CC BY
41
УДК 617.721-007.21:617.713-06
Д.М. ФРИМЕН
Офтальмологическая клиника «Мека-вижен», 6485 Поплар авеню, Мемфис, штат Теннеси 38119, США
Ассоциированная с аниридией кератопатия. Обзор литературы
Джон М. Фримен — доктор медицины, офтальмолог, директор клиники, тел. (901) 767-3937, е-mail: emilyh@mecavision.com
Статья представляет собой обзор литературы, посвященной проблеме ассоциированной с врожденной аниридией ке-ратопатии. Освещены этиопатогенетические аспекты заболевания, представлены имеющиеся методы лечения, перспективы развития.
Ключевые слова: врожденная аниридия, кератопатия, патогенез, лечение.
Ассоциированная с аниридией кератопатия (АК) — это медленно прогрессирующее помутнение роговицы, которое, как правило, становится визуально заметным не ранее второй декады жизни. АК является следствием нарушения функции эпителия глазной поверхности и в некоторых случаях не определяется при рождении. Клинические проявления выражаются в медленном наползании конъюнктивального паннуса в виде пласта клеток от периферии роговицы к ее центру. Изменения глазной поверхности приводят к неоваскуляриза-ции и появлению фиброзных участков, захватывающих эпителий роговицы и ее переднюю строму. Ранние изменения поверхности роговицы становятся причиной дискомфорта, фотофобии, воспаления, рецидивирующих эрозий. В поздних стадиях помутнение роговицы приводит к потере зрения. В настоящее время нет доказанных эффективных способов медикаментозного лечения, которые могли бы замедлить или приостановить прогрессирование процесса. При развитии помутнения роговицы может потребоваться хирургическое восстановление прозрачности оптической системы — это кератопроте-зирование и трансплантация лимбальных стволовых клеток после пересадки роговицы. В течение последних двух десятилетий накоплены знания, касающиеся поддержания и сохранения как нормального, так и патологического эпителия роговицы при врожденной аниридии. Эти знания как никогда приближают нас к появлению новых видов терапии АК, основанных на понимании молекулярных и клеточных основ заболевания.
Сохранение нормального роговичного эпителия
В здоровой роговице прозрачность эпителия поддерживается глазным поверхностным комплексом, включающим различные механизмы, функционирующие на анатомическом, клеточном и молекулярном уровнях. Каждый аспект глазной поверхности и ее анатомического окружения играет определенную роль в слезном функциональном комплексе. Нормальное функционирование век, конъюнктиваль-ных сводов, слезной пленки, слезной железы, ней-росенсорных рефлексов являются хорошо известными компонентами этого комплекса. На молекулярном уровне были идентифицированы различные факторы роста и цитокины, участвующие в поддержании гомеостаза роговичного эпителия, такие как
эпидермальный фактор роста, фактор роста фибро-бластов, фактор роста гепатоцитов, трансформирующий фактор роста и инсулино-подобный фактор роста [1]. На клеточном уровне лимбальные стволовые клетки играют ведущую роль в поддержании функционирования роговичного эпителия. Они сохраняются в нише стволовых клеток на периферии роговицы в полисадах Фогта. Лимбальные стволовые клетки служат источником клеток с постоянным пролиферативным потенциалом, поддерживающим пул клеток роговичного эпителия. Они обеспечивают устойчивое равновесие между количеством высокодифференцированных тканеспецифичных клеток и сохранением резервуара стволовых клеток, которые могут усилить свое митотическое деление в ответ на изменяющиеся условия. Дочерняя клетка, вступившая на путь дифференцировки, называется временно амплифицирующейся клеткой (ВАК). Временно амплифицирующиеся клетки делятся и дифференцируются в крыловидные клетки, которые затем переходят в терминально дифференцированные роговичные эпителиальные клетки, которые в конечном счете десквамируются на поверхность роговицы. Пролиферативный потенциал дочерних временно амплифицирующихся клеток уменьшается в процессе дифференцировки. Считается, что средняя продолжительность жизни эпителиальных клеток роговицы человека составляет около 10 дней, поверхностные клетки погибают и замещаются клетками из более глубоких слоев [2]. В ответ на внезапную гибель клеток эпителия окружающие клетки начинают закрывать дефект за счет миграции и распределения клеток, в то время как в глубоких вАк и стволовых клетках ускоряются митотические процессы. Лимбальные стволовые клетки выступают также в роли барьера для эпителиальных клеток конъюнктивы и препятствуют их миграции на поверхность роговицы. Традиционно АК понималась как недостаточность лимбальных стволовых клеток (НЛСК), в то время как это, скорее, недостаточность всего процесса роговичного эпителиального гомеостаза.
Сведения об ассоциированной с аниридией кератопатии
АК отмечается не у всех больных с аниридией, однако ее частота увеличивается с возрастом и составляет 46-90% случаев [3-6]. Время появления и прогрессирования АК вариабельно, обычно она
развивается к 10 годам [7, 8]. Время манифестирования кератопатии на разных глазах одного и того же человека тоже может быть различным. В одном исследовании с вовлечением в опрос самих пациентов, средний возраст установления диагноза АК был указан 20±12,2 года [9]. Установлено, что процесс развивается постадийно с постепенным продвижением от периферии к центру роговицы. Известны, по крайней мере, две различные классификации аниридийной кератопатии. Одна из них разработана в Швеции и Норвегии и основана на шкале, включающей оценку следующих параметров: 0 — роговица не вовлечена в процесс; 1 — периферическая инвазия кровеносных сосудов в роговицу;
2 — конъюнктивизация лимба по всей окружности;
3 — конъюнктивизация и врастание сосудов достигают центра, вовлечена строма роговицы; 4 — мутная роговица [10].
