Імплантати сітківки

Імплантати сітківки - клас біомедичних технологій, здатних замінити собою сітківку ока в разі її пошкодження або дисфункції.

В даний час імплантати сітківки розробляються низкою приватних компаній і науково-дослідних інститутів по всьому світу. Імплантат призначений для часткового відновлення корисного зору людям, які втратили зір, зокрема, внаслідок дегенеративних захворювань очей, таких як пігментний ретиніт або макулярна дегенерація. У клінічних випробуваннях в даний час знаходяться три типи імплантатів сітківки: епіретінальних імплантати (на сітківці), субретінальной імплантати (позаду сітківки), і супрахоріоідальное імплантати (вище судинної оболонки). Імплантати сітківки надають користувачеві можливість бачити з низьким дозволом за допомогою електричної стимуляції збережених клітин сітківки. Такі зображення можуть бути достатніми для відновлення деяких візуальних здібностей, таких як сприйняття світла і розпізнавання об'єктів.

Імплантат сітківки Argus II отримав визнання на ринку в США [ 23 грудня 2014 у Wayback Machine.] в лютому 2013 року і в Європі в лютому 2011 року, ставши першим схваленим імплантатом. Пристрій може допомогти дорослим з пігментним ретинітом, які втратили здатність сприймати форми і руху, щоб бути більш мобільними і виконувати щоденні заходи. Субретінальной же пристрій, відоме як імплантат сітківки, спочатку було розроблено в Німеччині. Воно завершило багатоцентрові клінічні дослідження в Європі і була увінчана CE маркуванням в 2013 році, що робить його першим бездротовим субретінальной пристроєм, який може отримати .

Історія

Ферстер першим відкрив, що електрична стимуляція в потиличній корі може бути використана для створення візуальних сприйнять, фосфенів. Перший такий стимулятор для відновлення зору був розроблений докторами Брайндлі ( англ. Brindley і Левіним ( англ. Lewin в 1968 році. Цей експеримент продемонстрував життєздатність створення візуальних сприйнять за допомогою прямої електричної стимуляції, і це спонукало до створення інших таких пристроїв для стимуляції зорового шляху, в тому числі імплататів сітківки. Пристрої стимуляції сітківки стали об'єктом досліджень, так як приблизно половина всіх випадків сліпоти викликані пошкодженням сітківки. Розвиток імплататов сітківки було також частково мотивоване просуванням і успіхом кохлеарних імплантатів, який продемонстрував можливість відновлення значною сенсорної функції при обмеженою вхідної інформації.

Кандидати

Оптимальними кандидатами для застосування імплантатів сітківки ока є такі 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. Як мінімум, у пацієнта повинен бути недоторканий шар гангліозних клітин для того, щоб бути кандидатом для імплантації. Це може бути виявлено неінвазивним використанням оптичної когерентної томографії (ОКТ). Інші фактори, в тому числі кількість залишкового зору також враховуються при визначенні кандидатів на імплантацію сітківки. У пацієнтів з віковою макулярною дегенерацією, які можуть мати неушкоджені периферичний зір, імплантати сітківки можуть призвести до гібридної формі зору. В цьому випадку імплантат буде доповнювати залишився периферичний зір до центральної зорової інформації.

Типи імплантатів сітківки

Є два основних типи імплантатів сітківки. Епіретінальних імплантати поміщають у внутрішню поверхню сітківки, а субретінальной імплантати поміщають між зовнішнім шаром сітківки і пігментним епітелієм сітківки.

Епіретінальні імплантати

Принципи проектування

Епіретінальних імплантати розташовані на внутрішній поверхні сітківки, безпосередньо стимулюючи гангліозних клітини в обхід всіх інших шарів сітківки. Епіретінальних імплантати складаються з кремнієвої пластини з масивом платинових електродів, встановленого на внутрішньому шарі сітківки. Масив стабілізується за допомогою мікрогвоздей, з невеликим механічним тиском з боку склистого тіла . Епіретінальних імплантат вимагає зовнішню камеру для отримання зображень. Камера отримує зображення навколишнього середовища, обробляє зображення і передає інформацію про зображення на імплантованих електродний грати по бездротовому каналу телеметрії. Зовнішній передавач також потрібно, щоб забезпечити безперервне живлення імплантату за допомогою радіочастотної индукции [en] або інфрачервоних лазерів. Зовнішня камера і чіп обробки зображення, як правило, встановлюється на окуляри пацієнта. Обробка зображень включає в себе зниження здатності зображення і перетворення зображення в просторовий і тимчасової шаблони стимуляції, для активації відповідних клітин сітківки .

