Menghabiskan waktu selama delapan jam sehari dengan paparan layar komputer, dapat mengakibatkan mata menjadi lelah atau kering. Jika kondisi itu cukup parah, penyakit mata kering atau Dry Eye Disease (DED) menjadi ancaman nyata.

DED adalah penyakit umum dengan sangat sedikit pilihan obat yang disetujui FDA, sebagian karena kesulitan pemodelan patofisiologi kompleks di mata manusia.

Para peneliti di Penn Engineering, mereplika model mata manusia: eye-on-a-chip untuk mempelajari persoalan tersebut. Eye-on-a-chip ini, lengkap dengan kelopak mata yang berkedip, membantu para ilmuwan dan pengembang obat untuk meningkatkan pemahaman dan pengobatan berbagai kondisi kesehatan mata. Salah satunya adalah DED.

Penelitian ini menguraikan akurasi eye-on-a-chip sebagai pengganti organ dan menunjukkan kegunaannya sebagai platform pengujian obat. Penelitian ini dipimpin oleh Dan Huh, profesor di Departemen Bioteknologi Penn Engineering bersama mahasiswa pascasarjana, Jeongyun Seo.

Dalam studi ini, Huh dan Seo berfokus pada rekayasa model mata yang bisa meniru mata yang sehat dan mata dengan DED yang memungkinkan mereka untuk menguji obat eksperimental tanpa risiko membahayakan manusia. Untuk membangun alat mereka, tim Huh mulai dengan perancah berpori yang direkayasa dengan printer 3D, seukuran uang koin dengan bentuk lensa kontak, di mana mereka menumbuhkan sel mata manusia.

Sel-sel kornea tumbuh pada lingkaran dalam perancah, berwarna kuning, dan sel-sel konjungtiva, jaringan khusus yang menutupi bagian putih mata manusia, tumbuh pada lingkaran merah di sekitarnya. Sepotong gelatin bertindak sebagai kelopak mata, secara mekanis meluncur di atas mata dengan kecepatan yang sama seperti manusia yang berkedip. Diberi asupan oleh saluran air mata, berwarna biru, kelopak mata menyebarkan sekresi air mata buatan untuk membentuk apa yang disebut selaput air mata.

"Dari sudut pandang teknik, kami merasa tertarik untuk berpikir tentang kemungkinan meniru lingkungan dinamis mata manusia yang berkedip. Berkedip berfungsi untuk menyebarkan air mata dan menghasilkan selaput tipis yang menjaga permukaan mata terhidrasi. Ini juga membantu membentuk bias yang halus. Permukaan untuk transmisi cahaya. Ini adalah fitur utama dari permukaan okular yang ingin kami rekapitulasi di perangkat kami," kata Huh.

Untuk orang-orang dengan DED, selaput air mata itu menguap lebih cepat daripada yang diisi ulang, menghasilkan peradangan dan iritasi. Penyebab umum DED adalah berkurangnya kedipan yang terjadi selama penggunaan komputer yang berlebihan, tetapi orang-orang dapat terserang penyakit karena alasan lain juga. DED memengaruhi sekitar 14 persen populasi dunia tetapi sangat sulit untuk mengembangkan pengobatan baru, dengan 200 uji coba obat klinis yang gagal sejak 2010 dan hanya dua obat yang disetujui FDA untuk pengobatan saat ini.

Laboratorium Huh telah mempertimbangkan potensi pengujian obat eye-on-a-chip sejak konseptualisasi awal mereka dan DED tampaknya merupakan objek yang sempurna untuk mulai menempatkan model mata mereka pada pengujian.

"Awalnya, kami pikir memodelkan DED akan sesederhana menjaga objek tetap kering. Tetapi ternyata, itu adalah penyakit multifaktorial yang sangat kompleks dengan berbagai sub-tipe," kata Huh. "Terlepas dari jenisnya, bagaimanapun, ada dua mekanisme inti yang mendasari pengembangan dan perkembangan DED. Pertama, ketika air menguap dari lapisan air mata, konsentrasi garam meningkat secara dramatis, menghasilkan hyperosmolarity air mata. Dan kedua, dengan penguapan air mata yang meningkat, selaput air mata menipis lebih cepat dan sering terurai sebelum waktunya. Pertanyaannya adalah: Apakah model kami mampu memodelkan mekanisme inti mata kering ini?"

