Lens capsule tissue culture for the investigation and prevention of posterior capsule opacification

Abstract

Les cataractes són la principal causa de ceguesa al món i es deuen a una opacificació progressiva del cristal·lí. Encara que les cataractes siguin fàcils de tractar, en molts casos la mateixa cirurgia pot donar lloc a una segona pèrdua de la visió, coneguda com a opacificació de la càpsula posterior (OCP). La OCP es desenvolupa a causa d'una combinació de la proliferació, migració i transdiferenciació de les cèl·lules residuals que queden a la càpsula del cristal·lí després de la cirurgia de cataractes, el que resulta en una pèrdua progressiva de la visió.

Hi ha molts estudis sobre la prevenció de l'OCP, des d'ajustos de les tècniques i materials quirúrgics, fins a tractaments farmacològics. Actualment, l'opció més efectiva és evitar mecànicament que les cèl·lules envaeixin l'eix visual. Malgrat aquests avenços, l'OCP i segueix sent una complicació postquirúrgica que afecta molts pacients.

En aquesta tesi, hem utilitzat un model in vitro de teixit capsular per estudiar el desenvolupament i la possible prevenció d'OCP. En el nostre primer estudi, fem veure la progressió natural de l'OCP in vitro i posteriorment tractem de prevenir-la amb diferents substàncies. No obstant això, tot i utilitzar un tractament agressiu de peròxid d'hidrogen, es va desenvolupar OCP en la meitat dels casos. Això va destacar la impressionant resistència d'aquestes cèl·lules i la dificultat de prevenir el seu desenvolupament.

En el nostre segon estudi, mostres d'OCP que s'havien desenvolupat in vivo, van ser comparades amb les nostres mostres in vitro anteriors per comprendre millor el desenvolupament de l'OCP. Concloem que l'OCP es deu al procés fallit per part de les cèl·lules residuals de regenerar el cristal·lí.

Això ens va fer tornar a avaluar el nostre enfocament sobre la prevenció de l'OCP. En lloc d'estudiar diferents formes de prevenir el desenvolupament de l'OCP farmacològicament, ara pretendre estudiar si les cèl·lules poguessin regenerar un cristal·lí transparent. La idea de regenerar el cristal·lí no és nova, però només s'ha observat i estudiat en animals i nadons, mai en humans adults.

Amb aquest nou objectiu en ment, primer volíem estudiar si els casos avançats d'OCP desenvolupen de forma natural teixit transparent, tot i semblar opac quan s'observa clínicament. Per fer això, vam extraure mostres avançades d'OCP de teixit ocular de donants ex vivo i les seccionem gruixudament per analitzar-les sagitalmente. Observem que en la majoria dels casos una porció significativa del teixit intern era transparent. Això va donar suport encara més la nostra idea de la regeneració del cristal·lí com una possible opció de tractament futur.

Finalment, vam desenvolupar un nou model de cultiu in vitro que considerem que afavorís el desenvolupament de cèl·lules normals del cristal·lí en lloc de cèl·lules fibròtiques. Realitzem canvis en la preparació quirúrgica de les mostres per augmentar el nombre inicial de cèl·lules, reduir l'estrès cel·lular i millorar el contacte entre les càpsules anterior i posterior. No obstant això, no vam aconseguir la regeneració del cristal·lí, però disminuïm alguns factors relacionats amb l'OCP fibròtica. Això ressalta la complexitat d'aquest nou enfocament.

Aquesta tesi i la idea de la regeneració del cristal·lí com a tractament obren moltes noves vies d'estudi interessants i tenim tota la intenció de continuar per aquest nou camí.

Las cataratas son la principal causa de ceguera en el mundo y se deben a una opacificación progresiva del cristalino. Aunque las cataratas sean fáciles de tratar, en muchos casos la misma cirugía puede dar lugar a una segunda pérdida de la visión, conocida como opacificación de la cápsula posterior (OCP). La OCP se desarrolla debido a una combinación de la proliferación, migración y transdiferenciación de las células residuales que quedan en la cápsula del cristalino tras la cirugía de cataratas, lo que resulta en una pérdida progresiva de la visión.

Hay muchos estudios sobre la prevención de la OCP, desde ajustes de las técnicas y materiales quirúrgicos, hasta tratamientos farmacológicos. Actualmente, la opción más efectiva es evitar mecánicamente que las células invadan el eje visual. A pesar de estos avances, la OCP y sigue siendo una complicación postquirúrgica que afecta a muchos pacientes.