Переваги

Епіретінальних імплантати мають ту перевагу, що вони обходять більшу частину сітківки, перекриваючи функцію гангліозних клітин у внутрішньому шарі сітківки. Таким чином, епіретінальних імплантати можуть забезпечити зорове сприйняття у людей із захворюваннями сітківки, такими, що виходять за межі фоторецепторного шару. Більшість електроніки може підтримувати пов'язані з нею зовнішні компоненти, що дозволяє знизити розміри імплантату і робити прості поновлення без додаткової операції. Зовнішня електроніка також дозволяє лікарю мати повний контроль над обробкою зображень і адаптувати обробку для кожного пацієнта. Крім того, специфіка розташування епіретінальних імплантатів дозволяє склоподібному тілу служити в якості тепловідводу для імплантату.

Недоліки

Основним недоліком епіретінальних імплантатів є необхідність зовнішнього пристрою, який може бути громіздким для шкарпетки. Зовнішня камера також змушує суб'єкта робити рух головою при зміні напрямку погляду. Епіретінальних імплантати можуть стимулювати не тільки гангліозних клітини, але і прилеглі аксони, які можуть бути пов'язані з іншими ретинотопными [en] областями. Це може привести до злегка спотвореної стимуляції шаблону, яка повинна бути виправлена при електронній обробці. Крім того, стимуляція шару гангліозних клітин вимагає більш складних методів обробки зображень для того, щоб врахувати звичайну обробку, пов'язану з обділеними шарами сітківки. У той час як епіретінальних імплантат може бути стабілізовано тиском склоподібного тіла, може знадобитися додаткова механічна фіксація з використанням мікроцвяхів.

Клінічні дослідження

Перший епіретінальних імплантат, ARGUS, включав в себе кремнієву пластину з масивом з 16 платинових електродів. Фаза I клінічних випробувань ARGUS почалася в 2002 році імплантацією пристрою шести учасникам. Всі пацієнти повідомили про збільшення яскравості і дискретизації фосфенів, у деяких хворих відзначалося значне поліпшення зорової функції з плином часу. Майбутні версії ARGUS розробляються для все більш щільних матриць електродів, що дозволяє поліпшити просторова роздільність. Найнедавніше пристрій ARGUS II містить 60 електродів, і 200 електродне пристрій знаходиться в стадії розробки офтальмологів і інженерів в USC Eye Institute. в лютому 2011 року (CE Mark демонструє безпеку і продуктивність) і воно є в Німеччині, Франції, Італії та Великої Британії. Проміжні результати довгострокових досліджень на 30 пацієнтах були опубліковані в Ophthalmology in 2012 [ 16 жовтня 2016 у Wayback Machine.] . Argus II отримав схвалення від FDA США 14 квітня 2013 року. Boston Subretinal Implant Project розробила також ряд ітерацій функціональних епіретінальних імплантатів, і зосередилася на аналізі функцій імплантатів. Інша епіретінальних пристрій, якого навчають імплантат сітківки, було розроблено IIP technologies GmbH, і початок проходити клінічні випробування . Четверте епіретінальних пристрій, EPI-RET, було розроблено і почалися клінічні випробування у шести пацієнтів. EPI-RET містить 25 електродів і вимагає заміни кришталика на чіп приймача. Всі суб'єкти продемонстрували здатність до розрізнення різних просторових і часових форм стимуляції.

