Кто создал искусственную сетчатку глаза
Рис.1.Культивированные iPS-клетки через 72 дня эксперимента. Слои фоторецепторов (красный цвет), нейронов (синий) и ганглиозных клеток (зелёный) аналогичны тем, что формируются в настоящей сетчатке по мере её развития (фото University of Wisconsin-Madison).[2]
Создание искусственной сетчатки глаза человека — в результате 72 дней эксперимента создания перепрограммированных iPS-клеток (см. рис.1., Фиг. Ф), где слои фоторецепторов (красный цвет), нейронов (синий) и ганглиозных клеток (зелёный) аналогичны тем, которые формируются в настоящей сетчатке в процессе её развития.[3]
[править] Введение
Исследователи из американской компании «Клеточная Динамика International» и Университета Висконсина вырастили относительно зрелую сетчатку глаза, воспользовавшись в качестве исходного материала лимфоцитами (или циркулирующими стволовыми клетками крови) и клетками кожи, взятыми от донора человека. Эта биомедицинская технология имеет большие перспективы, ибо она исключает проблему тканевой несовместимости при трансплантации донорского материала реципиенту. В перспективе пациенту из его же клеток вырастят часть глаза, которая пока в теории способна будет заменить поврежденную. Фактически пересадка сведется к аутотрансплантации. Сначала полученные клетки в лабораторных условиях перепрограммировали, превратив в так называемые индуцированные плюрипотентные стволовые клетки (iPScells), а затем в специальной среде внутри биореактора, под воздействием факторов дифференцировки в iPS клетках запустилась генетическую программу развития рецепторного аппарата глаза, и бесформенная масса клеток образовала органотипичную структуру — несколько слоёв сетчатки. Во внешнем слое клетки превратились в фоторецепторы, в среднем и внутреннем — в нейроны сетчатки и ганглиозные клетки соответственно. Важным открытием стала способность этой разновидности стволовых клеток в управляемых учеными условиях не только делиться и увеличивать свое количество, но и вступать в эффективные взаимодействия, новообразованные нейроны оказались способны отращивать аксоны, дендриты и формировать синапсы, с помощью которых клетки смогли начать процесс обмена информацией.[4]
[править] История
Фред Гейдж (Fred Gage), руководитель Лаборатории генетики Института Салка обнаружил, что если из мозга подопытной крысы извлечь стволовые клетки и пересадить их в нормальный здоровый глаз, то с с ними ничего происходить не будет. Но, если кусочек мозговой ткани, содержащий стволовые клетки, пересадить в разрушенную сетчатку глаза крысы, то судьба пересаженных клеток меняется. Гейдж предположил, что пересаженные стволовые клетки головного мозга начинают превращаться в нейроны сетчатки, причем эти нейроны активно выпускают отростки — аксоны, которые врастают в зрительный нерв и начинают передавать зрительный сигнал в мозг. Возможно, что при повреждении сетчатки глаза вырабатываются какие-то биологически активные вещества (возможно факторы роста), которые стимулируют нейрогенез сетчатки. Тем не менее точный механизм обнаруженного явления Гейдж не смог обьяснить.
Доктор Г. П. Лопашев, эмбриолог, доктор биологических наук, профессор Института биологии гена РАН сумел объяснить, как регенерирует сетчатка в подобных условиях эксперимента на 50 лет раньше исследований Фреда Гейджа на другой аналогичной экспериментальной модели.
Известно, что у взрослых лягушек сетчатка глаза не способна самостоятельно регенерировать клетки после любого значительного повреждения. Пигментный эпителий глаза не способен к пролиферации (разрастание ткани организма путём размножения клеток делением), а без сетчатки этот эпителий не может участвовать в ее восстановлении. Однако, если в эксперименте удалить сетчатку, и при этом оставить слой пигментного эпителия неповрежденным, то после аллогенной трансплантации (описания трансплантата, полученного от донора того же биологического вида, что и реципиент) в место дефекта тканей глаза мелкого кусочка сетчатки, забранного у головастика, пигментный эпителий активируется, дедифференцируется и превращается в новую сетчатку, которая полностью восстанавливает зрительную функцию глаза. При этом сама пересаженная чужая нервная ткань в регенерации не участвует и удаляется организмом (рассасывается) из глаза. Этот пример регенерации — частный случаем открытого русским профессором Л. В. Полежаевым способа регенерации путем индукции.