Для выявления ранних стадий аниридийной кератопатии применяется методика «позднего прокрашивания». «Позднее прокрашивание» эпителиального дефекта роговицы можно наблюдать после инстилляции в глаз капель флюоресцеина при осмотре в щелевую лампу с использованием синего кобальтового фильтра. Наличие аномальной конъ-юнктивальной ткани, связанной с НЛСК, проявляется более слабым свечением через 3-6 минут после окрашивания, чем при обычном эпителиальном дефекте роговицы. Эта техника особенно полезна при обследовании маленьких детей под наркозом, когда едва различимые признаки ранних стадий АК могут легко быть пропущены.
Клинические исследования АК при помощи конфокальной микроскопии показали, что, по крайней мере, у некоторых пациентов на ранней стадии ке-ратопатии присутствуют полисады Фогта, нормальный роговичный эпителий [11], имеются функционирующие лимбальные стволовые клетки и их ниша. Эти исследования продемонстрировали, что прогрессирование АК совпадает с потерей полисад Фогта, потерей центральной чувствительности роговицы, уменьшением плотности центральных суб-базальных нервов, проникновением кровеносных сосудов и воспалительных клеток в поверхностные слои роговицы. Итогом всех перечисленных изменений становится помутнение роговицы и потеря зрения. В противоположность другим видам НЛСК таким, как последствия химического ожога или воспалительного процесса, например, синдром Стивен-са-Джонсена, или глазной рубцовый пемфигоид, АК характеризуется наличием периферического паннуса протяженностью 360 градусов, который поддерживает прозрачность центрального роговичного эпителия на протяжении нескольких лет. При других видах НЛСК тотальный периферический паннус приводит к потере прозрачности центральной зоны роговицы через короткий промежуток времени, обычно от нескольких недель до месяцев. Это может говорить о различии в характере повреждения стволовых клеток при данных патологических состояниях.
Молекулярно-генетические и базовые исследования аниридийной кератопатии
Большинство случаев врожденной аниридии являются следствием гетерозиготной мутации в гене РАХ6 11 хромосомы. Идентифицировано более 200 различных мутаций в гене РАХ6, которые приводят к появлению аниридии [12]. Транскрипционный фактор РАХ6 является регулятором развития глаза,
он очень консервативен у многих видов животных. РАХ6 имеет более 1000 потенциальных мишеней, работу которых он регулирует. Известно, что он участвует в органогенезе глаз, мозга и поджелудочной железы [13]. Он считается многоуровневым регулятором процесса развития глаза и многие исследования выясняли роль РАХ6 в развитии глаза [14]. Однако в противоположность фовеальной гипоплазии и аниридии, которые представляют собой очевидные дефекты развития, аниридийная кера-топатия характеризуется медленным постепенным, в течение десятилетий, переходом от достаточно нормальной эпителиальной системы к дефектной, неполноценной. РАХ6 играет существенную роль в гомеостазе роговичного эпителия [15], его гаплоне-достаточность ведет к быстрой смене клеток рого-вичного эпителия [16]. Такое быстрое обновление клеток роговичного эпителия частично может быть следствием повышенной хрупкости эпителиоцитов в связи с неполноценностью молекул межклеточной адгезии и патологических изменений в экстра-целлюлярном матриксе [17]. Ведущая роль РАХ6 открывает перспективы для развития терапии, которая сможет остановить или привести к регрессу прогрессирование кератопатии.
Медикаментозное лечение
В настоящее время не существует клинически доказанных способов лечения, которые смогли бы замедлить, остановить или способствовать обратному развитию аниридийной кератопатии. Однако некоторые методики доказали свою пользу в лечении клинических проявлений ранних и поздних стадий АК. Большинство из них представляют собой экстраполированные способы лечения, применяемые в похожих клинических ситуациях. Возможно, что существует некоторая польза от применения этих практик, однако трудно дать им объективную оценку.
Основной принцип лечения — это защита рого-вичного эпителия от патологических воздействий, насколько это возможно. Например, во время ка-тарактальной или антиглаукомной хирургии нужно стремиться к минимальному травмированнию лим-бальной зоны. Желательно нивилировать влияние ветра и солнца, так как ультрафиолетовое излучение увеличивает потерю клеток роговичного эпителия и ускоряет прогрессирование ААК. Возможно использование гипотензивных и увлажняющих инстилляционных препаратов, не содержащих консервантов. Более того, инстилляции циклоспорина разрывают патологический круг воспаления и сухости, который также способствуют прогресси-рованию аниридийной кератопатии. Применение аутологичной сыворотки, полученной из собственной сыворотки пациента, доказано уменьшает клинические проявления ААК и снижает симптоматику заболевания [18]. Аутологичная сыворотка содержит факторы роста, которые, как известно, участвуют в поддержании роговичного эпителия и способствуют заживлению нейротрофических язв при других заболеваниях роговицы.
Рецидивирующие эрозии и синдром «сухого глаза» в основном могут лечиться общепринятыми методами, за исключением хирургической деэпители-зации, которой следует избегать.
Хирургическое лечение
При АК помутнение роговицы, затрагивающее оптическую зону и значительно снижающее остроту
зрения, можно устранить только хирургическим способом. Однако выполнение только пересадки роговицы не дает длительного положительного результата, так как кератопатя вновь вовлекает в патологический процесс роговичную поверхность и приводит к повреждению трансплантата. Для восстановления прозрачности оптической оси при АК используются две основные техники. Это пересадка лимбальных стволовых клеток (кератолимбаль-ный аллографт КLAL) и кератопротезирование. Трансплантаты лимбальных стволовых клеток создают микроокружение для поддержания рогович-ного эпителия, в то время как для кератопротези-рования не требуется нормальной глазной поверхности. Ни одна из указанных техник не позволяет избежать риска, поэтому решение прибегнуть к любой из них является трудным и для доктора, и для пациента.