Субретінальні імплантати

Принципи проектування

Субретінальной 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 . Приклеїти субретінальной імплантат в цьому місці відносно просто, так як імплантат механічно обмежений відстанню між зовнішнім шаром сітківки і пігментним епітелієм сітківки. Субретінальной імплантат складається з кремнієвої пластини, що містить світлочутливі мікро фотодіоди, які генерують сигнали безпосередньо від вхідного світла. Падаючи світло, що проходить через сітківку генерує струми в мікрофотодіодах, які безпосередньо впорскують результуючий струм в основні клітини сітківки за допомогою массива мультиэлектродов [en] . Структура мікрофотодіодов активується падаючим світлом, отже, стимулює типи біполярних, горизонтальних, амакрінових і гангліозних клітин, що призводить до візуального сприйняття вихідного падаючого зображення. В принципі, субретінальной імплантати не потребують будь-якого зовнішнього обладнання понад імплантованого мікрофотодіодного масиву. Тим не менш, деякі субретинальної імплантати вимагають живлення від зовнішньої схеми посилення сигналу зображення.

Переваги

Субретінальний імплантат має деякі переваги в порівнянні з епіретінальних імплантатом в плані простоти його розробки. Отримання світловий картини, її обробка і стимуляція - все здійснюється мікрофотодіодамі, встановленими на одному чіпі, на відміну від епіретінальних імплантату, що вимагає зовнішньої камери, чіпа обробки, і імплантування безлічі електродів. Субретінальні розміщення також спрощує справу, так як розміщує стимулюючий масив в безпосередній близькості від пошкоджених фоторецепторів. Спираючись на функції інших шарів сітківки, субретінальной імплантати дозволяють нормальну внутрішню обробку сітківки, в тому числі посилення, що призводить до зниження загального порога негативної реакції. Крім того, субретінальні імплантати дозволяють переміщати погляд допомогою звичайних рухів очей. Ретинотопическа стимуляція з субретинальної імплантатів спочатку більш точна, так як картина падаючого світла на мікрофотодіоди є прямим зображенням. Субретінальні імплантати вимагають мінімальну фіксацію, оскільки субретінальний простір механічно обмежена і пігментний епітелій сітківки створює негативне тиск у межах субретінального простору .

Недоліки

Основним недоліком субретинальних імплантатів є вимогливість достатності рівня падаючого світла для нормальної роботи мікрофотодіодов. Таким чином, субретінальні імплантати часто включають зовнішнє джерело живлення для посилення ефекту падаючого світло. Компактний характер субретінального простору накладає суттєві обмеження на розмір імплантату. Близькість між імплантатом і сітківкою також збільшує можливість термічного пошкодження сітківки від тепла, що виділяється імплантатом. Субретінальні імплантати вимагають неушкодженим внутрішнього і середнього шарів сітківки, і, отже, не придатні для захворювань сітківки, що виходять за зовнішній шар фоторецепторів. Крім того, втрата фоторецепторів може привести до утворення мембрани на кордоні пошкоджених фоторецепторів, яка, в свою чергу, може перешкоджати стимуляції і збільшення порогу стимуляції.

Клінічні дослідження

Optobionics була першою компанією, яка розробила субретінальний імплантат і перевірку в клінічних випробуваннях. У перших повідомленнях говорилося, що процедура імплантації безпечна, і всіма учасниками випробувань було відзначено м'яке поліпшення зорової функції і часткове повернення сприйняття світла . Поточна версія цього пристрою була імплантована 10 пацієнтам, кожен з яких повідомив про поліпшення в сприйнятті зорових деталей, в тому числі контрасту, форми і рухи . Компанією Retina Implant AG в Німеччині був також розроблений субретинальной імплантат, який пройшов клінічні випробування у дев'яти пацієнтів. Досліди були відкладені через невдачі і провалів. Пристрій Retina Implant AG містить 1500 мікрофотодіодов, що дозволяє підвищити просторову роздільну здатність, але потребує зовнішнього джерела живлення. Retina Implant AG повідомив 12 місячні результати по дослідженню в Alpha IMS study в лютому 2013, показавши, що шість з дев'яти пацієнтів мали відмови пристрою протягом дев'яти місяців після імплантації, Proceedings of the royal society B [ 5 березня 2016 у Wayback Machine.] і що п'ять з восьми суб'єктів повідомили про різні імпланти -опосредованних зорових сприйняттях в повсякденному житті. У одного було пошкодження зорового нерва і він не сприймав стимуляції. Результати всіх клінічних випробувань на сьогоднішній день показують, що пацієнти, які отримали субретінальні імплантати, повідомляють про сприйняття фосфенов, деякі набирають здатність до виконання основних візуальних завдань, таких як розпізнавання форми і виявлення руху.

