Cornea graft endothelial cells undergo apoptosis by way of an alternate (caspase-independent) pathway.

PURPOSE: To look for apoptosis pathways involved in corneal endothelial cell death during acute graft rejection and to evaluate the potential role of nitric oxide in this process. MATERIALS AND METHODS: Corneal buttons from Brown-Norway rats were transplanted into Lewis rat corneas. At different time intervals after transplantation, apoptosis was assessed by diamino-2-phenylindol staining and annexin-V binding on flat-mount corneas, and by terminal transferase dUTP nick end labeling (TUNEL), caspase-3 dependent and leukocyte elastase inhibitor (LEI)/LDNase II caspase-independent pathways on sections. Inducible nitric oxide synthase (NOS-II) expression and the presence of nitrotyrosine were assayed by immunohistochemistry. RESULTS: Graft endothelial cells demonstrated nuclear fragmentation and LEI nuclear translocation, annexin-V binding, and membranes bleb formation. Apoptosis associated with caspase-3 activity or TUNEL-positive reaction was not observed at any time either in the graft or in the recipient corneal endothelial cells. During 14 days posttransplantation, the recipient corneal endothelial cells remained unaltered and their number unchanged in all studied corneas. NOS-II was expressed in infiltrating cells present within the graft. This expression was closely associated with the presence of nitrotyrosine in endothelial and infiltrating cells. CONCLUSION: During the time course of corneal graft rejection, graft endothelial cells undergo apoptosis. Apoptosis is caspase 3 independent and TUNEL negative and is, probably, carried out by an alternative pathway driven by an LEI/L-Dnase II. Peroxynitrite formation may be an additional mechanism for cell toxicity and programmed cell death of the graft endothelial cells during the rejection process in this model.

Delivery of antisense oligonucleotide to the cornea by iontophoresis.

We wished to evaluate the potential of iontophoresis to promote the delivery of antisense oligonucleotides (ODN) directed at the vascular endothelial growth factor (VEGF)-R2 receptor (KDR/Flk) to the cornea of the rat eye. Fluorescence (CY5)-labeled ODNs in phosphate-buffered saline (PBS) (20 microM) were locally administered to rat eyes, and their fate within the anterior segment was studied. Thirty-four male, 5-week-old Wistar rats were used for all experiments. The rats were divided in four groups. In group I (12 rats, 12 eyes), the ODNs (20 microM) were delivered by iontophoresis (300 microA for 5 minutes) using a specially designed corneal applicator. In group II (12 rats, 12 eyes), the ODNs (20 microM) were delivered using the same applicator, but no electrical current was applied. In group III (6 rats, 6 eyes), a corneal neovascular reaction was induced prior to the application of ODNs (20 microM), and iontophoresis electrical current was delivered as for group I rats. Group IV (4 rats, 4 eyes) received ODN (60 microM) iontophoresis application (300 microA for 5 minutes) and were used for ODN integrity studies. The animals were killed 5 minutes, 90 minutes, and 24 hours after a single ODN application and studied. Topically applied ODNs using the same iontophoresis applicator but without current do not penetrate the cornea and remain confined to the superficial epithelial layer. ODNs delivered with transcorneoscleral iontophoresis penetrate into all corneal layers and are also detected in the iris. In corneas with neovascularization, ODNs were particularly localized within the vascular endothelial cells of the stroma. ODNs extracted from eye tissues 24 hours after iontophoresis remained unaltered. The iontophoresis current did not cause any detectable ocular damage under these conditions. Iontophoresis promotes the delivery of ODNs to the anterior segment of the eye, including all corneal layers. Iontophoresis of ODNs directed at VEGF-R2 may be used for the design of specific antiangiogenic strategy in diseases of the cornea.