Трансплантация лимбальных стволовых клеток при аниридийной кератопатии
В США лимбальные стволовые клетки для трансплантации обычно берутся от кадаверных глаз и непосредственно пересаживаются пациенту, но в других странах используют предварительное культивирование ткани [19]. Независимо от применяемой техники для выживания трансплантата требуется системная иммуносупрессия. Системная имму-носупрессия похожа на применяемую при пересадке почек; однако не существует стандартного протокола по длительности и типу иммуносупрессии. В одном из исследований после KLAL-трансплантации 75% аниридийных глаз имели стабильную глазную поверхность при среднем периоде наблюдения 4,7 года после трансплантации лимбальных стволовых клеток. Успех данного исследования был очень зависим от системной иммуносупресии, т.к. только у 29% тех, кто не смог использовать системную имму-носупрессию, отмечалась длительная стабильность глазной поверхности [20]. В этом исследовании использовали системно per os преднизолон в течение короткого срока, а длительно — такролимус и микофенолата мофетил. Трехлетнее послеоперационное наблюдение с применением ex-vivo предварительно культивированного аллотрансплантата продемонстрировало улучшение состояния глазной поверхности только в 22% случаев. В данном исследовании использовали системную иммуносу-прессию циклоспорином и преднизолоном в течение не более 6 месяцев [21], что могло сказаться на снижении успеха вмешательства. Если после пересадки лимбальных стволовых клеток сохраняются значительные рубцовые изменения стромы роговицы, то могут потребоваться такие последующие процедуры, как передняя глубокая послойная пересадка роговицы или сквозная кератопластика. Как можно более раннее выполнение пересадки лимбальных стволовых клеток еще до формирования глубоких стромальных рубцовых деформаций роговицы позволяет избежать необходимости в последующих процедурах.
Помимо того, что успех пересадки лимбальных стволовых клеток очень вариабелен, основной ее отрицательной стороной является необходимость иммуносупрессии, которая может навредить здоровью человека. Аниридия имеет связь с диабетом и ожирением, что может сделать иммуносупрессию еще более рискованной. Кроме того, системная им-муносупрессия требует плотного взаимодействия со специалистом по иммуносупрессии, т.к. боль-
шинство офтальмологов не разбираются в назначении этих потенциально опасных лекарственных препаратов.
Кератопротезирование при аниридийной ке-ратопатии
В настоящее время Бостонский кератопротез (Boston K-pro) является основным кератопротезом, используемым в США и, возможно, во всем мире. Boston K-pro состоит из изготовленной из полиме-тилметакрилата передней трехмиллиметровой оптической части, поддерживающей кадаверную роговицу, и задней пластины. Обычно используется свежая донорская роговица, но и замороженная и консервированная также могут с успехом применяться. При кератопротезировании не требуется наличия нормальной неизмененной глазной поверхности, конъюнктивизация роговицы может в данном случае быть даже полезна. Кератопроте-зы имеют два главных недостатка: невозможность точного измерения внутриглазного давления и сохраняющийся риск эндофтальмитов. Клинически ВГД может быть оценено лишь пальпаторно. Поскольку устройство по существу соединяет нестерильный окружающий мир с интраокулярным пространством, всегда присутствует потенциальный риск инфицирования. Пациенты остаются на топикальных антибиотиках для подавления бактериального роста. Некоторые врачи придерживаются использования повидон иодида для промывания конъюнктивальной полости во время ежемесячного визита пациента в клинику и хронического применения антигрибковых препаратов [22]. В дополнение к инстилляциям препаратов пациенты должны постоянно носить бандажные контактные линзы. Контактные линзы предохраняют поверхность от дегидратации и развития эпителиальных дефектов. Преимуществом для аниридийных глаз, для которых коррекция интраокулярными линзами может быть проблематичной, является возможность подбора оптического цилиндра кератопротеза в соответствии с длиной глаза и факичным статусом глаза. Оптическая сила контактной линзы также может быть подобрана для достижения максимального рефракционного результата у конкретного больного.
Длительный успешный период наблюдения за аниридийными пациентами с Бостонским кератопротезом, прошедший со времени первых сообщений о его применении, казался обещающим [23], пока большие недавние серии исследований не отметили, что остается все еще много серьезных проблем с применением устройства у аниридийных пациентов [24]. Первоначальные серии исследований сообщали о 100%-ном сохранении устройства в среднем на протяжении 17 месяцев, но недавние широкомасштабные исследования со средним периодом наблюдения 28,7 месяца имели сохранение Boston K-pro только в 77% случаев [24]. Ретроке-ратопротезная мембрана — наиболее частое послеоперационное осложнение с частотой встречаемости 25-77% в различных сериях исследований. Это может быть особенно важно для аниридийных пациентов с потенциально имеющимся у них ани-ридийным фиброзным синдромом [25]. К счастью, разрушительные осложнения, такие как расплавление роговицы, экструзия устройства, эндофталь-мит относительно редки, но все-таки имеют место при кератопротезировании Boston K-pro. Также из-за того, что с кератопротезом измерения ВГД ста-
новятся менее точными, большинство врачей для лучшего контроля глаукомы рекомендуют использовать дренажные устройства в виде трубчатых шунтов.
Суммируя сказанное о хирургическом лечении аниридийной кератопатии, нужно отметить, что ни пересадка лимбальных стволовых клеток, ни ке-ратопротезирование Boston K-pro не имеют долгосрочного успеха выше 90%. Оба метода требуют скрупулезного внимательного наблюдения со стороны доктора и пациента. Пересадка лимбальных стволовых клеток влечет за собой больший риск для организма и требует помощи специалиста по системной иммуносупрессии. Однако риск для глаза при этом ниже и вряд ли будет столь разрушительным. А использование Boston K-pro наоборот влечет больший риск для глаза, т.к. возможно более быстрое развитие катастрофических последствий.