[править] Известный специалист по выращиванию сетчатки директор Дэвид Гамм
Рис.3. Дэвид Гамм (David Gamm) директор Глазного Исследовательского института при Университете Висконсин офтальмолог.
Дэвид Гамм (David Gamm) директор Глазного Исследовательского института при Университете Висконсин офтальмолог, всемирно известный специалист по выращиванию сетчатки из стволовых клеток человека считает, что несмотря на огромные технические сложности по вживлению такой биоисскуственной сетчатки в глаз и непонятные пока перспективы врастания отростков клеток сетчатки в мозг для передачи зрительного сигнала, а также сама возможность вырастить в лаборатории сетчатку из клеток крови больного вселяют не малый оптимизм. Технология создания искусственной сетчатки глаза человека привлекает сравнительной простотой получения исходного клеточного материала и абсолютной гистологической совместимостью. Тем не мене, замена сетчатки глаза практически полностью восстановит цветное зрение человека.[5]
[править] См. также
- Сетчатка глаза
- Бионический глаз человека
- Трихроматизм (цветное зрение)
- Цветное зрение)
[править] Источники
Источник
В 2018 году 39 миллионов человек остаются слепыми. Из-за наследственных заболеваний, старения тканей, инфекций или травм. Одна из главных причин — это болезни сетчатки. Но наука развивается так быстро, что фантастика переходит из книг в лаборатории и операционные, снимая барьер за барьером. Ниже мы рассмотрим, какое будущее ждет офтальмологию, как будут лечить (и уже лечат), возвращать зрение, диагностировать недуги и восстанавливать глаза после операций.
Киборгизация: бионические глаза
Главный тренд офтальмологии будущего — бионические глаза. В 2018 году уже существуют 4 успешных проекта, и искусственные глаза сейчас — далеко не картинка из футуристического фэнтези.
Самый интересный проект — это Argus II от Second Sight. Устройство состоит из импланта, очков, камеры, кабеля и видеопроцессора. Имплант, имеющий передатчик, вживляется в сетчатку. Носимая с очками камера фиксирует изображения, которые процессор обрабатывает, генерируя сигнал, передатчик импланта принимает его и стимулирует клетки сетчатки. Так реконструируется зрение. Разработка изначально предназначалась для больных макулодистрофией. Это возрастное заболевание, оно сопровождается слабым кровоснабжением центра сетчатки и приводит к слепоте.
В чем недостаток технологии? Устройство стоит баснословные 150 тысяч долларов и не возвращает зрение полностью, лишь позволяя различать силуэты фигур. По состоянию на 2017 год 250 человек носят Argus II, что, безусловно, ничтожно мало.
У Argus II есть аналоги. Например, Boston Retinal Implant. Он тоже создан специально для пациентов с макулодистрофией и пигментным ретинитом (разложением фоторецепторов сетчатки). Он работает по похожему принципу, направляя сигналы нервным клеткам и создавая схематичное изображение объекта. Стоит назвать и IRIS, созданный для пациентов на последних стадиях деградации сетчатки. IRIS состоит из видеокамеры, носимого процессора и стимулятора. От них отличается Retina Implant AG. Имплант улавливает фотоны и активирует зрительный нерв, при этом устройство обходится без внешней камеры.
Импланты в головном мозге
Как ни странно, лечить зрение можно, не касаясь глаз. Для этого достаточно вживить в мозг чип, который будет стимулировать короткими электрическими разрядами зрительную кору. В этом направлении работает упомянутый выше Second Sight. Компания разработала альтернативную версию Argus II, которая совсем не затрагивает глаза и работает с мозгом напрямую. Девайс будет стимулировать нервные клетки током, извещая мозг о потоке света.