Growth of red and green strains of the tropical agarophyte Gracilaria cornea J. Agardh (Gracilariales, Rhodophyta) in laboratory

Gracilaria cornea J. Agardh is an important agarophyte occurring in the western Atlantic Ocean. Green colour individuals of G. cornea were found in a natural population, growing next to red individuals, which were more common. Due to the importance of colour strains in genetic and intraspecific variability studies, this work aimed to characterize the red and green strains evaluating different nutritional and light conditions. Red and green gametophytes were cultivated at 14:10 light: dark cycle, with alternating aeration periods of 30 min. Two different enriched solutions were tested: von Stosch (VSS) at concentrations reduced to 12.5% and 25%; and Provasoli (PES) at concentrations reduced to 25% and 50%, and 100%. Red and green gametophytes were cultivated at the irradiance of 45 mumol photons m-2 s-1. In another experiment utilizing PES 100%, two sources of light (Osram 40 W daylight fluorescent tubes and Sylvania Designer 3,500 tubes) were tested at irradiances of 90 and 180 mumol photons m-2 s-1. Growth rates (GR) were evaluated for five weeks. Gametophytes developed few branches and reproductive structures were not induced. Differences were not observed between GR of red and green strains in the conditions tested. GR were higher in VSS 12.5% (8.4% day-1) than in 25% (7.1% day-1), suggesting an adaptation of the species to low nutrient concentrations. GR were higher at 180 (9.0% day-1) than at 90 mumol photons m-2 s-1 (6.3% day-1). These results suggest that G. cornea should be cultivated in laboratory at high irradiances and low nutrient concentrations. These data will be useful in future genetic and physiological studies of the species.

Effect of epithelial debridement on human cornea proteoglycans

Corneal transparency is attributed to the regular spacing and diameter of collagen fibrils, and proteoglycans may play a role in fibrillogenesis and matrix assembly. Corneal scar tissue is opaque and this opacity is explained by decreased ultrastructural order that may be related to proteoglycan composition. Thus, the objectives of the present study were to characterize the proteoglycans synthesized by human corneal explants and to investigate the effect of mechanical epithelial debridement. Human corneas unsuitable for transplants were immersed in F-12 culture medium and maintained under tissue culture conditions. The proteoglycans synthesized in 24 h were labeled metabolically by the addition of 35S-sulfate to the medium. These compounds were extracted by 4 M GuHCl and identified by a combination of agarose gel electrophoresis, enzymatic degradation with protease and mucopolysaccharidases, and immunoblotting. Decorin was identified as the main dermatan sulfate proteoglycan and keratan sulfate proteoglycans were also prominent components. When the glycosaminoglycan side chains were analyzed, only keratan sulfate and dermatan sulfate were detected (~50% each). Nevertheless, when these compounds were 35S-labeled metabolically, the label in dermatan sulfate was greater than in keratan sulfate, suggesting a lower synthesis rate for keratan sulfate. 35S-Heparan sulfate also appeared. The removal of the epithelial layer caused a decrease in heparan sulfate labeling and induced the synthesis of dermatan sulfate by the stroma. The increased deposit of dermatan sulfate proteoglycans in the stroma suggests a functional relationship between epithelium and stroma that could be related to the corneal opacity that may appear after epithelial cell debridement.

The impact of topical prostaglandin analogs on the biomechanical properties of the cornea in patients with open angle glaucoma