En esta tesis, hemos utilizado un modelo in vitro de tejido capsular para estudiar el desarrollo y la posible prevención de OCP. En nuestro primer estudio, simulamos la progresión natural de la OCP in vitro y posteriormente tratamos de prevenirla con diferentes sustancias. Sin embargo, a pesar de utilizar un tratamiento agresivo de peróxido de hidrógeno, se desarrolló OCP en la mitad de los casos. Esto destacó la impresionante resistencia de estas células y la dificultad de prevenir su desarrollo.

En nuestro segundo estudio, muestras de OCP que se habían desarrollado in vivo, fueron comparadas con nuestras muestras in vitro anteriores para comprender mejor el desarrollo de la OCP. Concluimos que la OCP se debe al proceso fallido por parte de las células residuales de regenerar el cristalino.

Esto nos hizo reevaluar nuestro enfoque sobre la prevención de la OCP. En lugar de estudiar distintas formas de prevenir el desarrollo de la OCP farmacológicamente, ahora pretendimos estudiar si las células pudieran regenerar un cristalino transparente. La idea de regenerar el cristalino no es nueva, pero solo se ha observado y estudiado en animales y bebés, nunca en humanos adultos.

Con este nuevo objetivo en mente, primero queríamos estudiar si los casos avanzados de OCP desarrollan de forma natural tejido transparente, a pesar de parecer opaco cuando se observa clínicamente. Para hacer esto, extrajimos muestras avanzadas de OCP de tejido ocular de donantes ex vivo y las seccionamos gruesamente para analizarlas sagitalmente. Observamos que en la mayoría de los casos una porción significativa del tejido interno era transparente. Esto apoyó aún más nuestra idea de la regeneración del cristalino como una posible opción de tratamiento futuro.

Finalmente, desarrollamos un nuevo modelo de cultivo in vitro que consideramos que favoreciera el desarrollo de células normales del cristalino en lugar de células fibróticas. Realizamos cambios en la preparación quirúrgica de las muestras para aumentaron el número inicial de células, reducir el estrés celular y mejorar el contacto entre las cápsulas anterior y posterior. Sin embargo, no logramos la regeneración del cristalino, pero disminuimos algunos factores relacionados con la OCP fibrótica. Esto resalta la complejidad de este nuevo enfoque.

Esta tesis y la idea de la regeneración del cristalino como tratamiento abren muchas nuevas vías de estudio interesantes y tenemos toda la intención de continuar por este nuevo camino.

Cataracts are the world's leading cause of blindness and are due to a progressive opacification of the eye lens. Fortunately, cataracts are easy to treat, however in many cases surgery can lead to a secondary loss of vision, known as posterior capsule opacification (PCO). PCO develops due to a combination of the proliferation, migration, and transdifferentiation of residual lens cells left in the lens capsule, after cataract surgery, resulting in a progressive loss of vision.

Many approaches for PCO prevention have been studied, from adjustments to surgical techniques and materials, to pharmacological treatment. Currently the most effective option is to mechanically prevent cells from invading the visual axis. Despite these advances, the development of PCO is still a common post-surgical complication that affects many patients.

In this thesis, we used an in vitro lens capsule tissue model to study the development and possible prevention of PCO. In our first study, we simulated the natural progression of PCO in vitro and subsequently tried to prevent it with different substances. However, despite using an aggressive approach of hydrogen peroxide, PCO still developed in half of the cases. This highlighted the impressive resilience of these cells and why prevention is such a difficult task.

In our second study, samples of PCO developed in vivo, were compared to our previous in vitro samples in order to better understand the development of PCO. We concluded that PCO is due to a failed attempt of the residual lens cells to regenerate the lens.

This made us reevaluate our approach to PCO prevention. Instead of studying ways to prevent the development of PCO pharmacologically, we intended to study whether residual lens epithelial cells could regenerate a transparent lens. The idea of regenerating the lens isn't new, but it has only ever been observed and studied in animals and infants, never in human adults.

With this new goal in mind, we first wanted to study whether advanced cases of PCO naturally developed any transparent tissue, despite appearing opaque when observed clinically. In order to do this, we extracted advanced PCO tissue samples from ex vivo donor eye globes and thickly sectioned them in order to analyze them sagittally. We observed that in most cases a significant portion of the inner tissue is transparent. This further supported our idea of adult lens regeneration as a possible future treatment option.

Finally, we developed a new in vitro culture model that we believed would favor the development of normal lens cells instead of fibrotic cells. We made changes to the surgical preparation of the samples to increase residual lens cells, reduce the stress to these and improve the contact between the anterior and posterior capsules. However, lens regeneration was not achieved, but we did decrease some factors related to fibrotic PCO. This highlights the complexity of this new approach.

This thesis and the idea of lens regeneration as a treatment option, opens up many new interesting avenues of study and we intend to continue along this new path.