Лечение в будущем
Возможно, мы сейчас находимся на вершине новой эры в лечении врожденной аниридии. Ученые Канады в 2014 г. сообщили о новом молекулярном методе лечения врожденной аниридии, названном START-терапией. Это лечение основано на подавлении преждевременного появления стоп-кодона в гене PAX6 при нонсенс-мутациях при помощи использования топических или системных медикаментов. Это лечение, проводимое в постнатальном периоде, дало существенные положительные результаты у PAX6 гетерозиготных мышей, проявляющиеся в формировании более нормального фенотипа тканей сетчатки, хрусталика и роговицы. Эти ученые инициировали клинические испытания у людей с применением инстилляций тех же препаратов у аниридийных пациентов с рамочными нонсенс-мутациями. Таким образом, сейчас известны точные мутации у аниридийных больных, при которых может быть потенциально получена польза от такого лечения.
Заключение
Ассоциированная с аниридией кератопатия при аниридии представляет собой проблему для лечения, потому что восстановление прозрачности оптической системы влечет за собой значительный риск без достаточно высокого уровня успеха. Вслед за животными моделями кератопатии появилась более совершенная модель патологического процесса, лежащего в основе недостаточности лимбальных стволовых клеток. Такая модель концентрирует основное внимание на постоянно протекающих динамических изменениях в микроокружении и системе гомеостаза роговичного эпителия, а также формирует потенциал для разработки лечения, которое может замедлить, остановить или запустить обратное развитие АК до того, как могут понадобиться более инвазивные и рискованные вмешательства. Будущая терапия, вероятно, будет основываться на восстановлении нормальной экспрессии гена PAX6 у взрослых, как при START-терапии, или вероятном замещении компонентов downstream РАХ6, которые являются критичными для постоянства роговичного гомеостаза.
ЛИТЕРАТУРА
1. Yu F.S., Yin J., Xu K., Huang J. Growth factors and corneal epithelial wound healing // Brain Res Bull. — 2010. — Vol. 81 (2-3). — Р. 229-35.
2. Chi C., Trinkaus-Randall V., Delmonte D.W. JCRS New insights in wound response and repair of epithelium // J Cell Physiol. — 2013. — Vol. 228 (5). — Р. 925-9.
3. Shiple D., Finklea B., Lauderdale J.D., Netland P.A. Keratopathy, cataract, and dry eye in a survey of aniridia subjects. Clin Ophthalmol, 2015. - Vol. 9. - P. 291-295. Published online 2015 February 10.
4. Ramaesh K., Ramaesh T., Dutton G.N., Dhillon B. Evolving concepts on the pathogenic mechanisms of aniridia related keratopathy // The International Journal of Biochemistry & Cell Biology. - 2005. - Vol. 37. - P. 547-557.
5. Holland E.J., Djalilian A.R., Schwartz G.S. Management of aniridic keratopathy with keratolimbal allograft- a limbal stem cell transplantation technique // Ophthalmology. - 2003. - Vol. 110. -P. 125-130.
6. Chang J.W., Kim J.H., Kim S.J., Yu Y.S. Congenital Aniridia -long-term clinical course, visual outcome, and prognostic factors // Korean J Ophthalmol. - 2014. - Vol. 28 (6). - P. 479-485.
7. Ramaesh K., Ramaesh T., Dutton G.N., Dhillon B. Evolving concepts on the pathogenic mechanisms of aniridia related keratopathy // The International Journal of Biochemistry & Cell Biology, 2005. - Vol. 37. - P. 547-557.
8. Holland E.J., Djalilian A.R., Schwartz G.S. Management of aniridic keratopathy with keratolimbal allograft- a limbal stem cell transplantation technique // Ophthalmology. - 2003. - Vol. 110. -P. 125-130.
9. Shiple D., Finklea B., Lauderdale J.D., Netland P.A. Keratopathy, cataract, and dry eye in a survey of aniridia subjects // Clin Ophthalmol. - 2015. - Vol. 9. - P. 291-295. Published online 2015 February 10.
10. Eden, Ulla On Aniridia in Sweden and Norway. Phd Thesis // Department of Clincal Sciences, Ophthalmology Faculty of Medicine, Lund University. - 2009.
11. Lagali N., Edén U., Utheim T.P., Chen X., Riise R., Dellby A., Fagerholm P. In vivo morphology of the limbal palisades of vogt correlates with progressive stem cell deficiency in aniridia-related keratopathy // Invest Ophthalmol Vis Sci., 2013. - Vol. 54 (8). -P. 5333-42.
12. Tzoulaki I., White I.M., Hanson I.M. PAX6 mutations- genotype-phenotype correlations // BMC Genet. - 2005. - Vol. 26. - P. 6-27.
13. Ha T.J., Swanson D.J., Kirova R., Yeung J., Choi K., Tong Y., Chesler E.J., Goldowitz D. Genome-wide microarray comparison reveals downstream genes of Pax 6 in the developing mouse cerebellum // Eur J Neurosci. - 2012. - Vol. 36 (7). - P. 2888-98. Doi-10.1111/j.1460-9568.2012.08221.x. Epub 2012 Jul 22.
14. Shaham O., Menuchin Y., Farhy C., Ashery-Padan R. Pax6-a multi-level regulator of ocular development. Prog Retin Eye Res.,
2012. - Vol. 31(5)- 351-76
15. Ouyang H., Xue Y., Lin Y., Zhang X., Xi L., Patel S., Cai H., Luo J., Zhang M., Zhang M., Yang Y., Li G., Li H., Jiang W., Yeh E., Lin J., Pei M., Zhu J., Cao G., Zhang L., Yu B., Chen S., Fu X.D., Liu Y., Zhang K. WNT7A and PAX6 define corneal epithelium homeostasis and pathogenesis // Nature, 2014 17. - Vol. 511(7509). - P. 358-61.
16. Douvaras P., Mort R.L., Edwards D., Ramaesh K., Dhillon B., Morley S.D., Hill R.E., West J.D. Increased corneal epithelial turnover contributes to abnormal homeostasis in the Pax6(+/-) mouse model of aniridia // PLoS One, 2013. - 8 (8).