Justification: Le glaucome entraîne une perte progressive de la vision causée par la détérioration du nerf optique. Le glaucome est répandu dans le monde et cause la cécité dans environ sept millions de personnes. Le glaucome touche plus de 400 000 Canadiens et sa prévalence augmente avec le vieillissement de la population.1,2 Il s'agit d'une maladie chronique surnoise dont les symptômes se manifestent uniquement lors des stades avancés et qui peuvent mener à la cécité. Présentement, le seul moyen possible d’arrêter la progression du glaucome au stade initial est de diminuer la pression intra-oculaire (PIO). Les analogues de prostaglandines (APG) topiques sont fréquemment utilisées comme traitement de première ligne. Cependant, la recherche démontre que cette classe de médicaments peut changer certaines propriétés de la cornée, et possiblement influencer la mesure de la PIO.3 Objectif: À déterminer si l'utilisation d'APG affecte les propriétés biomécaniques de la cornée. La conclusion sera basée sur l'analyse intégrée des résultats obtenus de l'analyseur Reichert oculaire Réponse (ORA), la tonométrie par applanation de Goldmann (TAG) et la pachymétrie ultrasonographique. Le deuxième objectif potentiel de cette étude est de déterminer la corrélation, le cas échéant, entre les propriétés biomécaniques de la cornée, l'épaisseur de la cornée centrale (ECC) et la PIO chez les patients subissant un traitement d’APG topique. L'hypothèse principale de cette étude est que l’APG influence les propriétés de la cornée telles que l'épaisseur centrale, l'élasticité et la résistance. Patients et méthodes : Soixante-dix yeux de 35 patients, âgés de 50-85 ans, atteints de glaucome à angle ouvert (GAO) et traités avec APG topique ont été examinés. Seulement les sujets avec une réfraction manifeste entre -6,00 D et +4,25 D ont été inclus. Les critères d'exclusion sont: patients avec n'importe quelle autre maladie de la cornée de l’œil, telles que la dystrophie endothéliale de Fuch’s et kératocône, ou tout antécédent de traumatisme ou d'une chirurgie de la cornée, ainsi que le port de lentilles de contact. Nous avons demandé aux patients atteints du glaucome qui ont des paramètres stables et qui utilisent l’APG dans les deux yeux de cesser l’APG dans l'œil moins affecté par la PIO, et de continuer l’utilisation d’APG dans l'œil contralatéral. Le meilleur œil est défini comme celui avec moins de dommage sur le champ visuel (CV) (déviation moyenne (DM), le moins négatif) ou une PIO maximale historique plus basse si la DM est égale ou encore celui avec plus de dommage sur la tomographie par cohérence optique (TCO, Cirrus, CA) ou la tomographie confocale par balayage laser (HRT, Heidelberg, Allemagne). Toutes les mesures ont été prises avant la cessation d’APG et répétées 6 semaines après l’arrêt. Les patients ont ensuite recommencé l’utilisation d’APG et toutes les mesures ont été répétées encore une fois après une période supplémentaire de 6 semaines. Après commencer ou de changer le traitement du glaucome, le patient doit être vu environ 4-6 semaines plus tard pour évaluer l'efficacité de la goutte.4 Pour cette raison, on été décidé d'utiliser 6 semaines d'intervalle. Toutes les mesures ont été effectuées à l’institut du glaucome de Montréal par le même technicien, avec le même équipement et à la même heure de la journée. L'œil contralatéral a servi comme œil contrôle pour les analyses statistiques. La tonométrie par applanation de Goldmann a été utilisée pour mesurer la PIO, la pachymétrie ultrasonographique pour mesurer l'ECC, et l’ORA pour mesurer les propriétés biomécaniques de la cornée, incluant l'hystérèse cornéenne (HC). L’hypothèse de l'absence d'effet de l'arrêt de l’APG sur les propriétés biomécaniques a été examiné par un modèle linéaire à effets mixtes en utilisant le logiciel statistique R. Les effets aléatoires ont été définies à deux niveaux: le patient (niveau 1) et l'œil de chaque patient (niveau 2). Les effets aléatoires ont été ajoutés au modèle pour tenir compte de la variance intra-individuelle. L’âge a également été inclus dans le modèle comme variable. Les contrastes entre les yeux et les temps ont été estimés en utilisant les valeurs p ajustées pour contrôler les taux d'erreur internes de la famille en utilisant multcomp paquet dans R. Résultats: Une augmentation statistiquement significative due l 'HC a été trouvée entre les visites 1 (sur APG) et 2 (aucun APG) dans les yeux de l'étude, avec une moyenne (±erreur standard) des valeurs de 8,98 ± 0,29 mmHg et 10,35 ± 0,29 mmHg, respectivement, correspondant à une augmentation