Искусственная сетчатка
Мы сказали, что пигментный ретинит поражает фоторецепторы сетчатки, из-за чего человек перестает воспринимать свет и слепнет. Это заболевание кодируется генетически. Сетчатка состоит из миллионов рецепторов. Мутация лишь в одном из 240 генов запускает их гибель и портит зрение, даже если связанные с ней зрительные нейроны будут целы. Как быть в этом случае? Имплантировать новую сетчатку. Искусственный аналог состоит из электропроводящего полимера с шелковой подложкой, завернутого в полимерный полупроводник. Когда падает свет, полупроводник поглощает фотоны. Вырабатывается ток и электрические разряды касаются нейронов сетчатки. Эксперимент с мышами показал, что при освещенности в 4-5 лк (Люксов), как в начале сумерек, мыши с имплантами реагируют на свет так же, как и здоровые грызуны. Томография подтвердила, что зрительная кора мозга крыс была активна. Неясно, будет ли разработка полезной для людей. Итальянский технологический институт (IIT) обещает отчитаться о результатах опытов в 2018 году.
Ошибка в коде
Носимые, вшиваемые и встраиваемые устройства — не единственная надежда офтальмологии. Для того, чтобы вернуть зрение, можно переписать генетический код, из-за ошибки в котором человек начал слепнуть. Метод CRISPR, который базируется на инъекции раствора с вирусом, несущим правильный вариант ДНК, излечивает наследственные заболевания. Исправление кода позволяет бороться с возрастной дегенерацией сетчатки, а также с амаврозом Лебера — крайне редким недугом, убивающим светочувствительные клетки. В мире им страдает около 6 тысяч человек. Препарат Luxturna обещает покончить с ним. Он содержит раствор с правильной версией гена RPE65, шифрующим структуру необходимых белков. Это инъекционный препарат — его вводят в глаз микроскопической иглой.
Диагностика и восстановление после операции
Сопровождающий нас повсюду смартфон — прекрасный инструмент для быстрой и точной диагностики. Например, синхронизированный со смартфоном офтальмоскоп Peek Vision позволяет делать снимки сетчатки где и когда угодно. А Google в 2016 году представил алгоритм анализа изображений, основанный на искусственном интеллекте, который позволяет выявлять признаки диабетической ретинопатии на снимках сетчатки. Алгоритм отыскивает мельчайшие аневризмы, указывающие на патологию. Диабетическая ретинопатия — это тяжелое поражение сосудов сетчатой оболочки глаза, ведущее к слепоте.
Будущее — за быстрым восстановлением после операций. Интересен препарат Cacicol, представленный турецкими исследователями в 2015 году. Их разработка снимает боль, повышенную чувствительность и жжение после операции на глазах. Препарат уже опробовали клинически: пациенты, которым сшивали роговицу (этот метод используется при лечении ее истончения — кератоконуса), отмечали снижение побочных эффектов.
Каким будет зрение будущего?
Уже сейчас офтальмология достигла поразительных успехов: прежде неизлечимую слепоту можно обратить, а наследственные заболевания побороть, переписав несколько участков генетического кода. В каком направлении будет идти развитие? Попробуем предположить:
Лучше предотвратить, чем лечить. Окулист в смартфоне и нейронная сеть, ставящая диагноз, обещают заметно сократить риск запущенных и едва излечимых болезней глаз. Дополненная реальность (AR) позволит распространять медицинские знания в игровой и необременительной форме. Уже сейчас есть приложения AR, моделирующие последствия катаракты и глаукомы. Знание, как известно, сила. Заменить, если нельзя вылечить. Киборгизация — это ключевой медицинский тренд. Нынешние разработки хороши, но они реконструируют зрение лишь отчасти, позволяя различать размытые контуры. В ближайшие 10 лет технология будет идти по пути повышения качества изображения и детализации. Важная задача — избавиться от носимых компонентов: камеры, очков, кабеля. Имплант должен стать мягче и, можно сказать, дружелюбнее для тканей человека, чтобы не ранить их. Вероятно, чипы без внешних вспомогательных элементов, вживляемые прямо в мозг — это самая перспективная ветка киборгизации зрения. Дешевле и доступнее: 150 тысяч долларов за устройство пока делают бионические глаза очень далекими от рынка и недосягаемыми для большинства больных. Следующий шаг — сделать их максимально доступными. Восстановление за часы: вживление чипов, коррекция сетчатки и даже исправление ДНК требуют хирургического вмешательства. Оно оставляет резь, жжение, фантомные боли и другие неприятные следствия. Препараты будущего будут регенерировать поврежденные ткани за часы. Фантастическое зрение для всех: мгновенный снимок с помощью глаза и сетчатка, подключенная к интернету, только сейчас выглядят как научная фантастика.
