Ученые изобрели имплантат сетчатки, который даст слепым искусственное зрение

13 марта 2017, 15:48 Наука

Глаз не алмаз, а полупроводник

close 100%

Shutterstock Ученые разработали искусственную сетчатку, способную вернуть зрение миллионам людей. Имплантат уже успешно прошел испытания на крысах, и разработчики готовы тестировать его на людях.

Ученые разработали имплантат сетчатки глаза, с помощью которого им уже удалось вернуть зрение крысам. Изобретатели планируют перейти к испытаниям на людях уже в этом году.

Имплантат, который преобразует свет в электрические сигналы, стимулирующие нейроны сетчатки, даст надежду миллионам людей, страдающих от дегенерации сетчатки, включая пигментный ретинит, при котором нарушается работа фоторецепторов, что приводит к слепоте.

Сетчатка — это внутренняя оболочка глаза. В ней содержатся миллионы фоторецепторов, необходимых для зрения. Однако мутация даже в одном из 240 связанных с формированием сетчатки генов может привести к дегенерации сетчатки, при которой светочувствительные клетки отмирают, а нейроны сетчатки при этом продолжают функционировать.

Команда специалистов из Итальянского института технологий смогла разработать протез сетчатки, который берет на себя ее функции.

Имплантат состоит из тонкого слоя электропроводящего полимера, расположенного на основанном на шелке субстрате, и внешнего покрытия из полупроводящего полимера. О результатах работы ученые рассказали в журнале Nature Materials.

close 100%

Nature

Полупроводящий полимер действует как фотоэлектрический материал, поглощая фотоны, когда свет попадает на хрусталик — биологическую линзу, преломляющую свет. Когда это происходит, электричество стимулирует нейроны сетчатки, заполняя пространство между поврежденными фоторецепторами.

Чтобы проверить новинку, ученые имплантировали искусственную сетчатку крысам из специально выведенной линии с дегенерацией сетчатки. Спустя 30 дней после операции исследователи протестировали их восприимчивость к свету по сравнению со здоровыми крысами и крысами той же генетической линии, не получивших лечения.

Имплантат эффективно работал и спустя 10 месяцев после операции, хотя у всех трех групп крыс зрение несколько ухудшилось из-за возрастных изменений.

Также с помощью позитронно-эмиссионной томографии ученые проверили активность мозга крыс во время тестов на чувствительность к свету и обнаружили рост активности в зрительной коре, отвечающей за обработку визуальной информации.

Основываясь на полученных результатах, команда заключила, что имплантат напрямую активирует «остаточные нейронные схемы в дегенеративной сетчатке». Необходимы дальнейшие исследования, чтобы подробно описать этот процесс с точки зрения биологии.

«Детализированный принцип работы протеза остается неопределенным», — отмечают они в статье. Кроме того, неизвестно, будут ли такие имплантаты так же эффективны для людей. Но команда полна оптимизма и рассчитывает проверить это уже в ближайшее время.

«Мы надеемся воспроизвести на людях такие же прекрасные результаты, какие получили при эксперименте с животными, — говорит одна из исследователей, офтальмолог Грация Пертиле.

— Мы планируем первые тесты на людях во второй половине этого года, а к 2018-му получим предварительные результаты. Использование этого имплантата может стать поворотной точкой в лечении тяжелых заболеваний сетчатки».

Другой перспективный метод лечения таких болезней — редактирование генома с помощью технологии CRISPR. Это удалось сделать в прошлом году группе офтальмологов из США. Они использовали клетки кожи пациента с пигментным ретинитом, чтобы вырастить стволовые клетки, которые тоже несли в себе приводящую к слепоте мутацию. CRISPR позволила успешно «отремонтировать» дефектный ген. На момент проведения исследования эксперименты на людях были запрещены, но, как утверждают сами исследователи, трансплантация здоровых клеток могла бы восстановить утраченное зрение.

В отличие от традиционной пересадки органов такой подход не вызовет отторжения иммунной системой.

А пересадка глаза полностью не осуществляется вообще из-за его высокой степени антигенности и сложной сосудистой системы. Успешны могут быть лишь операции по пересадке части глаза, например роговицы.

А в Австралии в то же время ученые были готовы к испытаниям бионического глаза. Глаз Phoenix99 был разработан инженерами из Университета Нового Южного Уэльса. Его создание началось еще в 1997 году с целью помочь людям с пигментным ретинитом и макулодистрофией — патологическим изменением сосудов глаза, характерным для пожилых людей.

Прототип глаза представлял собой массив из 24 электродов, подсоединенных к внешнему устройству и позволяющих пациенту видеть фосфены — светящиеся точки и фигуры, возникающие без воздействия света, например при надавливании на глаз или электрическом возбуждении сетчатки.

С помощью специальных камер было также можно определять расстояние: чем ярче были фосфены, тем ближе находился объект.

Последняя модель Phoenix99 имплантируется полностью и показывает значительно лучшие результаты, чем предыдущие. К 2018 году исследователи планируют вживить бионические глаза по меньшей мере десяти пациентам. Операция занимает два-три часа, и единственное, что указывает на неестественную природу новых глаз, — небольшой диск за ухом, который питает устройство и передает на него данные.