moyenne de 1,37 ± 0,18 mmHg (p <0,001). Une réduction significative de 1,25 ± 0,18 mmHg (p <0,001) a été observée entre les visites 2 et 3, avec une valeur moyenne HC finale de 9,09 ± 0,29 mmHg. En outre, une différence statistiquement significative entre l’oeil d’étude et le contrôle n'a été observée que lors de la visite 2 (1,01 ± 0,23 mmHg, p <0,001) et non lors des visites 1 et 3. Une augmentation statistiquement significative du facteur de résistance conréen (FRC) a été trouvée entre les visites 1 et 2 dans les yeux de l'étude, avec des valeurs moyennes de 10,23 ± 0,34 mmHg et 11,71 ± 0,34 mmHg, respectivement. Le FRC a ensuite été réduit de 1,90 ± 0,21 mmHg (p <0,001) entre les visites 2 et 3, avec une valeur moyenne FRC finale de 9,81 ± 0,34 mmHg. Une différence statistiquement significative entre l’oeil d’étude et le contrôle n'a été observée que lors de la visite 2 (1,46 ± 0,23 mmHg, p <0,001). Une augmentation statistiquement significative de l'ECC a été trouvée entre les visites 1 et 2 dans les yeux de l'étude, avec des valeurs moyennes de 541,83 ± 7,27 µm et 551,91 ± 7,27 µm, respectivement, ce qui correspond à une augmentation moyenne de 10,09 ± 0,94 µm (p <0,001). L'ECC a ensuite diminué de 9,40 ± 0,94 µm (p <0,001) entre les visites 2 et 3, avec une valeur moyenne finale de 542,51 ± 7,27 µm. Une différence entre l’étude et le contrôle des yeux n'a été enregistré que lors de la visite 2 (11,26 ± 1,79 µm, p <0,001). De même, on a observé une augmentation significative de la PIO entre les visites 1 et 2 dans les yeux de l'étude, avec des valeurs moyennes de 15,37 ± 0,54 mmHg et 18,37 ± 0,54 mmHg, respectivement, ce qui correspond à une augmentation moyenne de 3,0 ± 0,49 mmHg (p <0,001). Une réduction significative de 2,83 ± 0,49 mmHg (p <0,001) a été observée entre les visites 2 et 3, avec une valeur moyenne de la PIO finale de 15,54 ± 0,54 mmHg. L’oeil de contrôle et d’étude ne différaient que lors de la visite 2 (1,91 ± 0,49 mmHg, p <0,001), ce qui confirme l'efficacité du traitement de l’APG. Lors de la visite 1, le biais de la PIO (PIOcc - PIO Goldmann) était similaire dans les deux groupes avec des valeurs moyennes de 4,1 ± 0,54 mmHg dans les yeux de contrôles et de 4,8 ± 0,54 mmHg dans les yeux d’études. Lors de la visite 2, après un lavage de 6 semaines d’APG, le biais de la PIO dans l'œil testé a été réduit à 1,6 ± 0,54 mmHg (p <0,001), ce qui signifie que la sous-estimation de la PIO par TAG était significativement moins dans la visite 2 que de la visite 1. La différence en biais PIO moyenne entre l'étude et le contrôle des yeux lors de la visite 2, en revanche, n'a pas atteint la signification statistique (p = 0,124). On a observé une augmentation peu significative de 1,53 ± 0,60 mmHg (p = 0,055) entre les visites 2 et 3 dans les yeux de l'étude, avec une valeur de polarisation finale de la PIO moyenne de 3,10 ± 0,54 mmHg dans les yeux d'études et de 2,8 ± 0,54 mmHg dans les yeux de contrôles. Nous avons ensuite cherché à déterminer si une faible HC a été associée à un stade de glaucome plus avancé chez nos patients atteints du glaucome à angle ouvert traités avec l’APG. Lorsque l'on considère tous les yeux sur l’APG au moment de la première visite, aucune association n'a été trouvée entre les dommages sur le CV et l'HC. Cependant, si l'on considère seulement les yeux avec un glaucome plus avancé, une corrélation positive significative a été observée entre la DM et l'HC (B = 0,65, p = 0,003). Une HC inférieure a été associé à une valeur de DM de champ visuelle plus négative et donc plus de dommages liés au glaucome. Conclusions : Les prostaglandines topiques affectent les propriétés biomécaniques de la cornée. Ils réduisent l'hystérèse cornéenne, le facteur de résistance cornéen et l'épaisseur centrale de la cornée. On doit tenir compte de ces changements lors de l'évaluation des effets d’APG sur la PIO. Plus de recherche devrait être menées pour confirmer nos résultats. De plus, d’autres études pourraient être réalisées en utilisant des médicaments qui diminuent la PIO sans influencer les propriétés biomécaniques de la cornée ou à l'aide de tonomètre dynamique de Pascal ou similaire qui ne dépend pas des propriétés biomécaniques de la cornée. En ce qui concerne l'interaction entre les dommages de glaucome et l'hystérésis de la cornée, nous pouvons conclure qu' une HC inférieure a été associé à une valeur de DM de CV plus négative. Mots Clés glaucome - analogues de prostaglandines - hystérèse cornéenne – l’épaisseur de la cornée centrale - la pression intraoculaire - propriétés biomécaniques de la cornée.

