О выращивании сетчатки глаза

В МФТИ на основе машинного обучения создают систему, которая будет сама отбирать и выращивать ткани для трансплантации сетчатки глаза. В ее основе самое простое применение искусственного интеллекта, имеющееся даже в смартфонах, — распознавание изображений. Нейросети определят, какие культуры стволовых клеток развиваются правильно и могут быть пригодны для операции. Такой подход поможет оптимизировать и существенно удешевить создание искусственных сетчаток в будущем. Пока целиком вырастить и пересадить пациенту искусственный орган не смогли нигде в мире — это очень долго и дорого.

Клеточный отбор

Сетчатка глаза выполняет простейшие математические операции со световыми сигналами. Результаты этой первичной обработки изображения отправляются в мозг. Нарушение регуляции выведения из глазного яблока излишней жидкости приводит к ее накоплению и повышению внутриглазного давления. Следствием становится глаукома — поражение сетчатки, в частности, потеря специальных клеток (ганглионаров). Создание искусственной сетчатки позволит заменить поврежденные участки. Другими методами вылечить эту патологию на сегодняшний момент невозможно. Поэтому во всем мире технологиям создания пригодного для пересадки в человеческий глаз материала уделяют огромное внимание.

Биоинформатики лаборатории геномной инженерии МФТИ совместно с партнерами из Гарварда разработали алгоритм и систему принятия решения о пригодности выращенной сетчатки и возможности ее трансплантации. Ученые также создают технологию получения искусственной сетчатки глаза из индуцированных стволовых плюрипатентных клеток (ИПСК). Их можно использовать как строительный материал для различных тканей человека.

В МФТИ вырастили десятки тысяч искусственных сетчаток и поэтапно изучили их развитие. Чтобы правильно обучить нейросеть, ученые накопили огромный массив данных о том, какие образцы развивались правильно, а какие нет.

— С помощью компьютерного зрения система сравнивает потенциальные сетчатки с предложенной качественной выборкой. Для этого мы используем генетически модифицированные ИПСК с флуоресцентным белком — определенным геном, который вводится в клеточную линию и активизируется, только когда сетчатка развивается правильно, — пояснил механизм работы системы руководитель лаборатории геномной инженерии МФТИ Павел Волчков. — Клетки светятся зеленым или красным цветом, когда превращаются в подходящие для выращивания сетчатки культуры, а мы фиксируем это излучение с помощью сканирующего микроскопа. Машина реагирует на подсвеченные образцы и делает снимки морфологической структуры в нескольких срезах.

На следующем этапе искусственный интеллект оценивает сетчатки уже без излучающего свет белка. Это важно, потому что пересадить человеку трансплантат с мутацией в генах нельзя. Поэтому искусственный интеллект обучили также анализировать обычные черно-белые изображения структуры будущих сетчаток, выращенных без генных изменений.

На пути к полной пересадке

Как пояснил Павел Волчков, создать из ИПСК структуру, подобную сетчатке глаза, впервые смогли в Японии. На настоящий момент Британия и США также переходят в фазу клинических испытаний такого трансплантата. Больным с серьезными нарушениями зрения пересаживают выращенные в лаборатории образцы, но это пока не сетчатка целиком, а ее фрагмент в виде заплатки. Российская разработка станет важным шагом на пути к пересадке более значительной части сетчатки, чего пока не делают нигде в мире.

Профессор Петр Баранов из Гарварда, с которым сотрудничает лаборатория геномной инженерии МФТИ, занимается еще одной важной задачей на пути к созданию искусственной части глаза. Он выращивает компонент сетчатки, участвующий в передаче сигнала в визуальный центр мозга. Его будут использовать для восстановления оптического нерва, например, при глаукоме. Это важнейшая работа, так как при нарушении функционирования нерва пересадка искусственной сетчатки не поможет человеку, потерявшему зрение.

Лекарственная терапия, в частности нейропротекторы, которые применяют в настоящее время при повреждениях сетчатки, способны лишь замедлить дегенеративные процессы. Однако они не могут полностью излечить и восстановить зрение, потерянное в результате таких заболеваний, как возрастная макулодистрофия, глаукома или диабетическая ретинопатия, сообщила «Известиям» ведущий научный сотрудник Инжинирингового центра микротехнологии и диагностики СПбГЭТУ «ЛЭТИ» Татьяна Зимина.

— Поэтому исследования в области применения стволовых клеток для замещения клеток сетчатки обещают появление первых эффективных средств для применения в клинической практике, — отметила она.

Директор НИЦ офтальмологии РНИМУ им. Н.И. Пирогова Христо Тахчиди уверен, что разработка российский ученых — важный шаг на пути к пока еще далекому будущему медицины.

— Эта важная и интересная работа, которая приближает нас к созданию искусственной сетчатки. Однако нужно понимать, что после отбора клеточных конструктов нужно их пересадить. Затем проследить, как организм человека реагирует на трансплантат, изучить возможные эффекты. А это вопрос будущего офтальмологии, — сказал эксперт.

В дальнейшем исследователи планируют объединить алгоритм по отбору качественных основ для будущих сетчаток с роботизированным решением, которое позволит оптимизировать и удешевить процесс их выращивания. Отбор и производство можно будет поставить на поток. Сейчас выращивание сетчатки — долгий и трудоемкий процесс, который занимает от 30 до 50 недель. Также он очень затратный: образцы делают в большом количестве — тысячами, чтобы из них отобрать всего несколько лучших. Затем уже из них ученые смогут отыскать один единственный пригодный для пересадки экземпляр.

