Tear Film Lipid Layer Organization and Evaporation Resistance : Biophysical Studies on Tear Film Lipids

Show full item record



Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-7176-4
Title: Tear Film Lipid Layer Organization and Evaporation Resistance : Biophysical Studies on Tear Film Lipids
Author: Paananen, Riku
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Medicine, Department of Ophthalmology and Otorhinolaryngology
Doctoral Programme in Biomedicine
Publisher: Helsingin yliopisto
Date: 2021-05-07
URI: http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-7176-4
http://hdl.handle.net/10138/328568
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Abstract: The ocular surface is covered by the tear film that provides a smooth optical surface required for clear vision, offers lubrication necessary for eye movement, and maintains a suitable microenvironment for the ocular surface cells. The tear film can be divided into two separate layers: the aqueous layer, which makes up the bulk of the tear film, and a thin tear film lipid layer (TFLL), which covers the aqueous layer. The TFLL is considered to stabilize the tear film by slowing down evaporation of water from the aqueous tear film. The loss of this stabilizing function of the TFLL is believed to play a central role in the development of most cases of dry eye disease. However, the structure of the TFLL remains poorly characterized, and currently no consensus exists on the molecular level organization within the TFLL. Due to this lack of understanding of TFLL organization on a molecular level, the basis underlying the stabilizing mechanism has remained unclear. In this thesis, the aim was to gain insight into the molecular level structure of the TFLL by dissecting how different lipids in the TFLL organize at the aqueous interface. Further, the effects of interfacial organization of different lipid classes on the evaporation resistance was studied to understand how these structural characteristics are related to the evaporation resistance of the TFLL. The lipids studied in this work cover most of the lipid classes that are found in the TFLL, namely wax esters (WEs), cholesteryl esters (CEs), Type II diesters (DiE), and O-acyl-ω-hydroxy fatty acids (OAHFAs). For each lipid class, model compounds representing the most abundant lipids in the TFLL were used. The organization and evaporation resistance of each lipid class was studied experimentally using a Langmuir trough model system, and this work was complemented by molecular dynamics simulations. This thesis project identified OAHFAs and WEs as the most important lipid classes related to TFLL evaporation resistance. The evaporation resistance of both OAHFAs and WEs was related to the formation of solid monomolecular structures at the aqueous interface. WEs formed solid crystals of monomolecular thickness at the aqueous surface, which spread to cover the surface at a narrow temperature range below the melting point of the WE facilitated by coexistence with a disordered WE monolayer. Long-chained OAHFAs formed a solid monolayer phase on the aqueous interface that provided up to 5 s/cm of evaporation resistance, making OAHFAs even more effective in resisting evaporation than WEs. However, such condensed monolayers inhibited the spreading of nonpolar CE multilayers, which challenges the role of polar lipids in spreading and stabilizing the TFLL. Instead, these results suggest that polar TFLL lipids, mainly OAHFAs, form a condensed monolayer that is directly responsible for the evaporation resistance of the TFLL.Kyynelkalvo voitelee silmän pintaa mahdollistaen silmien ja silmäluomien liikkeet, ylläpitää sopivaa ympäristöä silmän pinnan soluille ja tekee silmän pinnasta sileän, mikä mahdollistaa terävän näön. Kyynelkalvo voidaan jakaa kahteen kerrokseen: vesikerrokseen, joka muodostaa pääosan kyynelkalvosta, ja ohueen lipidikerrokseen, joka peittää kyynelkalvon vesikerroksen. Lipidikerros vakauttaa kyynelkalvoa hidastamalla veden haihtumista kyynelkalvon vesikerroksesta. Tämän vakauttavan mekanismin heikentymisen uskotaan olevan keskeisessä roolissa useimpien kuivasilmäisyystapausten synnyssä. Lipidikerroksen rakenne tunnetaan kuitenkin huonosti, eikä sen molekyylitason järjestyksestä ole selvyyttä. Tästä syystä myöskään lipidikerroksen kyynelkalvoa vakauttavan mekanismin perustaa ei ole selvitetty molekyylitasolla. Tämän väitöskirjan tavoitteena oli tuottaa tietoa kyynelkalvon lipidikerroksen molekyylitason rakenteesta tutkimalla, kuinka lipidikerroksessa esiintyvät lipidit järjestyvät vesirajapinnassa. Lisäksi tutkittiin, kuinka eri lipidiluokkien muodostamat rakenteet liittyvät niiden haihtumista estäviin ominaisuuksiin, ja näin pyrittiin ymmärtämään, miten nämä rakenteet liittyvät kyynelkalvon lipidikerroksen haihtumisresistanssiin. Tässä työssä tutkittiin kyynelkalvon päälipidiluokkia, kuten vahaestereitä (VE), kolesteroliestereitä, tyypin 2 diestereitä ja O-asyyli-ω-hydroksirasvahappoja (OAHRH). Näistä lipidiluokista valittiin malliyhdisteitä, joilla pyrittiin kuvaamaan kyynelkalvon lipidikerroksessa esiintyviä lipidejä. Jokaisen lipidiluokan muodostamien kalvojen rakennetta ja haihtumisresistanssia tutkittiin kokeellisesti Langmuir-altaaseen perustuvilla mallikalvojärjestelmillä, ja kokeellisen työn tukena käytettiin molekyylidynamiikkasimulaatioita. Työssä saatiin selville, että OAHRH:t ja VE:t ovat tärkeimpiä lipidiluokkia kyynelkalvon lipidikerroksen haihtumisresistanssin kannalta. Sekä OAHRH:jen että VE:ien haihtumisresistanssi liittyi yhden molekyylin paksuisen kerroksen leviämiseen veden pinnalle ja kiinteän rakenteen muodostumiseen vesirajapintaan. Vahaesterit kuitenkin levisivät kiinteäksi kerrokseksi vain kapealla lämpötila-alueella niiden sulamispisteen alapuolella. Pitkäketjuisten OAHRH:jen muodostamat kiinteät kalvot hidastivat veden haihtumista tutkituista lipideistä tehokkaimmin. Poolisten OAHRH:jen on aiemmin ajateltu levittävän muita kyynelkalvon lipidejä kyynelkalvon pinnalle ja vakauttavan lipidikerroksen rakenteen. Tämän työn tulosten perusteella poolittomat kolesteroliesterit eivät kuitenkaan leviä kiinteän OAHRH-kerroksen pinnalle. Sen sijaan tulokset viittaavat siihen, että OAHRH:jen muodostama kiinteä kerros kyynelkalvon vesikerroksen ja lipidikerroksen rajapinnassa on kyynelkalvon haihtumisresistanssin taustalla.
Subject: silmätautioppi
Rights: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.


Files in this item

Files Size Format View

There are no files associated with this item.

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record