Investigation of K14/K5 as a stem cell marker in the limbal region of the bovine cornea

Background: Identification of stem cells from a corneal epithelial cell population by specific molecular markers has been investigated previously. Expressions of P63, ABCG2 and K14/K5 have all been linked to mammalian corneal epithelial stem cells. Here we report on the limitations of K14/K5 as a limbal stem cell marker. Methodology/Principal Findings: K14/K5 expression was measured by immunohistochemistry, Western blotting and Real time PCR and compared between bovine epithelial cells in the limbus and central cornea. A functional study was also included to investigate changes in K5/14 expression within cultured limbal epithelial cells undergoing forced differentiation. K14 expression (or its partner K5) was detected in quiescent epithelial cells from both the limbal area and central cornea. K14 was localized predominantly to basal epithelial cells in the limbus and suprabasal epithelial cells in the central cornea. Western blotting revealed K14 expression in both limbus and central cornea (higher levels in the limbus). Similarly, quantitative real time PCR found K5, partner to K14, to be expressed in both the central cornea and limbus. Following forced differentiation in culture the limbal epithelial cells revealed an increase in K5/14 gene/protein expression levels in concert with a predictable rise in a known differentiation marker. Conclusions/Significance: K14 and its partner K5 are limited not only to the limbus but also to the central bovine cornea epithelial cells suggesting K14/K5 is not limbal specific in situ. Furthermore K14/K5 expression levels were not lowered (in fact they increased) within a limbal epithelial cell culture undergoing forced differentiation suggesting K14/K5 is an unreliable maker for undifferentiated cells ex vivo.

On the barrier properties of the cornea: a microscopy study of the penetration of fluorescently labeled nanoparticles, polymers, and sodium fluorescein

Overcoming the natural defensive barrier functions of the eye remains one of the greatest challenges of ocular drug delivery. Cornea is a chemical and mechanical barrier preventing the passage of any foreign bodies including drugs into the eye, but the factors limiting penetration of permeants and nanoparticulate drug delivery systems through the cornea are still not fully understood. In this study, we investigate these barrier properties of the cornea using thiolated and PEGylated (750 and 5000 Da) nanoparticles, sodium fluorescein, and two linear polymers (dextran and polyethylene glycol). Experiments used intact bovine cornea in addition to bovine cornea de-epithelialized or tissues pretreated with cyclodextrin. It was shown that corneal epithelium is the major barrier for permeation; pretreatment of the cornea with β-cyclodextrin provides higher permeation of low molecular weight compounds, such as sodium fluorescein, but does not enhance penetration of nanoparticles and larger molecules. Studying penetration of thiolated and PEGylated (750 and 5000 Da) nanoparticles into the de-epithelialized ocular tissue revealed that interactions between corneal surface and thiol groups of nanoparticles were more significant determinants of penetration than particle size (for the sizes used here). PEGylation with polyethylene glycol of a higher molecular weight (5000 Da) allows penetration of nanoparticles into the stroma, which proceeds gradually, after an initial 1 h lag phase.

