Хотя такие термины, как «бионический», «биомиметический» и «биомимикрия», являются широко используемыми, они часто не имеют четких определений и иногда употребляются неправильно. Биомиметика включает изучение природы и природных явлений для того, чтобы понять принципы их функционирования, почерпнуть из них идеи и применить концепции, которые могут быть полезны для науки, инженерии и медицины [2][3]. Термины «биомимикрия», «биомиметика» и «биоинспирация» имеют различные определения.

Биомимикрию можно рассматривать как поверхностное подражание биологическим системам. Биомиметика означает копирование и воспроизведение взаимосвязи между структурой и функцией, наблюдаемой у живых организмов. Биоинспирация (биовдохновение) – это процесс, в котором структура и функция выходят за рамки природного примера и служат стимулом для создания продукта [4]. Диаграмма ниже (рис. 1) показывает, как биологические, биомиметические и биовдохновленные системы, являясь отдельными, могут работать вместе.

Термин «биомиметический» в контексте контактных линз относится к широкому спектру подходов к дизайну и производству, которые различаются по степени близости к приведенному выше определению. Во многих случаях продукт называют биомиметическим, даже если подход никак не связан с биологией глаза. Например, гиалуроновая кислота (ГК) – это гликозаминогликан природного происхождения, который широко распространен во многих тканях. Она используется в различных слезозаменителях для повышения вязкости и улучшения удержания влаги [5]. Была разработана контактная линза, позиционируемая как биомиметическая, покрытая белком, связанным с ГК, с целью увеличения удержания воды линзой [6]. Эта технология представляет интересный подход к улучшению смачиваемости линзы, но, похоже, она была вдохновлена свойствами искусственной слезы, а не свойствами роговицы.

Роговица человека – удивительная структура, и не только благодаря своей преломляющей способности. Хотя она постоянно подвергается воздействию условно-патогенных и потенциально патогенных микробов из окружающей среды, она редко воспаляется или инфицируется, что свидетельствует о наличии мощной и высокоэффективной системы защиты [7]. При разработке идеальной контактной линзы ежемесячной замены стоит опираться на наше понимание свойств роговицы и использовать эти знания для создания и изготовления поверхности контактной линзы.

Поверхность эпителия роговицы по своей природе гидрофобна, но существует несколько факторов, которые способствуют формированию гидрофильной поверхности. Наружный слой эпителия роговицы покрыт многочисленными микроворсинками, а бокаловидные клетки конъюнктивы вырабатывают муцин, который мигрирует по поверхности эпителия. Муцин покрывает эпителиальные микроворсинки, образуя гликокаликс. Благодаря распределению слоя муцина по поверхности роговицы, она становится гидрофильной [8]. Глазные муцины участвуют в формировании муцинового слоя слезной пленки и удерживают слезу на поверхности роговицы. Эти молекулы также препятствуют адгезии патогенных микроорганизмов к глазной поверхности.

Протеогликаны (люмикан, кератокан и мимекан) и фибриллярные белки (коллагены VI и XII типа) необходимы для поддержания прозрачности роговицы [9].

Наружный и базальный слои эпителия роговицы высоко специализированы. Клетки наружного эпителия имеют небольшие выступы, называемые микроскладками, которые увеличивают площадь эпителиальной поверхности. На поверхности микроскладок гликопротеины класса мембраноассоциированных муцинов образуют гликокаликс [10]. Этот богатый муцином слой формирует гидрофильную поверхность, по которой может распространяться слезная пленка, смазывая глазную поверхность и создавая барьер для патогенов [11]. Как мы можем воспроизвести эту сложную структуру поверхности на контактной линзе?

2-Метакрилоилоксиэтил фосфорилхолин (МФХ) – это водорастворимая молекула, содержащая гидрофобные метакрилатные и гидрофильные фосфорилхолиновые (ФХ) группы (рис. 2, 3) [12]. Такая структура позволяет модифицировать гидрофобные поверхности подобно молекулам муцина и гликокаликсу.

Цвиттер-ионная группа фосфорилхолина в боковой цепи молекулы MФХ придает полимеру биоинертные свойства. Когда на поверхности линзы формируется слой полимера MФХ, он гидратируется за счет взаимодействия групп ФХ с молекулами воды, обеспечивая поверхности увлажненность и смазывающую способность. Важно отметить, что чистый нейтральный заряд ФХ не притягивает заряженные молекулы белка или других отложений [12][13]. С момента их разработки полимеры МФХ использовались во многих медицинских изделиях с целью предотвращения неблагоприятных биологических реакций, а исследования показали, что они подавляют адсорбцию белков и адгезию клеток к различным материалам [14].

