Comparison of the effects on the ocular surface of rabbits between benzalkonium chloride and polyquad included in prostaglandin F2α analogues

Abstract

Glaucomatous optic neuropathy is a typical type of progressive optic neuropathy which can be caused by abnormally high intraocular pressure(IOP) or ischemic insult to the optic disc or both. Medical or surgical treatments that can lower IOP are the only proven way to prevent or slow further progression of glaucoma. As the primary therapy of glaucoma, various topical medications are currently used in the most patients with open-angle glaucoma. To prevent bacterial contamination of topical medications, various preservatives are included in the anti-glaucoma medications. Benzalkonium chloride is the most commonly used preservative in the topical medications and known to have cytotoxicity on the ocular surface. To avoid the potential adverse effects due to benzalkonium chloride, anti-glaucoma drugs containing benzalkonium chloride of low concentration or alternative preservatives other than benzalkonium chloride or even preservative-free drugs have been released. Among alternative preservatives, polyquad has been reported to be less toxic to the ocular surface. Therefore, we conducted this in vivo study in order to compare the effect of the prostaglandin F2α analogues preserved with either 0.015% or 0.001% benzalkonium chloride or 0.001% polyquad on the ocular surface of the rabbit eyes. Forty white rabbits were randomized to receive four-times daily instillation of 0.004% travoprost with 0.015% benzalkonium chloride(TR-BAK), 0.0015% tafluprost preserved with 0.001% benzalkonium chloride(TF-BAK), 0.004% travoprost with 0.001% polyquad(TR-PQ), or preservative-free artificial tears(PF-Tear, sodium hyaluronate) in one eye for 4-week period. Ten rabbits assigned to the PF-Tear group were used as a control group. Tear samples collected from the 40 rabbits were analyzed by enzyme-linked immunosorbent assays for the presence of inflammatory cytokines: interleukin(IL)-1β and IL-6 on day 14. After 4-week instillation, the harvested cornea and bulbar conjunctiva were evaluated by light and transmission electron microscopy. In the tear samples of the rabbits, IL-6 was significantly increased in TR-BAK and TF-BAK groups compared to controls and TR-PQ group; however, IL-1β level was not significantly different among 4 groups. Rabbits treated with TR-BAK showed decreased goblet cell density of conjunctiva and increased pyknotic change and vacuolization of corneal epithelial cells on light microscopy; similar changes occurred but were less severe in TF-BAK group. The TR-PQ group showed similar results to the PF-Tear group. In the transmission electron microscopy, the destruction of the microvillar architecture of conjunctiva and cornea was most prominent in the TR-BAK group. Preservatives included in the anti-glaucoma eyedrops produced different ocular surface changes according to the concentration and type in the rabbits. Prostaglandin F2α analogues preserved with higher level of benzalkonium chloride may cause more harmful effects on the ocular surface than polyquad-preserved medications.;개방각 녹내장의 약물 치료에 있어서 프로스타글란딘 F2α 유사체는 일차 치료제로 흔히 사용되고 있다. 국소 점안제에 가장 흔히 포함되는 보존제인 벤잘코늄 클로라이드(benzalkonium chloride, BAK)와 새로운 대체 보존제로 알려진 폴리쿼드(polyquad, PQ)로 각각 보존된 여러 가지 프로스타글란딘 F2α 유사체들이 토끼의 안구 표면에 미치는 영향을 알아보고자 본 연구를 계획하였다. 40마리의 토끼를 네 그룹으로 나누어 각각 0.015%의 BAK로 보존된 트라보프로스트(travoprost, TR-BAK군), 0.001% BAK로 보존된 타플루프로스트(tafluprost, TF-BAK군), 0.001%의 PQ로 보존된 트라보프로스트(TR-PQ군) 및 보존제를 함유하지 않은 인공 누액(preservative-free artificial tear, PF-Tear군)을 하루 4회씩 4주 동안 점안시켰다. 약제를 점안한지 14일째 각 토끼에서 눈물을 채취하여 interleukin(IL)-1β와 IL-6에 대해 분석하였다. 총 4주간의 약제 점안을 모두 마치고 난 뒤, 토끼를 안락사시켜 각막과 결막 조직을 채취하여 광학현미경 및 전자현미경을 이용해 관찰하였으며 결막의 술잔세포 수를 비교하였다. 눈물에 포함된 proinflammatory cytokine인 IL-6는 TR-BAK군과 TF-BAK군에서 TR-PQ군 및 대조군인 PF-Tear군에 비해 유의하게 높았다. IL-1β는 네 군 사이에 유의한 차이를 보이지 않았다. 광학현미경으로 관찰한 결막 술잔세포 수는 TR-BAK군과 TF-BAK군에서 통계적으로 유의한 감소를 보였다. BAK 0.015%를 함유한 TR-BAK군은 광학현미경 상에서 결막 술잔세포 수의 감소, 각막상피세포의 핵응축 및 각질화의 증가 소견을 보였고, TF-BAK군에서도 그 정도가 다소 경미하나 TR-BAK군과 유사한 변화가 관찰되었다. 반면, TR-PQ군에서는 대조군인 PF-Tear군과 유사한 조직 소견을 보였다. 전자현미경 상에서 TR-BAK군은 각막 및 결막의 표면 미세융모의 형태학적 변형 및 수의 현저한 감소가 관찰되었으며, TF-BAK군 역시 표면 미세융모 수의 감소 및 끝 무뎌짐 현상이 관찰되었다. 국소 점안 녹내장 치료제에 포함된 보존제는 그 농도와 종류에 따라 토끼의 안구 표면에 각각 다른 영향을 미칠 수 있다. 고농도의 BAK를 함유한 프로스타글란딘 유사체보다는 PQ로 보존된 제형을 사용하는 것이 장기간의 점안에 의해 안구 표면에 나타나는 부작용을 줄일 수 있을 것으로 생각된다.