Імплантати сітківки
Імплантати сітківки— клас біомедичних технологій, здатних замінити собою сітківку людського ока у разі її пошкодження або дисфункції. В даний час імплантати сітківки розробляються рядом приватних компаній та науково-дослідних інститутів по всьому світу. Імплантат призначений для часткового відновлення корисного зору людям, які втратили зір через дегенеративні захворювання очей, таких як пігментний ретиніт або макулярна дегенерація. У клінічних випробуваннях в даний час знаходяться три типи імплантатів сітківки:епіретинальні імплантати(на сітківці),субретинальні імплантати(ззаду сітківки), ісупрахоріоїдальні імплантати(вище судинної) судинної оболонки). Імплантати сітківки надають користувачеві можливість бачити з низькою роздільною здатністю за допомогою електричної стимуляції клітин сітківки, що збереглися. Такі зображення можуть бути достатніми для відновлення деяких візуальних здібностей, таких як сприйняття світла та розпізнавання об'єктів.
Зміст
Ферстер першим відкрив, що електрична стимуляція в потиличній корі може бути використана для створення візуальних сприйняттів фосфенів [1] . Перший стимулятор, що імплантується, для відновлення зору був розроблений докторами Брайндлі (англ. Brindley ) і Левіним (англ.Lewin) в 1968 році [2] . Цей експеримент продемонстрував життєздатність створення візуальних сприйняттів за допомогою прямої електричної стимуляції, і це спонукало до створення інших пристроїв, що імплантуються, для стимуляції зорового шляху, у тому числі імплататів сітківки [3] . Пристрої стимуляції сітківки стали об'єктом досліджень, оскільки приблизно половина всіх випадків сліпоти викликані ушкодженням сітківки [4] . Розвитокімплатати сітківки було також частково мотивовано просуванням та успіхом кохлеарних імплантатів, який продемонстрував можливість відновлення значної сенсорної функції при обмеженій вхідній інформації [5] .
Оптимальними кандидатами для застосування імплантатів сітківки ока є захворювання сітківки, як пігментний ретиніт або вікова макулярна дегенерація. Ці хвороби призводять до сліпоти, впливаючи на фоторецепторні клітини в зовнішньому шарі сітківки, залишаючи внутрішній і середній шари сітківки без змін [4] [6] [7] [8] [9] [10] . Як мінімум, у пацієнта має бути недоторканий шар гангліозних клітин для того, щоб бути кандидатом для імплантації. Це може бути виявлено неінвазивним використанням оптичної когерентної томографії (ГКТ) [11] . Інші чинники, зокрема кількість залишкового зору, також враховуються щодо кандидатів на імплантацію сітківки. У пацієнтів з віковою макулярною дегенерацією, які можуть мати неушкоджений периферичний зір, імплантанти сітківки можуть призвести до гібридної форми зору. У цьому випадку імплантат буде доповнювати периферичний зір, що залишився, до центральної зорової інформації [12] .
Типи імплантатів сітківки
Є два основних типи імплантатів сітківки. Епіретинальні імплантати поміщають у внутрішню поверхню сітківки, а субретинальні імплантати поміщають між зовнішнім шаром сітківки та пігментним епітелієм сітківки.
Епіретинальні імплантати
Принципи проектування
Епіретинальні імплантати розташовані на внутрішній поверхні сітківки, безпосередньо стимулюючи гангліозні клітини в обхід усіх інших шарів сітківки. Епіретинальні імплантати складаються з кремнієвої пластини з масивом платинових електродів,встановленого на внутрішньому шарі сітківки. Масив стабілізується за допомогою мікроцвяхів, з невеликим механічним тиском з боку склоподібного тіла. Епіретинальний імплантат потребує зовнішньої камери для отримання зображень [12] . Камера отримує зображення навколишнього середовища, обробляє зображення та передає інформацію про зображення на імплантовану електродну решітку бездротовим каналом телеметрії. Зовнішній передавач також потрібний, щоб забезпечити безперервне живлення імплантату за допомогою радіочастотної індукції або інфрачервоних лазерів. Зовнішня камера та чіп обробки зображення, як правило, встановлюється на окуляри пацієнта [3] . Обробка зображень включає зниження дозволу зображення і перетворення зображення в просторовий і тимчасової шаблони стимуляції, для активації відповідних клітин сітківки [4] [12] .