Источник
Визуальный протез также известный как бионический глаз — это экспериментальное визуальное устройство, предназначенное для восстановления функции зрения у тех, кто страдает полной или частичной слепотой. Было разработано много устройств с применением технологий кохлеарных имплантатов и нейропротезирования. Идеи использования электрического тока (например, электростимуляции сетчатки) для восстановления зрения восходят к XVII веку. Их обсуждали Бенджамин Франклин, Тибериус Кавалло и Шарль Лерой.[1][2][3]
Биологические соображения[править | править код]
Возможность дать слепому человеку приобрести зрение при помощи бионического глаза зависит от обстоятельств, вызвавших потерю зрения. Протез сетчатки, является наиболее распространённым зрительным протезом. Для этого протеза лучше всего подходят пациенты с потерей зрения из-за дегенерации фоторецепторов. Шансы на успех увеличиваются, если зрительный нерв пациента был развит до появления слепоты. Люди с врождённой слепотой, могут не иметь полностью развитого зрительного нерва. Хотя нейропластичность позволяет нерву развиваться после установки имплантата.[4]
Технологические соображения[править | править код]
Визуальное протезирование разрабатывается как потенциально ценная помощь для людей с деградацией зрения. Argus II, разработанный совместно с Университетом Южной Калифорнии (USC) и производимый Second Sight Medical Products Inc., в настоящее время является единственным подобным устройством, получившим маркетинговое одобрение (знак CE в 2011 году).[5] Большинство других проектов находятся на стадии разработки.
Текущие проекты[править | править код]
Argus II[править | править код]
Марк Хумаюн, Юджин Дежуан, Говард Д. Филлипс, Вентай Лю и Роберт Гринбер были первыми изобретателями активного визуального протеза.[6] Они доказали работоспособность их концепции во время исследований с пациентами в Университете Джона Хопкинса. В конце 1990-х Гринберг вместе с предпринимателем по производству медицинского оборудования основал компанию Second Sight.[7] Их имплантат первого поколения имел 16 электродов и использовался в Университете Южной Калифорнии в период с 2002 по 2004 год.[8] В 2007 году компания начала испытание его 60-электродного имплантата второго поколения, получившего название Argus II.[9] В испытаниях приняло участие 30 человек из 4 стран. Весной 2011 года, на основании результатов клинического исследования, которые были опубликованы в 2012 году[10], Argus II был одобрен для коммерческого использования в Европе, и Second Sight запустил продукт в производство. В США Argus II был мертифицирован 14 февраля 2013 года. Национальный институт глаз, Министерство энергетики и Национальный научный фонд поддержали разработку Second Sight.[11]
Визуальный протез на основе микросистем (MIVP)[править | править код]
Клодом Вераарт из Университета Лувена разработал протез, который представляет собой электрод со спиральной манжетой вокруг зрительного нерва в задней части глаза. По задумке стимулятор должен получать сигналы от внешней камеры, которые преобразуются в электрические сигналы, и напрямую стимулировать зрительный нерв.