Tim peneliti membangkitkan kondisi DED dalam eye-on-a-chip dengan memangkas setengah perangkat buatan mereka dan dengan hati-hati menciptakan lingkungan tertutup yang mensimulasikan kelembaban kondisi seperti pada mata asli. Ketika diuji terhadap mata manusia nyata, baik yang sehat maupun dengan DED, model eye-on-a-chip yang sesuai membuktikan kemiripan mereka dengan organ sebenarnya pada berbagai ukuran klinis.

Setelah mengkonfirmasi kemampuan eye-on-a-chip untuk mencerminkan kinerja mata manusia dalam pengaturan yang normal dan memicu DED, tim Huh beralih ke industri farmasi untuk menemukan kandidat obat DED yang menjanjikan untuk menguji coba model mereka.

Mereka sampai pada rekomendasi obat yang berdasarkan pada protein yang terutama ditemukan dalam cairan pelumas yang melindungi sendi.

"Ketika orang berpikir tentang DED, mereka biasanya memperlakukannya sebagai penyakit kronis yang didorong oleh peradangan," kata Huh, "tetapi sekarang ada semakin banyak bukti yang menunjukkan bahwa kekuatan mekanik penting untuk memahami patofisiologi DED. Karena selaput air mata menjadi lebih tipis dan lebih banyak tidak stabil, gesekan antara kelopak mata dan permukaan mata meningkat, dan ini dapat merusak permukaan epitel dan juga memicu respon biologis yang merugikan seperti peradangan. Berdasarkan pengamatan ini, ada minat yang muncul dalam mengembangkan pelumas mata sebagai pengobatan topikal untuk mata kering. Dalam penelitian kami, kami menggunakan obat berbasis pelumas yang saat ini sedang menjalani uji klinis. Ketika kami menguji obat ini di perangkat kami, kami dapat menunjukkan efek penurun gesekan, tetapi yang lebih penting, menggunakan model ini kami menemukan kapasitas yang sebelumnya tidak diketahui untuk menekan peradangan pada permukaan okular."

Dengan membandingkan hasil pengujian model mata sehat mereka, mata dengan DED, dan mata dengan DED plus pelumas, Huh dan Seo dapat memberi pemahaman lebih jauh tentang cara kerja pelumas dan menunjukkan rekomendasi obat sebagai pengobatan DED.

Demikian pula, proses membuat eye-on-chip yang dapat berkedip mendorong pemahaman ilmuwan tentang mata itu sendiri, memberikan wawasan tentang peran mekanik dalam biologi. Berkolaborasi dengan Shenoy, direktur Pusat Rekayasa MechanoBiology, perhatian tim tertarik pada bagaimana aksi kedipan fisik memengaruhi sel yang mereka kembangkan untuk merekayasa mata buatan di atas perancah mereka.

"Awalnya, sel-sel kornea mulai sebagai satu lapisan, tetapi mereka menjadi bertingkat dan membentuk beberapa lapisan sebagai akibat dari diferensiasi yang terjadi ketika sel-sel ini dikultur pada antarmuka udara-cair. Sel-sel tersebut juga membentuk persimpangan sel yang ketat dan mengekspresikan seperangkat penanda selama diferensiasi," kata Huh. "Menariknya, kami menemukan bahwa kekuatan mekanik karena berkedip sebenarnya membantu sel-sel berdiferensiasi lebih cepat dan lebih efisien. Ketika sel-sel kornea dikultur di bawah udara dengan adanya kedipan, laju dan tingkat diferensiasi meningkat secara signifikan dibandingkan dengan model statis tanpa kedipan. Berdasarkan hasil ini, kami berspekulasi bahwa kekuatan fisiologis yang diinduksi oleh kedipan dapat berkontribusi pada diferensiasi dan menjaga kestabilan kornea."

Meski masih diuji coba dalam bidang pengujian obat, eye-on-a-chip tetaplah langkah pertama yang menjanjikan berbagai penelitian terkait mata dengan tingkat akurasi dan utilitas yang signifikan. "Meskipun kami baru saja menunjukkan bukti konsep," kata Seo, "Saya harap platform eye-on-a-chip ini lebih maju dan digunakan untuk berbagai aplikasi selain skrining obat, seperti pengujian lensa kontak, dan operasi mata di masa depan."

Sumber:

Nature Medicine, 2019; DOI: 10.1038/s41591-019-0531-2