Ученые из Центра нейропротезирования в Лозанне, Швейцария разработали принципиально новый тип импланта сетчатки. В мире более 3 миллионов пациентов страдают слепотой из-за заболевания или повреждения сетчатки. Но существующие импланты пока помогают мало. Они восстанавливают зрительный обзор не более чем на 20 градусов, и пациенты с такими имплантами официально признаются слабовидяшими. Швейцарские ученые разработали имплант из гибкого полимера, который является еще и солнечной батареей. Изображение получают видеокамеры, расположенные на очках. Здесь все как обычно. А вот дальше все по-новому. По беспроводному интерфейсу изображение передается на имплантированную сетчатку. Причем имплант по площади — почти такой же, как и естественная сетчатка. Материал импланта специально сделали тонким и гибким, чтобы можно было вводить его в глаз через очень узкий разрез. Большая площадь импланта позволяет резко увеличить разрешение картинки, по сравнению с существующими аналогами. Импланту не нужны источники питания. Он заряжается от естественного освещения. Получив изображение от камер искусственная сетчатка передает его дальше в зрительный нерв. Такой имплант по оценке ученых восстановит более 40 градусов зрительного обзора и повысит разрешение картинки в несколько раз. А значит человек уже официально может быть признан зрячим. Но пока идут клинические испытания.

29 января 2022 10:19

В НИИ Медицинской приматологии в Сочи прошла первая операция по установке обезьяне российского нейроимплантата для восстановления зрения.

В головной мозг животного установили устройство с антенной и микрочипом. Для испытания был выбран шестилетний самец павиана с нормальным зрением.

Операция, которой руководила профессиональная команда медиков, продолжалась два часа. Исследователи сообщают, что сейчас павиан чувствует себя хорошо и быстро восстанавливается.

В рамках этого испытания учёные проверили работу имплантата и оценили биосовместимость тканей мозга и компонентов системы, получившей название ELVIS.

“Новый этап доклинических испытаний прошёл успешно, и теперь мы находимся всего в нескольких шагах от начала исследований с участием незрячих добровольцев. […] Электроды, которые мы поставили, были разработаны при участии специалистов Сеченовского университета. […] Мы рассчитываем, что испытания на животных продлятся до конца 2023 года”, – рассказывает Денис Кулешов, директор Лаборатории “Сенсор-Тех”, в которой разрабатывалась система.

В ближайшие два года команда проекта ELVIS планирует установить нейроимплантат десяткам обезьян и провести серию поведенческих экспериментов.

В одном из них обезьяну обучат различать геометрические фигуры до установки имплантата. После установки электродов в зрительную кору головного мозга, животное будет выполнять то же упражнение, но с завязанными глазами – уже с помощью “электронного зрения”. Исследователи отдельно отмечают, что все испытания проходят с соблюдением международных этических норм.

Команда проекта рассчитывает, что уже в 2027 году в России начнут широко проводиться операции по установке нового нейроимплантата людям.

Как работает система и что видит её носитель

ELVIS позволяет передавать визуальные образы напрямую в мозг, без помощи зрительной системы.

Система состоит из трёх блоков: имплантата, который устанавливается в зрительную кору головного мозга, обруча с двумя камерами, который пользователь носит на голове, и микрокомпьютера, который анализирует изображение с камер.

Имплантат стимулирует зрительную кору мозга слабыми токами, что позволяет животному или человеку испытывать “зрительные” ощущения и “видеть” вспышки света. Камеры считывают изображение окружающего пространства в реальном времени, выполняя таким образом функцию глаз. Затем микрокомпьютер выделяет контуры важных объектов и передаёт обработанные кадры прямо на имплантат, заменяя собой функции сетчатки и зрительного нерва. Микрокомпьютер крепится на поясе пользователя.

Синхронная работа трёх компонентов ELVIS позволит начать видеть окружающий мир: правда, пока это будут лишь силуэты предметов и людей.

Эта технология предназначена для слепых и слепоглухих людей с поражениями сетчатки, патологией зрительного нерва или другими тяжёлыми нарушениями зрения.

Однако для успешной работы системы важно, чтобы у человека был опыт зрячей жизни: в ином случае мозг не будет способен эффективно создавать зрительные образы.

Добавим, что проект является совместной разработкой специалистов Фонда поддержки слепоглухих “Со-единение” и АНО Лаборатория “Сенсор-Тех”.

Создание возвращающего возможность более полноценной жизни устройства ведётся при поддержке Института высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН, Центра коллективного проектирования Российского технологического университета МИРЭА, Первого Московского государственного медицинского университета имени И. М. Сеченова и других ведущих научных и медицинских учреждений России.

Договориться о проведении операции в научном центре Сочи разработчикам помогли специалисты Московского инновационного кластера (МИК). Разработки Лаборатории “Сенсор-Тех” ранее участвовали в нескольких технологических конкурсах, которые организовывал МИК. Когда в конце октября 2021 года разработчики ELVIS рассказали о возникших трудностях по поиску в России подходящей научной базы, специалисты МИК откликнулись на проблему. Договорённости между НИИ Медицинской приматологии в Сочи и Лабораторией “Сенсор-Тех” были достигнуты уже в декабре 2021 года.