17. Douvaras P., Mort R.L., Edwards D., Ramaesh K., Dhillon B., Morley S.D., Hill R.E., West J.D. Increased corneal epithelial turnover contributes to abnormal homeostasis in the Pax6(+/-) mouse model of aniridia // PLoS One, 2013. - 8 (8).
18. López-García J.S., García-Lozano I., Rivas L., MaLopez-Garcia J.S., Rivas L., Garcia-Lozano I., Murube J. Autologous serum eyedrops in the treatment of aniridic ker-atopathy // Ophthalmology. - 2008. -Vol. 115 (2). - P. 262-267.
19. Shortt A.J., Secker G.A., Rajan M.S., Meligonis G., Dart J.K., Tuft S.J., Daniels J.T. Ex vivo expansion and transplantation of limbal epithelial stem cells // Ophthalmology. - 2008 Nov. - Vol. 115 (11). -P. 1989-97.
20. Holland E.J., Schwartz G.S. The Paton lecture - Ocular surface transplantation. - 10 years' experience // Cornea. - 2004 Jul. -Vol. 23 (5). - P. 425-31.
21. Shortt A.J., Bunce C., Levis H.J. et al. Three-Year Outcomes of Cultured Limbal Epithelial Allografts in Aniridia and Stevens-Johnson Syndrome Evaluated Using the Clinical Outcome Assessment in Surgical Trials Assessment Tool. Stem Cells Translational Medicine, 2014. - Vol. 3 (2). - P. 265-275.
22. Rixen J.J., Cohen A.W., Kitzmann A.S., Wagoner M.D., Goins K.M. Treatment of aniridia with Boston Type I Kerato-prosthesis // Cornea,
2013. - Vol. 32 (7). - P. 947-950.
23. Akpek E.K., Harissi-Dagher M., Petrarca R. et al. Outcomes of Boston keratoprosthesis in aniridia- a retrospective multicenter study. Am J Ophthalmol, 2007. - Vol. 144 (2). - P. 227-231.
24. Outcomes following Boston type 1 keratoprosthesis implantation in aniridia patients at the University of Montreal. Hassanaly S.I., Talajic J.C., Harissi-Dagher M. Am J Ophthalmol, 2014 Aug. - Vol. 158 (2). -P. 270-276.
25. Tsai J.H., Freeman J.M., Chan C.C., Schwartz G.S., Derby E.A., Petersen M.R. et al. A progressive anterior fibrosis syndrome in patients with postsurgical congenital aniridia // Am J Ophthalmol. -2005. - Vol. 140. - P. 1075-9.
UDC 617.721-007.21:617.713-06
JOHN M. FREEMAN
MECA Eye & Laser Center, 6485 Poplar Ave, Memphis, TN 38119, USA
Associated with aniridia keratopathy
John M. Freeman — MD, ophthalmologist, director of the Center, tel. (901) 767-3937, е-mail: emilyh@mecavision.com
Introduction
Aniridic keratopathy (AK) is the slow opacification of the cornea seen in congenital aniridia which usually does not become visually significant until the second decade of life or later. AK results from a failure of the surface epithelium and in some cases does not appear to be clinically present at birth. Clinically the condition is observed as a creeping pannus of conjunctival like surface cells that move in from the periphery to slowly cover the entire cornea. The surface changes lead to neovascularization and scarring of the corneal surface and anterior stroma, and this eventually leads to opacity formation in the cornea. The early changes can create general ocular surface discomfort, photophobia, inflammation, and recurrent erosions. In the late stages, the corneal opacity causes loss of vision and there are no known clinically proven medical treatments that definitively slow or halt the progression of the condition. Once corneal opacity develops, surgical restoration of a clear visual axis can be challenging and the two main options are either keratoprosthesis or limbal stem cell transplants followed by corneal transplant. Over the last two decades significant insights have been gained into both normal corneal epithelial maintenance and the abnormal corneal maintenance seen with congenital aniridia. These insights are bringing us closer than ever to developing new therapies for the treatment of aniridic keratopathy based on a molecular and cellular understanding of the disease.
Maintenance of Normal Corneal Epithelium
In the normal cornea, the clear corneal epithelium is maintained by the ocular surface complex that includes a variety of mechanisms that function on the anatomic, cellular, and molecular level. Every aspect of the external eye and surrounding anatomy plays some role in this ocular surface complex. Normal lid function, the fornices, the tear film, the lacrimal gland, and the neuro-secretory reflex are all well known anatomic components of this complex. On the molecular level, a variety of growth factors and cytokines have been identified in corneal epithelial homeostasis including members of the epidermal and fibroblast growth family, hepatocyte growth factor, transforming growth factor and insulin-like growth factor [1]. On the cellular level corneal limbal stem cells play the central role in maintaining the corneal epithelium. Corneal limbal stem cells are maintained in the limbal stem cell niche at the periphery of the cornea in the palisades of Vogt. The limbal stem cells provide a reservoir of cells with constant proliferative potential that maintain the corneal epithelium. They provide a steady state homeostasis of tissue specific terminally differentiated cells while maintaining a reservoir of stem cells whose
mitotic divisions can be amplified in response to varying demands. Limbal stem cells divide to create transient amplifying cells (TAC). Transient amplifying cells migrate and divide to become wing cells which then become terminally differentiated corneal epithelial cells that are eventually des-quamated on the corneal surface. The proliferative potential of the daughter cells appears to diminish throughout the differentiation process. In humans, the average lifespan for a corneal epithelial cell is estimated to be approximately 10 days as the surface cells are lost and replaced by the deeper cell layers [2]. In response to sudden loss of corneal epithelium, surrounding cells start covering the epithelial defect by migration and cell spreading, while the deeper transient amplifying cells and stem cells provide the reconstitutive mitosis to replace the lost cells. The limbal stem cells also provide a barrier function to prevent conjunctival type cells from growing onto the cornea. Traditionally, aniridic keratopathy has been understood as a limbal stem cell de-ficiency while it may be more of deficiency in the overall process of corneal epithelial homeosta-sis.