Переваги
Епіретинальні імплантати мають ту перевагу, що вони обходять більшу частину сітківки, перекриваючи функцію гангліозних клітин у внутрішньому шарі сітківки. Таким чином, епіретинальні імплантати можуть забезпечити зорове сприйняття у людей із захворюваннями сітківки, що виходять за межі фоторецепторного шару. Більшість електроніки може підтримувати пов'язані з нею зовнішні компоненти, що дозволяє знизити розмір імплантату і робити прості оновлення без додаткової операції [13] . Зовнішня електроніка також дозволяє лікарю мати повний контроль над обробкою зображень та адаптувати обробку для кожного пацієнта [3] . Крім того, специфіка розташування епіретинальних імплантатів дозволяє склоподібному тілу служити як тепловідведення для імплантату [14] .
Недоліки
Основним недоліком епіретинальних імплантатів є необхідність зовнішньогопристрою, яке може бути громіздким для носіння. Зовнішня камера також змушує суб'єкта рухати головою за зміни напряму погляду. Епіретинальні імплантати можуть стимулювати не тільки гангліозні клітини, але й аксони, які можуть бути пов'язані з іншими ретинотопними [en] областями. Це може призвести до трохи спотвореної стимуляції шаблону, яка повинна бути виправлена при електронній обробці [4] . Крім того, стимуляція шару гангліозних клітин потребує складніших методів обробки зображень для того, щоб врахувати звичайну обробку, пов'язану з обійденими шарами сітківки [3] . У той час як епіретинальний імплантат може бути стабілізований тиском склоподібного тіла, може знадобитися додаткова механічна фіксація з використанням мікроцвяхів [15] [16] .
Клінічні дослідження
Субретинальні імплантати
Принципи проектування
Субретинальні імплантати знаходяться на зовнішній поверхні сітківки між шаром фоторецепторів і пігментним епітелієм сітківки, безпосередньо стимулюючи клітини сітківки, спираючись на звичайну обробку внутрішнім і середнім шарами сітківки [3] . Приклеїти субретинальний імплантат тут просто, оскільки імплантат механічно обмежений відстанню між зовнішнім шаром сітківки і пігментним епітелієм сітківки. Субретинальний імплантат складається з кремнієвої пластини, що містить світлочутливі мікрофотодіоди, які генерують сигнали безпосередньо від вхідного світла. Падаючий світло, що проходить через сітківку, генерує струми в мікрофотодіодах, які безпосередньо впорскують результуючий струм в основні клітини сітківки за допомогою масиву мультиелектродів [en] . Структура мікрофотодіодів активується світлом, що падає,отже, стимулює типи біполярних, горизонтальних, амакринових та гангліозних клітин, що призводить до візуального сприйняття вихідного падаючого зображення. В принципі, субретинальні імплантати не вимагають будь-якого зовнішнього обладнання понад імплантований мікрофотодіодний масив. Тим не менш, деякі субретинальні імплантати вимагають живлення від зовнішньої схеми посилення сигналу зображення [4] .
Переваги
Субретинальний імплантат має деякі переваги порівняно з епіретинальним імплантатом щодо простоти його розробки. Отримання світлової картини, її обробка і стимуляція - все здійснюється мікрофотодіодами, встановленими на одному чіпі, на відміну від епіретинального імплантату, що вимагає зовнішньої камери, чіпа обробки та імплантування безлічі електродів [4] . Субретинальне розміщення також спрощує справу, оскільки розміщує стимулюючий масив у безпосередній близькості від пошкоджених фоторецепторів [3] [12] . Спираючись на функції інших шарів сітківки, субретинальні імплантати дозволяють нормальну внутрішню обробку сітківки, у тому числі посилення, таким чином, призводить до зниження загального порога негативної реакції [3] . Крім того, субретинальні імплантати дозволяють перкладати погляд за допомогою звичайних рухів очей. Ретинотопічна стимуляція з субретинальних імплантатів спочатку точніша, оскільки картина падаючого світла на мікрофотодіоди є прямим зображенням. Субретинальні імплантати вимагають мінімальну фіксацію, оскільки субретинальний простір механічно обмежений і пігментний епітелій сітківки створює негативний тиск у межах субретинального простору [4] .