Эти свойства обусловлены тремя важнейшими характеристиками полимера МФХ:

Когда молекула находится внутри жидкости, она притягивается к соседним молекулам во всех направлениях, в результате чего чистая сила, действующая на нее, равна нулю. Однако, когда молекула находится на поверхности, чистая сила действует на нее в направлении внутрь, создавая поверхностное натяжение [14]. Группы ФХ способствуют естественному движению воды, что превосходит показатели, достигаемые другими контактными линзами. Снижение поверхностного натяжения улучшает смачиваемость контактных линз [15].

МФХ может применяться для создания молекулярных структур с индивидуально настраиваемыми свойствами благодаря различной последовательности методов полимеризации, включая живую радикальную полимеризацию [13]. Полимер МФХ может быть использован для создания поверхности, схожей с клеточной мембраной [16]. Материал нетоксичен и уже применяется в широком спектре биомедицинских устройств, включая биосенсоры, сердечно-сосудистые стенты, имплантируемые кровяные насосы, микрокатетеры, искусственные тазобедренные суставы и шовные материалы.

Биоинспирированный полимер MФХ имеет большой потенциал в улучшении защитных свойств, биосовместимости и смачиваемости материалов для контактных линз [16]. Полимерное покрытие МФХ имитирует поверхность роговицы и может функционировать аналогичным образом.

Роговица имеет несколько механизмов, которые способствуют защите от инфекции. Естественная защита включает антимикробные пептиды, связанные с эпителием, многослойную структуру эпителия, антимикробную активность слезной пленки, барьерную функцию базальной пластинки и постоянную популяцию антибактериальных клеток в эпителии [7]. Эти защитные механизмы могут быть нарушены в результате ношения контактных линз. Адгезия бактерий к контактным линзам – это нежелательное явление, связанное с риском развития инфекции [18]. Бактерии, вызывающие загрязнение контактных линз (например, Pseudomonas aeruginosa [19][20]), часто сохраняются на линзах в виде биопленок [18]. Таким образом, для уменьшения риска осложнений важно уменьшить или предотвратить образование этих биопленок [18].

Сложная структура поверхности роговицы с большой долей точности имитируется структурой полимера MФХ (рис. 4, 5) [14][21][22]. Биомиметическая структура слоя MФХ уменьшает адгезию бактерий к контактным линзам и помогает обеспечить защиту от инфекции. Исследования показали, что нанесение на поверхность полимера MФХ значительно снижает прикрепление патогенных для человека микроорганизмов [23].

Например, адгезия Staphylococcus aureus, Streptococcus mutans, P. aeruginosa и Candida albicans к трем различным поверхностям уменьшилась после нанесения на поверхность полимера MФХ [23]. Этот эффект был объяснен «супергидрофильностью» поверхности из полимера MФХ [23] и подтверждается данными исследований, указывающими на то, что адгезии и образованию биопленок P. aeruginosa способствует гидрофобная поверхность [19]. Исследования продемонстрировали способность полимера MФХ ингибировать образование бактериальных биопленок (рис. 5) [24]. Кроме того, способность полимера MФХ подавлять бактериальную адгезию на широком спектре поверхностей не ставит под угрозу безопасность или биосовместимость. Например, было показано, что ополаскиватель для полости рта на основе полимера MФХ является безопасным и эффективным в предотвращении бактериальной адгезии на тканях полости рта [25].

Во время ношения на линзах могут накапливаться отложения в результате взаимодействия со слезной пленкой. Накопление белковых отложений на гидрогелевых контактных линзах зависит от влагосодержания, поверхностного заряда, гидрофобности и размера пор материала линзы [26]. Отложения на контактных линзах негативно влияют на ощущения пользователя и здоровье глаз, снижая смачиваемость поверхности линзы и вызывая дискомфорт [27]. Они также могут привести к осложнениям, связанным с контактными линзами, включая папиллярный конъюнктивит, точечный кератит и воспалительные процессы роговицы [28][29].