Findings in Aniridic Keratopathy
The prevalence of aniridic keratopathy while not universal increases with age and has been reported in 46-90% of aniridics [3-6]. The timing of AK onset and progression appears to be variable but usually onset develops by the teen years [7, 8] and there can be a difference in progression between the eyes in a given individual. In one study involving self-reporting, the average age of diagnosis was 20 years+/-12.2 years [9]. There is agreement that the condition de-velops in stages moving slowly from the periphery to the center of the cornea. There are at least two different scales for staging AK. The one from Sweden and Norway has been employed on the greatest scale and involves the following grading: grade 0: no corneal involvement; grade 1: peripheral invasion of blood vessels; grade 2: total circumference of limbus has conjunctivalizaion; grade 3: conjunctivalization and vessels have reached the center and the stroma is involved; grade 4: opacified cornea [10].
A useful technique for observing the early stages of aniridic keratopathy at the slitlamp is the phenomenon of «late-staining». «Late-staining» involves the instillation of topical fluorescein dye and the cobalt blue filter just like an epithelial defect. However, the abnormal conjunctival type tissue that signifies the limbal stem cell failure requires 3-6 minutes of time to uptake the dye and will show a weaker glow than a normal epithelial defect. This technique is particularly useful in exams under anesthesia on small children where the subtle findings of early stage AK can easily be missed.
Clinical studies of aniridic keratopathy with confocal microscopy have revealed that at least some aniridics early on have normal appearing palisades of Vogt and corneal epithelium [11] and thus have some functioning limbal stem cells and a somewhat normal appearing niche. These studies have found that the progression of aniridic keratopathy coincides with loss of or-ganization of the palisades of Vogt, loss of central corneal sensation, loss of central subasal nerve density, and invasion of the corneal surface with blood vessels and inflammatory cells. All of these eventually culminate with corneal opacity and loss of visual acuity. In contrast to other limbal stem cell deficiencies such as those from chemical burns or inflammatory conditions such as Stevens-Johnson syndrome or ocular cicatricial pemphigoid, AK displays 360 degrees of pe-ripheral pannus while maintaining clear central cornea epithelium for years. In other limbal stem cell deficiencies, total peripheral pannus would lead to loss of clear central epithelium in short order, usually weeks to months. This suggests a difference in the exact nature of stem cell failure.
Molecular genetics and basic research on aniridic keratopathy
Most cases of congenital aniridia result from a heterozygous mutation in one of the pax 6 genes on chromosome 11. Over 200 different mutations have been identified in the pax 6 gene involving congenital aniridia [12]. Classically, pax 6, a transcription factor that has been con-served in many species, has been studied as a developmental gene. Pax 6 has over a 1000 poten-tial downstream targets and is known to be active during organogenesis of the eye, brain, and pancreas [13]. It is considered a «multi-level regulator of ocular development» and much research has elucidated the complex role of pax 6 during development of the eye [14]. However, in contrast to foveal hypoplasia and aniridia which represent obvious defects of development, aniridic keratopathy appears to be a transition from a fairly normal epithelial system to a defec-tive system that occurs slowly over decades. Thus aniridic keratopathy points to an ongoing adult role for pax 6 gene function and that is exactly what animal models of pax 6 mutations have revealed over the last decade. Pax 6 appears to play an active role in corneal epithelial homeostasis [15] and pax 6 gene deficiency leads to increased corneal epithelial turnover [16]. This increased corneal turnover may be partly from increased cell fragility from defective cell adhesion molecules and defective extra-cellular matrix [17]. This adult role for pax 6 provides an opportunity to develop therapies that can halt or reverse the progression of AK.
Medical Treatment
Currently there are no known clinically proven treatments that definitively slow, halt, or reverse the progression of AK. However, several treatments have proven helpful to treat the symptoms of early and late stages of AK and most are based on extrapolation of treatments and techniques used in similar clinical conditions. It is likely that there is some mild benefit to these approaches but it is hard to measure. A general principle is to protect the corneal epithelium from stress when avoidable. For example during cataract or glaucoma surgery, the limbal area and epithelium should be avoided and protected during surgery whenever possible. Decreasing exposure to wind and sun is also likely beneficial as UV exposure increases
corneal epithelial cell loss and would likely accelerate the progression of the condition. Use of preservative-free topical glaucoma agents and lubricant drops is also likely beneficial. Topical cyclosporine likewise helps to break any cycle of inflammation and dryness that could progress the condition. Autologous serum derived from the patient's own serum has proven somewhat helpful in improving symptoms of AK and may slightly improve clinical findings of the condition [18]. Autologous serum has growth factors that are known to be involved in epithelial maintenance and has demonstrated ability to help heal neurotrophic corneal ulcers in other conditions. Recurrent erosions and dry eyes in general can be treated with conventional methods with the exception that epithelial deb-ridement should probably be avoided.
Surgical Treatment
In AK, once corneal opacity develops across the visual axis and visual acuity drops below baseline, surgery is the only option to restore a clear visual axis. Corneal transplants alone do not work for the long term because AK involves failure of the ocular surface which is maintained by the host in a corneal transplant. The two main techniques utilized to restore the visual axis in AK are limbal stem cell transplants (keratolimbal allografts KLAL) and keratoprosthesis. Limbal stem cell transplants restore the maintenance of a corneal epithelium while keratoprostheses do not require a normal ocular surface. Neither technique is without risk and the decision to proceed with either one is difficult for the doctor and patient.