Недоліки
Основним недоліком субретинальних імплантатів є вимогливістьдостатності рівня падаючого світла для нормальної роботи мікрофотодіодів. Таким чином, субретинальні імплантати часто включають зовнішнє джерело живлення для посилення ефекту світла, що падає [3] . Компактний характер субретинального простору накладає суттєві обмеження розмір імплантату. Близькість між імплантатом та сітківкою також збільшує можливість термічного пошкодження сітківки від тепла, що виділяється імплантатом [4] . Субретинальні імплантати вимагають неушкодженості внутрішнього та середнього шарів сітківки, і, отже, не придатні для захворювань сітківки, що виходять за зовнішній шар фоторецепторів. Крім того, втрати фоторецепторів можуть призвести до утворення мембрани на межі пошкоджених фоторецепторів, яка, у свою чергу, може перешкоджати стимуляції і збільшенню порога стимуляції [12] .
Клінічні дослідження
Просторовий дозвіл
Якість зору, що очікується від імплантату сітківки, значною мірою ґрунтується на максимальному просторовому дозволі імплантату. Поточні прототипи імплантатів сітківки здатні забезпечити низьку роздільну здатність пікселізації зображення. "Сучасний стан" імплантантів сітківки включають 60-100 каналів, що є достатнім для розпізнавання об'єктів та повсякденної діяльності. Тим не менш, моделювання отриманих пікселізованих зображень не дозволяє вважати, що всі електроди імплантату знаходяться в контакті з бажаною сітківкою клітиною. Таким чином, очікується, що просторова роздільна здатність у цьому випадку ще нижче, оскільки деякі з електродів не можуть функціонувати оптимально [3] . Випробування читанням показали, що продуктивності 60 канального імплантату достатньо, щоб частково відновити здатність читання, але тільки призначно збільшенні тексту [21]. Подібні експерименти, що оцінюють ступінь навігаційної можливості пікселізованих зображень, показали, що 60 каналів було достатньо для досвідчених суб'єктів, тоді як недосвідченим потрібно 256 каналів. Цей експеримент, отже, не лише продемонстрував функціональні можливості, що надаються візуальним зворотним зв'язком низької роздільної здатності, але й здатність адаптуватися і покращуватися з часом [22] . Проте, ці експерименти базуються лише на моделюванні слабкого зору нормальних суб'єктів, а не клінічних випробувань імплантованих пацієнтів. Число електродів, необхідних для читання або кімнатної навігації, у імплантованих суб'єктів можуть відрізнятися, і повинно бути проведене подальше тестування серед даних пацієнтів для визначення необхідного просторового дозволу для конкретних візуальних завдань.
Результати моделювання показують, що 600—1000 електродів знадобиться для того, щоб можна було виконувати широкий спектр завдань, у тому числі читання, розпізнавання облич та навігацію по кімнатах [3] . Таким чином, наявне просторове дозвіл імплантатів сітківки необхідно збільшити в 10 разів, у той час як дозвіл існуючих імплантатів мало, щоб відновити в достатньо зорові функції для цих завдань.
Поточний статус та перспективи розвитку
Клінічні звіти на сьогоднішній день продемонстрували перемінний успіх, усі пацієнти повідомляють, принаймні, про деяке відчуття світла від електродів, і менша частина про розширення зорової функції, наприклад, ідентифікація світлих та темних областей. Клінічні звіти показують, що навіть із низьким дозволом, імплантати сітківки потенційно корисні у забезпеченні деякогоподоби зору людей, які інакше не мали б ніякого [12] . Залишається неясною величина зниження рівня зору при використанні імплантантів сітківки, щоб збалансувати ризики, пов'язані з хірургічною процедурою, особливо для пацієнтів з неушкодженим периферичним зором. Деякі інші аспекти імплантатів сітківки мають бути розглянуті у подальших дослідженнях, у тому числі довгострокова стабільність імплантатів та нейропластичність сітківки при тривалій стимуляції [4] .