A Nanotechnology-Based Solution for Enhancing Corneal Permeability in the Treatment of Keratoconus

Abstract

O olho humano e as doenças oculares têm sido amplamente estudados. O queratocone (QC) é uma doença estrutural degenerativa da córnea caracterizada pelo afinamento do estroma e do epitélio, o que leva a astigmatismo irregular e que pode comprometer progressivamente a visão de jovens e crianças. A reticulação da córnea (CXL) é o tratamento mais comum para prevenir a progressão do QC. O CXL convencional envolve a remoção da camada epitelial da córnea (epi-off), seguida de incorporação de riboflavina (RF) e irradiação com luz ultravioleta (UV) A. Este processo promove ligações covalentes entre o colagénio e os proteoglicanos, aumentando a robustez da córnea. No entanto, o CXL apresenta desvantagens, como a remoção epitelial dolorosa, complicações pós-operatórias, como queratite, e recuperação visual demorada devido ao atraso na cicatrização das feridas epiteliais. As células epiteliais da córnea estão conectadas por junções oclusivas (JOs), que limitam a difusão da RF no estroma, afetando a eficácia do CXL. Foi demonstrado que a hipertermia aumenta transitoriamente a permeabilidade da barreira hematoencefálica (BHE). Com base nesta premissa, a nossa hipótese é de que a hipertermia causada induzida por IVP aumenta a permeabilidade da córnea, facilitando a entrada de RF no estroma sem a necessidade de remoção do epitélio da córnea.Para abordar esta hipótese, testámos um novo dispositivo médico baseado em nanotecnologia que consiste numa lente de contacto (LC) responsiva a IVP, desenvolvida pela nossa equipa. Primeiramente, avaliámos as condições de segurança para o uso da radiação IVP no olho, usando um modelo de olho de porco ex vivo. Em segundo lugar, avaliámos a sua eficácia na permeabilidade do epitélio da córnea à RF usando olhos de porco ex vivo e ratos Rowett Nude (RNU+) in vivo. O objetivo geral deste estudo é validar este novo dispositivo médico como um protocolo para o tratamento do QC mantendo o epitélio (epi-on), garantindo segurança e conforto ao paciente, bem como uma recuperação rápida.Neste estudo estabelecemos um limite de segurança para a radiação IVP de 100mW/cm2 durante 10s no olho. Foi possível notar um efeito de bloqueio à radiação IVP pela lente de contacto (LC) comerciais, tanto a 200 como a 300mW/cm2. É importante realçar que o nosso dispositivo médico foi capaz de proteger a retina e o epitélio pigmentado da retina (EPR) do impacto negativo da radiação, até 300mW/cm2. No entanto, mais estudos são cruciais para avaliar o impacto da radiação no IVP com o nosso dispositivo médico na córnea, retina e EPR e os seus efeitos nas JOs da córnea. Não foram observadas diferenças claras entre o controlo negativo (sham) e os olhos com o dispositivo médico. Este plano de investigação “de bancada” preenche a lacuna entre as experiências laboratoriais e a aplicação clínica, representando a colaboração entre investigadores fundamentais e médicos. Estes esforços conjuntos resultaram numa solução inovadora baseada na nanotecnologia, para melhorar o tratamento CXL para o QC. Esta abordagem está alinhada com a competitividade da indústria e aborda os desafios da sociedade.

The human eye and ocular diseases have been extensively researched. Keratoconus (KC) is a degenerative structural corneal disease characterized by stromal and epithelial thinning, leading to irregular astigmatism and progressive vision impairment in youth and children. Corneal cross-linking (CXL) is the standard treatment to halt KC progression. Conventional CXL involves the removal of the epithelial layer (epi-off), followed by riboflavin (RF) soaking and ultraviolet (UV) A light irradiation. This process forms covalent bonds between collagen and proteoglycans, stiffening the cornea. Nonetheless, CXL has drawbacks such as painful epithelial removal, post-operative complications, including corneal infection keratitis, and delayed visual recovery due to epithelial wound healing delay. Corneal epithelial cells are connected by tight junctions (TJs), which limit RF diffusion into the stroma, affecting CXL efficacy. Hyperthermia has been shown to transiently increase blood-brain barrier (BBB) permeability. Based on this, we hypothesized that NIR-induced hyperthermia increases corneal permeability, facilitating RF entry into the stroma and obviating epithelial removal.To address this hypothesis, we tested a novel nanotechnology based-medical device consisting of a modified commercial contact lens (CL) responsive to NR, developed by our team. First, we assessed the safety conditions for the use of NIR radiation in the eye, using an ex vivo porcine eye model. Secondly, we evaluated its effectiveness on corneal epithelial permeability to RF using ex vivo porcine eyes and in vivo Rowett Nude (RNU+) rats. Overall, the aim of this study is to validate this novel medical device as an epithelium-on (epi-on) KC treatment protocol, ensuring safety, patient comfort, and swift recovery advantages. Our findings established a safety limit of 100mW/cm2 NIR radiation for 10s in the eye. It was possible to note a blocking effect of the NIR radiation conferred by the CL, both at 200 and 300mW/cm2. Importantly, we showed that our medical device was able to protect the retina and the retinal pigmented epithelium (RPE) from the negative outcomes of the radiation protective against harmful radiation effects, until 300mW/cm2. However, further studies are crucial to assess the impact of NIR radiation using the our medical device on the cornea, retina, and RPE and its effects on the corneal epithelial TJs. No clear differences were observed between the negative control (sham) and the eyes with the medical device.This “bench to side” research plan, bridging the gap from laboratory experiments to clinical application, represents collaboration between basic scientists and medical doctors. Joint efforts resulted in an innovative nanotechnology-based solution, introducing a pioneering nanotechnology-based approach to enhance CXL treatment for KC. This approach aligns with industry competitiveness and addresses public societal challenges.