Limbal stem cell transplants for aniridic keratopathy
Limbal stem cell transplants are usually harvested from cadaveric sources in the United States and directly transplanted to the patient, but other countries have employed ex-vivo expansion to expand the tissue before transplant [19]. Regardless of technique, systemic immunosuppression is required for survival of the allografts. The systemic immunosuppression required is similar to that used in renal transplants; however, there is no standard protocol for length or type of immunosuppression. In one study using directly transplanted KLAL tissue, 75% of the aniridic eyes had a stable ocular surface with an average follow-up of 4.7 years after limbal stem cell transplant. In this study success was very dependent on systemic immunsuppression as only 29% of those who could not take systemic immunosuppression had a long-term stable ocular surface [20]. This study utilized systemic oral prednisone briefly and longer term tacrolimus and mycophenolate. A study with 3 year follow-up using exvivo expanded allografts showed only 22% of aniridic eyes had improved ocular surface. This study only used systemic immunosup-pression with cyclosporine and prednisone for no more than 6 months [21] which may account for the lower success. If significant stromal scarring is present after the limbal stem cell transplant, subsequent corneal procedures such as deep anterior lamellar keratoplasty or penetrating keratoplasty may be required. Doing limbal stem cell transplants earlier, before formation of deep stromal scarring, avoids the need for these subsequent procedures.
Besides variable success, the main drawback for limbal stem cell transplants is the systemic immunosuppression which can damage the overall health of the individual. Aniridia has an association with diabetes and obesity that may make the
immunosuppression more risky. In addition, the systemic immunosuppression requires close coordination with an immunosuppression specialist as most ophthalmologists are not well-versed in managing these potentially dangerous drugs.
Keratoprosthetic for Aniridic Keratopathy
Currently, the Boston Keratoprosthetic (K-pro) is the main keratoprosthetic used in the United States and probably world-wide. The Boston K-pro utilizes a PMMA front piece with 3mm optic that is fastened to a surrounding carrier cadaveric cornea by a backplate. Usually a fresh cadaveric cornea is used but frozen and stored irradiated corneas have been used with success. It does not require a normal ocular surface and a conjunctivalized surface may actually be advantageous. Two main drawbacks of keratoprosthetics are one, inability to accurately measure intraocular pressure and two, the ongoing risk of endophthalmitis. Intraocular pressure must be estimated clinically by touch. Because the device in essence connects the non-sterile outside world with intraocular space, the potential for infection is always present. Patients are kept on topical antibacterial antibiotics to suppress bacterial growth and some clinicians advocate a povidine iodine rinse at monthly clinic visits and chronic anti-fungal drops [22]. In addition to the topical drops, a bandage contact lens must be worn continuously. The contact lens keeps the surface from becoming dehydrated and developing epithelial defects. An advantage for aniridics, for whom intraocular lenses can be problematic, is that the power of the keratoprosthetic can be customized to the axial length and phakic status of the eye. Also, the power of the contact lens can be adjusted to fine tune the refractive status of the patient.
The long term success of the Boston K-pro in aniridics from initial reports seemed promising [23] while a larger recent series pointed out that there are still significant challenges for these devices in aniridics
[24]. Initial series reported 100% retention of the device with median follow-up of 17 months but a more recent large study with mean follow-up of 28.7 months had a retention of only 77% [24]. Retroprosthetic membrane is the most common reported post-operative complication with rates between 25% and 77% in different series. This may be particular important in aniridics with the potential for aniridic fibrosis syndrome
[25]. Fortunately, devastating complications such as corneal melts, device extrusion, and endophthalmitis have been relatively rare, but can occur with the Boston Keratoprosthetic. Also, as measurement of intraocular pressure becomes less precise with the K-pro, most clinicians recommend placement of a tube shunt for better glaucoma control.
To summarize the surgical treatment of aniridic keratopathy, neither limbal stem cell transplants nor the Boston Keratoprosthetic have long-term success rates higher than 90% and both require meticulous, attentive care by the doctor and patient. Limbal stem cell transplants entail more risk to the body and require help from systemic immunosuppression specialist. However, risk to the eye is lower and unlikely to be devastating. The Boston K-pro entails more risk to the eye in that more rapid developing catastrophic events are possible.
Future Treatments
We are possibly on the cusp of a new era in treatment of congenial aniridia. Researchers in Canada in 2014, reported on new molecular based treatment
for congenital aniridia named START therapy. This treatment involves suppressing premature termination codons in pax 6 gene nonsense mutations with topical or systemic medications. This treatment given in the postnatal period yielded dramatic results in pax 6 heterzygous mice by recovering more normal phenotypes in retinal, lens, and corneal tissue. These same researchers are initiating a clinical trial in humans using the same drug topically in aniridics with in-frame nonsense mutations. It is estimated that approximately 50% of pax 6 mutant aniridics have such mutations. Thus now knowing the precise mutation in a given aniridic is critical to determining if a patient could potentially benefit from the trial.
Summary
Aniridic keratopathy represents a challenging condition to treat because restoration of the visual axis entails significant risk without high enough success rates. From studies in animal models, a more refined model of the condition has emerged that goes beyond a basic stem cell deficiency. This model highlights the ongoing dynamic mechanisms involved in corneal epithelial homeostasis and creates potential for treatments that can slow, halt, or reverse the condition before the more invasive risky current procedures are needed. Future therapies will likely rely on restoring more normal pax 6 gene expression in the adult such as START therapy, or rely on replacement of components downstream of pax 6 that are critical for ongoing corneal homeostasis.
REFERENCES
1. Yu F.S., Yin J., Xu K., Huang J. Growth factors and corneal epithelial wound healing. Brain Res Bull, 2010; 81(2-3): 229-35.
2. Chi C., Trinkaus-Randall V., Delmonte D.W. JCRS New insights in wound response and repair of epithelium. J Cell Physiol, 2013; 228(5): 925-9.