Новая технология отбора клеточных линий позволит сократить стоимость траснплантата на порядок, а время изготовления — примерно вдвое. Сейчас этот процесс стоит около $100 тыс. и занимает до 50 недель. Однако, как отмечают ученые, речь пока идет только о лабораторных исследованиях.

2016-12-01T02:58+0300

2020-03-03T01:38+0300

https://ria.ru/20161201/1482561355.html

СМИ: российские ученые научились выращивать сетчатку глаза

https://cdn21.img.ria.ru/images/138763/17/1387631799_0:100:2000:1233_1036x0_80_0_0_8bd0e38d3ed26dd434aa648e0045e687.jpg

Отмечается, что новые технологии возможно позволят лечить болезнь Паркинсона.

Американские исследователи из Медицинского центра Маунт-Синай и Национального института глаз США сообщили о новом методе восстановления зрения. Его суть заключается в активации особых клеток сетчатки глаза, которые по свойствам очень напоминают стволовые.

Напомним, что сетчатка – это тонкая внутренняя оболочка глаза. Она содержит фоторецепторные (то есть чувствительные к свету) клетки. Они бывают двух видов: палочки, которые отвечают за зрение в сумерках и ночью, а также за периферическое зрение, и колбочки, их три типа, каждый возбуждается светом определённой длины волны, отвечают за цветовое восприятие днём.

При дегенеративных заболеваниях сетчатки работа этих клеток нарушается. И эффективного лечения таких недугов до сих пор не существовало.

В ходе новой работы учёные решили использовать регенеративные способности организма, иными словами, функцию «саморемонта». По их мнению, это направление является более перспективным, чем лечение при помощи медикаментов или инвазивных процедур.

Объектом исследования стали клетки Мюллера – это вспомогательные клетки нервной ткани, которые содержатся в сетчатке глаз позвоночных.

Предыдущие работы показали, что у рыбок данио-рерио (один из модельных организмов) клетки Мюллера демонстрируют потрясающий регенеративный потенциал. При повреждениях они начинают делиться и, подобно стволовым клеткам, могут служить предшественниками фоторецепторных и других типов клеток сетчатки.

А вот у млекопитающих клетки Мюллера не обладают такой способностью. Именно поэтому прогрессирующие заболевания сетчатки (например, возрастная макулодистрофия или пигментный ретинит) становятся необратимыми у людей.

Но что, если бы клетки сетчатки человека обладали той же способностью к «саморемонту», что и у данио-рерио? Добиться этого возможно, если осуществить так называемый перенос генов и «перепрограммировать» клетки, уверены учёные. (Они посчитали, что вызывать деление клеток Мюллера при помощи повреждений было бы контрпродуктивно.)

Новый метод опробовали на мышах. Слепым от рождения грызунам сначала активировали спящие «стволовые» клетки Мюллера, а затем при помощи переноса гена заставили их развиваться в фоторецепторные клетки – палочки.

Специалисты отмечают, что палочки являются наиболее распространённым типом клеток в сетчатке, их восстановление – первый шаг к восприятию света. Именно палочки через синапсы передают другим клеткам вглубь сетчатки сигналы, которые затем отправляются в мозг.

«Палочки позволяют нам видеть при слабом освещении, но они также могут помочь сохранить колбочки, которые важны для цветового зрения и высокой остроты зрения. Колбочки имеют тенденцию умирать на поздних стадиях глазных болезней. Если мы получим возможность восстанавливать палочки, это может быть стратегией лечения заболеваний глаз», — поясняет Томас Гринвелл (Thomas Greenwell) из Национального института глаз США.

Команда обнаружила, что при их подходе новые палочки успешно встраиваются в структуру сетчатки и начинают функционировать. Никакой разницы между этими «сгенерированными» клетками и «родными» не было, пишут исследователи. Новые палочки реагировали на свет и передавали другим клеткам сигналы, которые затем поступали в зрительную кору головного мозга мышей (это подтвердили измерения активности клеток мозга). Таким образом, зрительный путь был восстановлен.

Через четыре-шесть недель после «перепрограммирования» клеток Мюллера слепые грызуны уже могли видеть свет, но, вероятно, они не различали объекты или фигуры. Количество новых фоторецепторных клеток составило 0,2% от числа палочек в здоровой мышиной сетчатке, сообщает журнал Science.

Но и этот результат – явный прогресс и тот самый «свет в конце тоннеля», на который стоит ориентироваться в дальнейших работах, уверены эксперты.

Впереди у исследователей поведенческие тесты, которые покажут, насколько хорошо проходит восстановление зрения у животных с врождённой слепотой и какие задачи они могут выполнять после процедуры.

После ряда экспериментов такую же стратегию, вероятно, можно будет применять и для лечения болезней сетчатки у людей. Более того, не исключено, что и другие нарушения зрения, к примеру, глаукома, также будут поддаваться лечению по новой методике.

Научная статья по итогам прорывной работы была опубликована в журнале Nature.

Напомним, что ранее авторы проекта «Вести.Наука» (nauka.vesti.ru) рассказывали о другом методе спасения зрения, который предполагает восстановление сетчатки при помощи стволовых клеток. Кроме того, в борьбу со слепотой вступила генная терапия, а химики между тем объяснили, как сетчатку разрушает синий свет, исходящий от экранов электронных устройств.