Просторова роздільна здатність

Якість зору, очікувана від імплантату сітківки, в значній мірі базується на максимальному просторовому вирішенні імплантату. Поточні прототипи імплантатів сітківки здатні забезпечити низький дозвіл пікселізації зображення. «Сучасний стан» імплантатів сітківки включає 60-100 каналів, що є достатнім для розпізнавання об'єктів і повсякденної діяльності. Проте, моделювання отриманих пікселізовану зображень не дозволяє вважати, що все електроди імплантату знаходяться в контакті з бажаної кліткою сітківки. Таким чином, очікується, що просторове дозвіл в цьому випадку, ще нижче, так як деякі з електродів не можуть функціонувати оптимально . Випробування читанням показали, що продуктивності 60 канального імплантату досить, щоб частково відновити здатність читання, але тільки при значному збільшенні тексту . Подібні експерименти, що оцінюють ступінь навігаційної можливості пікселізовану зображень показали, що 60 каналів було досить для досвідчених суб'єктів, в той час як недосвідченим потрібно 256 каналів. Цей експеримент, отже, не тільки продемонстрував функціональні можливості, що надаються візуальної зворотним зв'язком низького дозволу, але і здатність адаптуватися і поліпшуватися з часом . Проте, ці експерименти базуються лише на моделюванні слабкого зору у нормальних суб'єктів, а не клінічних випробувань імплантованих пацієнтів. Число електродів, необхідних для читання або кімнатної навігації у імплантованих суб'єктів, може відрізнятися, і має бути проведено подальше тестування серед даних пацієнтів для визначення необхідного просторового дозволу для конкретних візуальних завдань.

Результати моделювання показують, що 600-1000 електродів потрібно для того, щоб можна було виконувати широкий спектр завдань, в тому числі читання, розпізнавання осіб, і навігацію по кімнатах . Таким чином, наявне просторову роздільну здатність імплантатів сітківки необхідно збільшити в 10 разів, у той час як вирішення наявних імплантатів занадто мало для того, щоб відновити в достатній мірі зорові функції для цих завдань.

Поточний статус і перспективи розвитку

Клінічні звіти на сьогоднішній день продемонстрували змінний успіх, всі пацієнти повідомляють, принаймні, про деяке відчуття світла від електродів, і менша частина про розширення зорової функції, наприклад, ідентифікація світлих і темних областей. Клінічні звіти показують, що навіть з низьким дозволом, імплантати сітківки потенційно корисні в забезпеченні деякого подібності зору людей, які в іншому випадку не мали б ніякого. Залишається неясною величина зниження рівня зору, при використанні імплантатів сітківки, щоб збалансувати ризики, пов'язані з хірургічною процедурою, особливо для пацієнтів з неушкодженим периферичним зором. Деякі інші аспекти імплантатів сітківки повинні бути розглянуті в подальших дослідженнях, в тому числі довгострокова стабільність імплантатів і нейропластічності сітківки при тривалій стимуляції.