3. Shiple D., Finklea B., Lauderdale J.D., Netland P.A. Keratopathy, cataract, and dry eye in a survey of aniridia subjects. Clin Ophthalmol, 2015; 9: 291-295. Published online 2015 February 10
4. Ramaesh K., Ramaesh T., Dutton G.N., Dhillon B. Evolving concepts on the pathogenic mechanisms of aniridia related keratopathy. The International Journal of Biochemistry & Cell Biology, 2005; 37: 547-557.
5. Holland E.J., Djalilian A.R., Schwartz G.S. Management of aniridic keratopathy with keratolimbal allograft: a limbal stem cell transplantation technique. Ophthalmology, 2003; 110: 125-130.
6. Chang J.W., Kim J.H., Kim S.J., Yu Y.S. Congenital Aniridia: long-term clinical course, visual outcome, and prognostic factors. Korean J Ophthalmol, 2014; 28(6): 479-485.
7. Ramaesh K., Ramaesh T., Dutton G.N., Dhillon B. Evolving concepts on the pathogenic mechanisms of aniridia related keratopathy. The International Journal of Biochemistry & Cell Biology, 2005; 37: 547-557
8. Holland E.J., Djalilian A.R., Schwartz G.S. Management of aniridic keratopathy with keratolimbal allograft: a limbal stem cell transplantation technique. Ophthalmology, 2003; 110: 125-130.
9. Shiple D., Finklea B., Lauderdale J.D., Netland P.A. Keratopathy, cataract, and dry eye in a survey of aniridia subjects. Clin Ophthalmol, 2015; 9: 291-295. Published online 2015 February 10
10. Eden, Ulla On Aniridia in Sweden and Norway. Phd Thesis. Department of Clincal Sciences, Ophthalmology Faculty of Medicine, Lund University, 2009.
11. Lagali N., Edén U., Utheim T.P., Chen X., Riise R., Dellby A., Fagerholm P. In vivo morphology of the limbal palisades of vogt correlates with progressive stem cell deficiency in aniridia-related keratopathy. Invest Ophthalmol Vis Sci., 2013; 54(8): 5333-42.
12. Tzoulaki I., White I.M., Hanson I.M. PAX6 mutations: genotype-phenotype correlations. BMC Genet., 2005; 26: 6: 27.
13. Ha T.J., Swanson D.J., Kirova R., Yeung J., Choi K., Tong Y., Chesler E.J., Goldowitz D. Genome-wide microarray comparison reveals downstream genes of Pax 6 in the developing mouse cerebellum. Eur J Neurosci., 2012; 36(7): 2888-98. doi: 10.1111/j.1460-9568.2012.08221.x. Epub 2012 Jul 22
14. Shah am O., Menuchin Y., Farhy C., Ashery-Padan R. Pax6: a multi-level regulator of ocular development. Prog Retin Eye Res., 2012; 31(5): 351-76
15. Ouyang H., Xue Y., Lin Y., Zhang X., Xi L., Patel S., Cai H., Luo J., Zhang M., Zhang M., Yang Y., Li G., Li H., Jiang W., Yeh E.,
Lin J., Pei M., Zhu J., Cao G., Zhang L., Yu B., Chen S., Fu X.D., Liu Y., Zhang K. WNT7A and PAX6 define corneal epithelium homeostasis and pathogenesis. Nature, 2014 17; 511(7509): 35S-61.
16. Douvaras P., Mort R.L., Edwards D., Ramaesh K., Dhillon B., Morley S.D., Hill R.E., West J.D. Increased corneal epithelial turnover contributes to abnormal homeostasis in the Pax6(±/-) mouse model of aniridia. PLoS One, 2013; S(S):
17. Douvaras P., Mort R.L., Edwards D., Ramaesh K., Dhillon B., Morley S.D., Hill R.E., West J.D. Increased corneal epithelial turnover contributes to abnormal homeostasis in the Pax6(±/-) mouse model of aniridia. PLoS One, 2013; S(S):
1S. López-García J.S., García-Lozano I., Rivas L., MaLopez-Garcia J.S., Rivas L., Garcia-Lozano I., Murube J. Autologous serum eyedrops in the treatment of aniridic ker-atopathy. Ophthalmology, 200S;115(2): 2б2-2б7
19. Shortt A.J., Secker G.A., Rajan M.S., Meligonis G., Dart J.K., Tuft S.J., Daniels J.T. Ex vivo expansion and transplantation of limbal epithelial stem cells. Ophthalmology, 200S Nov;ll5(ll): 19S9-97
20. Holland E.J., Schwartz G.S. The Paton lecture: Ocular surface transplantation: 10 years' experience. Cornea, 2004 Jul; 23(5): 425-31
21. Shortt A.J., Bunce C., Levis H.J., et al. Three-Year Outcomes of Cultured Limbal Epithe-lial Allografts in Aniridia and StevensJohnson Syndrome Evaluated Using the Clinical Outcome Assessment in Surgical Trials Assessment Tool. Stem Cells Translational Medicine, 2014; 3(2): 265-275
22. Rixen J.J., Cohen A.W., Kitzmann A.S., Wagoner M.D., Goins K.M. Treatment of aniridia with Boston Type I Kerato-prosthesis. Cornea, 2013; 32(7): 947-950.
23. Akpek E.K., Harissi-Dagher M., Petrarca R., et al. Outcomes of Boston keratoprosthesis in aniridia: a retrospective multicenter study. Am J Ophthalmol, 2007; 144(2): 227-231.
24. Outcomes following Boston type 1 keratoprosthesis implantation in aniridia patients at the University of Montreal. Hassanaly S.I., Talajic J.C., Harissi-Dagher M. Am J Ophthalmol, 2014 Aug; 158(2): 270-276
25. Tsai J.H., Freeman J.M., Chan C.C., Schwartz G.S., Derby E.A., Petersen M.R., et al. A progressive anterior fibrosis syndrome in patients with postsurgical congenital aniridia. Am J Ophthalmol., 2005; 140: 1075-9