Сразу после надевания на глаз контактные линзы начинают покрываться слоем белка. Большая часть протеинов прочно прикрепляется к материалу, только 50 % белковых отложений удаляются с помощью обычных процедур ухода [30]. Белки, прикрепившиеся к контактным линзам, могут денатурироваться, но связь между этими изменениями и снижением комфорта при ношении контактных линз точно не установлена [31]. Однако предполагается, что структурные изменения белков и антибактериальные белки, накапливающиеся на гидрогелевых линзах, могут влиять на антимикробные свойства глазной поверхности, повышать риск прикрепления бактерий и развития инфекции [19][32]. Было установлено, что накопление определенных белков на контактных линзах повышает риск прикрепления микробных клеток к материалу линзы, что также связано с воспалительными осложнениями [30].

Протеомный анализ показал, что лизоцим и липокалин 1 являются наиболее распространенными белковыми отложениями, обнаруженными на контактных линзах [33]. Связывание лизоцима с некоторыми материалами контактных линз может привести к денатурации белка в «неактивную» форму [34]. Исследования показали, что воздействие денатурированного лизоцима может снижать метаболическую активность и жизнеспособность эпителиальных клеток роговицы человека, а также увеличить выделения провоспалительных цитокинов [34]. Цитокины, экспрессия которых возрастает в ответ на денатурированный лизоцим, включают различные интерлейкины (1b, 2, 4, 6, 8, 10, 12 и 13), интерферон-γ и фактор некроза опухоли. Эти цитокины способны вызывать раздражение и воспаление при ношении контактных линз [34][35].

В линзах с покрытием из полимера МФХ наблюдалось снижение адсорбции белков на 83 % для лизоцима и 73 % для бычьего сывороточного альбумина (рис. 6) [37]. Эти результаты были повторены в другом исследовании, в котором оценивали способность полимерного покрытия МФХ снижать адгезию белков и липидов к различным контактным линзам [38].

Нанесение слоя полимера МФХ на поверхность других материалов с помощью свободнорадикальной полимеризации приводит к снижению адсорбции белков и улучшению биосовместимости [36]. Исследование показало уменьшение адгезии потенциально загрязняющих молекул к контактным линзам [37]. Причем именно покрытие силикон-гидрогелевых линз тонким слоем полимера МФХ, а не присутствие его в толще материала линзы увеличило как смачиваемость поверхности, так и равновесное влагосодержание материала.

Очень высокая гидрофильность МФХ, аналогичная гидрофильности поверхности роговицы, расценивается как наиболее вероятная причина предотвращения неспецифического связывания белков с этим материалом [39]. Наличие цвиттер-ионных цепочек МФХ значительно снижает адсорбцию белков и бактерий модифицированным материалом благодаря уникальному гидрофильному слою, образуемому полимерным слоем МФХ на поверхности линзы [12][39][40]. Кроме того, было показано, что полимерное покрытие МФХ снижает адгезию белков и других веществ к широкому спектру материалов, регулярно контактирующих с биологическими жидкостями в различных медицинских изделиях [14][41].

Стойкость полимерного покрытия МФХ еще предстоит оценить на контактных линзах, однако было показано, что его защитные свойства остаются неизменными после испытания на трение, включившего 500 циклов чистки зубов после нанесения на материалы зубных протезов [42]. Более того, нанесение полимера МФХ на поверхность полиэтилена привело к очень стабильным защитным свойствам, даже когда он был подвергнут тесту на трение с 20 миллионами циклов [43]. Эти результаты подтверждают долговечность самого полимера МФХ и показывают, что он хорошо подходит для модификации поверхности контактных линз ежемесячной замены.

Вышеупомянутые характеристики потенциально способны снизить процент отказов от ношения контактных линз. Сочетание технологии водного градиента с биомиметической поверхностью линз способно обеспечить очень высокую степень комфорта [45]. Поверхность линз на основе полимера MФХ имитирует поверхность роговицы, предотвращая прикрепление белков и бактерий, которые также могут быть причиной прекращения использования линз [46][47].

Разработка новых контактных линз плановой замены требует сочетания лучших существующих технологий и биомиметического подхода с использованием материалов со свойствами, аналогичными поверхности роговицы, таких как МФХ.

Линзы из биомиметических материалов имеют потенциал для повышения комфорта и безопасности, а также для уменьшения количества отказов от ношения контактных линз среди пользователей МКЛ плановой замены.