Ранее мы также рассказывали о создании искусственного глаза, превосходящего по возможностям человеческий, а также об искусственной сетчатке, которая сама решит, что видеть, а что игнорировать . Сообщали мы и о том, как слепоту помогает победить генная терапия.

Больше новостей из мира науки и медицины вы найдёте в разделах “Наука” и “Медицина” на медиаплатформе “Смотрим”.

Ученые из научно-исследовательского центра в Генуе создали искусственный жидкий протез сетчатки, который может устранить побочные эффекты целого ряда глазных заболеваний. Результаты исследования публикует журнал Nature Nanotechnology.

Повреждение сетчатки глаза – главная причина слепоты. Дистрофия сетчатки зачастую наследственное заболевание, кроме того, дегенерация органа зрения – неизбежный удел возрастных пациентов.

читайте также–> –> Медики дали советы, как избежать осложнений на глаза при диабете

Для спасения их качества жизни ученые разрабатывают ретинальные протезы, стимулирующие внутреннюю сеть сетчатки. Но эти протезы далеки от совершенства: они не обладают чувствительностью к свету, не имеют высокого разрешения и требуют дополнительной проводки или внешних камер. Если раньше попытки создать искусственную сетчатку глаза ограничивались твердыми органическими полупроводниковыми материалами, то новая разработка представляет собой инновационное решение проблемы.

Новый протез сетчатки состоит из водного компонента с фотоактивными полимерными наночастицами. Именно они заменяют поврежденные фоторецепторы. Жидкий протез обеспечивает быструю и менее травмирующую операцию.

Эксперимент на крысах показал, что наночастицы опосредуют вызванную светом стимуляцию нейронов сетчатки и устойчиво сохраняют зрительные функции.

Они распространяется по всему субретинальному пространству и способствуют светозависимой активации сохраненных внутренних нейронов сетчатки, восстанавливая их зрительные реакции. В результате фоторецепторы начинают работать как у здорового человека.

Наука Общество Наука UpToDate 11 декабря 2020

Международный проект, действующий под эгидой Мадридского Университета де Комплутенсе (Испания), совершил важный шаг к решению проблемы слепоты, связанной с возрастной макулярной дегенерацией. Таким шагом стала разработка первой биогибридной искусственной сетчатки глаза, построенной на фиброине шелка и ретинальных (сетчаточных) клетках.

«Биогибридная сетчатка представляет собой клеточную терапию, которая будет применяться для восстановления несостоятельной естественной сетчатки путем имплантации здоровых клеток в глаз пациента», – говорит Фивос Панетсос, директор группы нейрокомпьютеров и нейророботов в Университете де Комплутенсе и сотрудник Исследовательского института здоровья при Клинической больнице Сан Карлос (Мадрид).

Клетки искусственной сетчатки прикрепляются к тончайшим биопленкам из фиброина шелка, – материала, стопроцентно совместимого с тканями человеческого организма, – и покрываются специальным гелем, который защищает их от случайного повреждения во время операции. Тем самым обеспечивается выживание клеток в послеоперационный период, необходимый для их интеграции с окружающими тканями.

«Трансплантируемая сетчатка содержит, кроме того, мезенхимальные клетки, которые функционируют как продуценты нейропротективных и нейрорепаративных молекул, способствуя функциональной интеграции пересаженных клеток с клетками реципиента», –  говорится в статье, опубликованной в Journal of Neural Engineering .

В процессе создания искусственной сетчатки были разработаны пленки на основе шелкового фиброина, механические качества которых совпадают с аналогичными характеристиками мембраны Бруха, – клеточного каркаса, на котором располагается слой фоточувствительных ретинальных нейронов. Такие пленки обладают некоторыми биофункциями, – поэтому, в частности, к ним и могут прикрепляться живые ретинальные клетки; кроме того, на пленках может происходить рост эпителиальных клеток и нейронов. Структурные и функциональные свойства биогибрида были детально исследованы in vitro.

Возрастная макулярная дегенерация – заболевание из группы нейродегенеративных процессов, которое ведет к прогрессирующей утрате центрального зрения и, на конечных стадиях, к тотальной слепоте. Вызываемая неоднородными, сложными и по сей день недостаточно изученными факторами, возрастная макулярная дегенерация является главной причиной необратимой утраты зрения у лиц старше 65 лет. Количество людей в мире, страдающих этим заболеванием, составляет свыше 196 миллионов человек.

До настоящего времени возрастная макулярная дегенерация была неизлечимой болезнью; существующие тактики паллиативной терапии способны лишь облегчить симптоматику и несколько замедлить прогрессирование патологического процесса. «Наши разработки служат важным шагом к решению проблемы неумолимо надвигающейся слепоты, с чем сталкиваются пациенты, страдающие дегенерацией сетчаточного желтого пятна (макулы)», – говорит в заключение доктор Панетсос.

По материалам сайта News Medical – Life Sciences