Див. також

• Зоровий нейропротез
• Офтальмологія
• Медична реабілітація

Примітки

1. O. Foerster. Beitrage zur Pathophysiologie der Sehbahn und der Sehsphare : [ ][нім.] // Journal fur Psychologie und Neurologie : magazin. — 1929. — Bd. 39. — С. 463—485.
2. G. Brindley, W. Lewin. The sensation produced by electrical stimulation of the visual cortex : [ ][англ.] // Journal of Physiology : journal. — 1968. — Vol. 196. — С. 479—493.
3. J. Weiland, T. Liu, M. Humayun. Retinal prosthesis : [ ][] // Annual Review of Biomedical Engineering^[en]. — 2005. — Т. 7. — С. 361—401. — DOI:10.1146/annurev.bioeng.7.060804.100435.
4. E. Zrenner. Will retinal implants restore vision? : [ ][англ.] // Science. — 2002. — Vol. 295. — С. 1022—1025. — DOI:10.1126/science.1067996.
5. F. Zeng. Trends in cochlear implants. : [ ][англ.] // Trends in Amplification^[en] : journal. — 2004. — Vol. 8, № 1. — С. 1—34. — DOI:10.1177/108471380400800102.
6. J. Stone, W. Barlow, M. Humayun, E. deJuan Jr., A. Milam. Morphometric analysis of macular photoreceptors and ganglion cells in retinas with retinitis pigmentosa : [ ][англ.] // Archives of Ophthalmology^[en] : journal. — 1992. — Vol. 110. — С. 1634—1639. — DOI:10.1001/archopht.1992.01080230134038.
7. A. Santos, M. Humayun, E. deJuan Jr., R. Greenburg, M. Marsh, I. Klock, et. al. Preservation of the inner retina in retinitis pigmentosa: A morphometric analysis : [ ][англ.] // Archives of Ophthalmology^[en] : journal. — 1997. — Vol. 115. — С. 511—515. — DOI:10.1001/archopht.1997.01100150513011.
8. M. Humayun. Morphometric analysis of the extra- macular retina from post mortem eyes with retinitis pigmentosa : [ ][англ.] // Investigative Ophthalmology and Visual Science^[en] : journal. — 1999. — Vol. 40. — С. 143—148.
9. S. Kim, S. Sadda, M. Humayun, E. deJuan Jr., B. Melia, W. Green. Morphometric analysis of the macula in eyes with geographic atrophy due to age-related macular degeneration : [ ][англ.] // Retina : journal. — 2002. — Vol. 46. — С. 4—10.
10. S. Kim, S. Sadda, J. Pearlman, M. Humayun, E. deJuan Jr., B. Melia, et. al. Morphometric analysis of the macula in eyes with disciform age-related macular degeneration : [ ][англ.] // Retina : journal. — 2002. — Vol. 47. — С. 1—7.
11. T. Matsuo, N. Morimoto. Visual acuity and perimacular retinal layers detected by optical coherence tomography in patients with retinitis pigmentosa : [ ][англ.] // Investigative Ophthalmology and Visual Science^[en] : journal. — 2007. — Vol. 91. — С. 888—890. — DOI:10.1136/bjo.2007.114538.
12. G. Chader, J. Weiland, M. Humayun. Artificial vision: needs, functioning, and testing of a retinal electronic prosthesis : [ ][англ.] // Progress in Brain Research : journal. — 2009. — Vol. 175. — С. 0079—6123.

Помилка цитування: Тег <ref> з назвою "Liu13", визначений у <references>, не використовується в попередньому тексті.
Помилка цитування: Тег <ref> з назвою "Piyathaisere14", визначений у <references>, не використовується в попередньому тексті.
Помилка цитування: Тег <ref> з назвою "Majji15", визначений у <references>, не використовується в попередньому тексті.
Помилка цитування: Тег <ref> з назвою "Walter16", визначений у <references>, не використовується в попередньому тексті.
Помилка цитування: Тег <ref> з назвою "Humayun17", визначений у <references>, не використовується в попередньому тексті.
Помилка цитування: Тег <ref> з назвою "Klauke18", визначений у <references>, не використовується в попередньому тексті.
Помилка цитування: Тег <ref> з назвою "Chow19", визначений у <references>, не використовується в попередньому тексті.
Помилка цитування: Тег <ref> з назвою "Rizzo20", визначений у <references>, не використовується в попередньому тексті.
Помилка цитування: Тег <ref> з назвою "Fornos21", визначений у <references>, не використовується в попередньому тексті.

Помилка цитування: Тег <ref> з назвою "Dagnelie22", визначений у <references>, не використовується в попередньому тексті.