Имплантируемый миниатюрный телескоп[править | править код]
Имплантируемый миниатюрный телескоп, хотя он и не является активным протезом, выступает в роли одного из видов визуальных имплантатов, которые могут использоваться в лечении макулодистрофии на её последних стадиях.[12][13] Устройство такого типа имплантируется в глаз, увеличивая (примерно в три раза) размер изображения, проецируемого на сетчатку.[14]
Примером является телескоп, созданный VisionCare Ophthalmic Technologies. Он размером с горошину и имплантируется за радужную оболочку глаза. Изображение проецируются на здоровые участки центральной сетчатки, за пределами дегенерированной макулы и увеличивается, чтобы уменьшить влияние слепого пятна на зрение. Степень увеличения в 2,2 или 2,7 раза позволяет увидеть или различить объект, представляющий интерес, в то время как другой глаз используется для периферического зрения. Глаз, имеющий имплантат, в качестве побочного эффекта будет иметь ограниченное периферическое зрение. Пациентам, использующим устройство, все же могут понадобиться очки для оптимального зрения. Перед операцией пациенты должны сначала опробовать ручной телескоп, чтобы узнать, улучшит ли он зрение в их случае. Одним из основных недостатков является то, что он не может быть использован для пациентов, перенесших операцию по удалению катаракты. А также, чтобы установить телескоп требуется сделать большой разрез в роговице.[15]
Проект MPDA Alpha IMS[править | править код]
В 1995 году в Университетской глазной клинике Тюбингена началась разработка субретинальных протезов сетчатки. Под сетчатку укладывался чип с микрофотодиодами, который воспринимал свет и трансформировал в электрические сигналы, стимулирующие ганглионарные клетки наподобие естественного процесса в фоторецепторах неповреждённой сетчатки. Природные фоторецепторы гораздо эффективнее фотодиодов и видимый свет не достаточно мощный, чтобы стимулировать MPDA. Поэтому для повышения уровня стимуляции используется внешний источник питания. Первые эксперименты на микросвинках и кроликах были начаты в 2000 году, и только в 2009 году имплантаты были вживлены 11 пациентам в рамках клинического пилотного исследования. Первые результаты были обнадеживающими – большинство пациентов смогли отличать день от ночи, некоторые даже могли распознавать предметы – чашку, ложку, следить за перемещением крупных предметов.[16]
Первые имплантации в Великобритании состоялись в марте 2012 года и были проведены Робертом МакЛареном в Оксфордском университете и Тимом Джексоном в Королевской больнице Лондона.[17][18] На 2017 год Alpha IMS, производства Retina Implant AG Germany имела 1500 электродов, размер 3×3 мм, толщиной 70 микрон. После установки под сетчатку это позволяет почти всем пациентам получить некоторую степень восстановления светоощущения.[19]
MIT Retinal Implan[править | править код]
Джозеф Риццо и Джон Уайетт из Массачусета начали исследовать возможность создания протеза сетчатки в 1989 году, и провели испытания стимуляции на слепых добровольцах в период между 1998 и 2000 годами. С тех пор они разработали субретинальный стимулятор, набор электродов, который размещён под сетчаткой и принимает сигналы изображения от камеры, установленной на пару очков. Микросхема стимулятора декодирует информацию изображения, передаваемую камерой, и соответственно стимулирует ганглиозные клетки сетчатки. Протез второго поколения собирает данные и передаёт их имплантату через радиочастотные поля из катушки передатчиков, установленных на очках. Вторичная катушка приемника зашита вокруг радужки.[20]
Искусственная кремниевая сетчатка (ASR)[править | править код]
Братья Алан Чоу и Винсент Чоу разработали микрочип, содержащий 3500 фотодиодов, которые обнаруживают свет и преобразуют его в электрические импульсы. Они стимулируют здоровые ганглиозные клетки сетчатки . ASR не требует внешних устройств. Микрочип ASR — это кремниевый чип диаметром 2 мм (та же концепция, что и в компьютерных чипах), 25 микрон толщиной, содержащий 5000 микроскопических солнечных элементов под названием «микрофотодиоды», каждый из которых имеет свой собственный стимулирующий электрод.[21]
Фотоэлектрические протезы сетчатки (PRIMA)[править | править код]
Даниэль Паланкер и его группа в Стэнфордском университете разработали фотоэлектрическую систему, она же и есть «бионический глаз». Система включает в себя субретинальной фотодиод и инфракрасную проекционную систему изображения, установленную на видеоочки.[22] Информация с видеокамеры обрабатывается в карманном компьютере и отображается в импульсном инфракрасном (850-915 нм) видеоизображении. ИК-изображение проецируется на сетчатку через естественную оптику глаза и активирует фотодиоды в субретинальном имплантате, которые преобразуют свет в импульсный бифазный электрический ток в каждом пикселе.[23] Электрический ток, протекающий через ткань между активным и обратным электродами в каждом пикселе, стимулирует близлежащие внутренние нейроны сетчатки, в первую очередь, биполярные клетки, которые передают возбуждающие ответы клеткам ганглия сетчатки. Эта технология коммерциализируется компанией Pixium Vision и, по состоянию на 2018 год, проходит клинические испытания.