Cultivo y valoración de Hydropuntia cornea (Rhodophyta) y Ulva rigida (Chlorophyta) para la producción de biodiesel: dinámica de la disponibilidad de amonio y de las condiciones de irradiación sobre la calidad de la biomasa

Máster Oficial en Cultivos Marinos. VI Máster Internacional en Acuicultura. Trabajo presentado como requisito parcial para la obtención del Título de Máster Oficial en Cultivos Marinos, otorgado por la Universidad de Las Palmas de Gran Canaria (ULPGC), el Instituto Canario de Ciencias Marinas (ICCM), y el Centro Internacional de Altos Estudios Agronómicos Mediterráneos de Zaragoza (CIHEAM)

Biomechanical model of human cornea based on stromal microstructure

The optical characteristics of the human cornea depends on the mechanical balance between the intra-ocular pressure and intrinsic tissue stiffness. A wide range of ophthalmic surgical procedures alter corneal biomechanics to induce local or global curvature changes for the correction of visual acuity. Due to the large number of surgical interventions performed every day, a deeper understanding of corneal biomechanics is needed to improve the safety of these procedures and medical devices. The aim of this study is to propose a biomechanical model of the human cornea, based on stromal microstructure. The constitutive mechanical law includes collagen fiber distribution based on X-ray scattering analysis, collagen cross-linking, and fiber uncrimping. Our results showed that the proposed model reproduced inflation and extensiometry experimental data [Elsheikh et al., Curr. Eye Res., 2007; Elsheikh et al., Exp. Eye Res., 2008] successfully. The mechanical properties obtained for different age groups demonstrated an increase in collagen cross-linking for older specimens. In future work such a model could be used to simulate non-symmetric interventions, and provide better surgical planning.

Numerical model of the human cornea based on stromal microstructure: identification of mechanical properties for two age groups

The optical quality of the human eye mainly depends on the refractive performance of the cornea. The shape of the cornea is a mechanical balance between intraocular pressure and tissue intrinsic stiffness. Several surgical procedures in ophthalmology alter the biomechanics of the cornea to provoke local or global curvature changes for vision correction. Legitimated by the large number of surgical interventions performed every day, the demand for a deeper understanding of corneal biomechanics is rising to improve the safety of procedures and medical devices. The aim of our work is to propose a numerical model of corneal biomechanics, based on the stromal microstructure. Our novel anisotropic constitutive material law features a probabilistic weighting approach to model collagen fiber distribution as observed on human cornea by Xray scattering analysis (Aghamohammadzadeh et. al., Structure, February 2004). Furthermore, collagen cross-linking was explicitly included in the strain energy function. Results showed that the proposed model is able to successfully reproduce both inflation and extensiometry experimental data (Elsheikh et. al., Curr Eye Res, 2007; Elsheikh et. al., Exp Eye Res, May 2008). In addition, the mechanical properties calculated for patients of different age groups (Group A: 65-79 years; Group B: 80-95 years) demonstrate an increased collagen cross-linking, and a decrease in collagen fiber elasticity from younger to older specimen. These findings correspond to what is known about maturing fibrous biological tissue. Since the presented model can handle different loading situations and includes the anisotropic distribution of collagen fibers, it has the potential to simulate clinical procedures involving nonsymmetrical tissue interventions. In the future, such mechanical model can be used to improve surgical planning and the design of next generation ophthalmic devices.

Pressure-cornea-vascular index (PCVI) for predicting disease progression in normal tension glaucoma

It has been shown that the pressure-to-cornea index (PCI), which estimates the relative effects of intraocular pressure (IOP) and central corneal thickness (CCT), may differentiate between glaucoma and non-glaucoma states. The authors investigated the utility of the pressure-cornea-vascular index (PCVI) in predicting field-progression in patients with normal tension glaucoma (NTG).