer base, as well as drug loading method, and release buffer.</p> <p>Two lens epithelial cell lines were characterized for in vitro tests: FHL124 and HLE B3. These cell lines produce different combinations of extracellular matrix proteins when grown on various biomaterial surfaces. Significant differences between the two cell lines were observed both in collagen VIII and α-smooth muscle actin levels, both when cells were unstimulated, and as a result of epithelial to mesenchymal transition induced by treatment with transforming growth factor β2. FHL124 cells were selected in further tests due to their consistent expression of extracellular matrix components when exposed to different materials.</p> <p>Solutions of synthetic MMPI GM6001 and MMP 2/9 Inhibitor II, known to mitigate anterior subcataract formation, were released from PDMS and found to protect in a modest but significant way against protein profile changes and to delay migration. Due to the Zn²⁺ dependence of MMPs, chelators, including EDTA, TPEN and 1-10 phenanthroline were examined as alternative inhibitors. Only the latter was found to have a significant effect on cell migration rates in vitro. Sulfadiazine, due to its chemical resemblance to synthetic MMPI was determined to be the most efficient at reducing migration rates as well as to have the lowest toxicity.</p> <p>Overall, sulfadiazine was determined in this work to be a potentially effective solution to mitigating PCO. These results indicate that releasing MMPI molecules from PDMS as a model IOL is a promising way to mitigate aspects of PCO.</p> / Thesis / Doctor of Philosophy (PhD)

No description available.