Bionic Vision[править | править код]
Австралийская команда во главе с профессором Энтони Беркиттом разрабатывает два протеза сетчатки. Устройство Wide-View объединяет новые технологии с материалами, которые были успешно использованы в других клинических имплантатах. Этот подход включает в себя микрочип с 98 стимулирующими электродами и направлен на повышение мобильности пациентов, чтобы помочь им безопасно перемещаться в своей среде. Этот имплантат будет помещён в супрахориоидальное пространство. Первые тесты пациентов с этим устройством начаты в 2013 году.
Консорциум Bionic Vision Australia разрабатывает устройство High-Acuity, которое включает в себя ряд новых технологий для объединения микрочипа и имплантата с 1024 электродами. Устройство призвано улучшить зрение, чтобы помочь с такими задачами, как распознавание лиц и чтение крупным шрифтом. Бионическая зрительная система включает в себя камеру, передающую радиосигналы микрочипу, расположенному в задней части глаза. Эти сигналы превращаются в электрические импульсы, стимулирующие клетки в сетчатке и зрительный нерв. Потом они передаются в зрительные зоны коры мозга и преобразуются в изображение, которое видит пациент.
Австралийский исследовательский совет присудил Bionic Vision Australia грант в размере 42 миллионов долларов США в декабре 2009 года, и консорциум был официально запущен в марте 2010 года.[24]
Dobelle Eye[править | править код]
Dobelle Eye по функциям аналогичен устройству MIT Retinal Implan, за исключением того, что чип-стимулятор находится в зрительной коре, а не на сетчатке. Первые впечатления от имплантата были неплохие. Ещё в стадии развития, после смерти Добеля, было решено превратить этот проект из коммерческого в проект, финансируемый государством.[25]
Интракортикальный зрительный протез[править | править код]
Лаборатория нейронных протезов из Иллинойского технологического института в Чикаго, разрабатывает визуальный протез, используя внутрикорковые электроды. Аналогично системе Добеля, применение внутрикорковых электродов позволяет значительно увеличить пространственное разрешение в сигналах стимуляции. Кроме того, разрабатывается система беспроводной телеметрии для устранения необходимости в транскраниальных (внутричерепных) проводах. Электроды, покрытые слоем активированной плёнки оксида иридия (AIROF), будут имплантированы в зрительной коре, расположенной в затылочной доле мозга.[26] Наружный блок будет захватывать картинку, обрабатывать её и генерировать инструкции, которые затем будут передаваться в имплантированные модули по телеметрическому линку. Схема декодирует инструкции и стимулирует электроды, в свою очередь стимулируя зрительную кору. Группа разрабатывает датчики внешней системы захвата и обработки изображений для сопровождения специализированных имплантируемых модулей, встроенных в систему. В настоящее время проводятся исследования на животных и психофизические исследования человека для проверки целесообразности имплантации добровольцам.[27]
См. также[править | править код]
- Бионические контактные линзы
Примечания[править | править код]
Источник
