Имплантат сетчатки представляет собой зрительный протез для восстановления зрения пациентам, ослепшим в результате дегенерации сетчатки. Система предназначена для частичного восстановления полезного зрения тем, кто потерял свои фоторецепторы из-за заболеваний сетчатки, таких как пигментный ретинит (РП) или возрастная дегенерация желтого пятна (ВМД). Ряд частных компаний и научно-исследовательских институтов разрабатывают имплантаты сетчатки, и в клинических испытаниях проходят три типа имплантатов: эпиретинальный (на сетчатке ), субретинальный (за сетчаткой) и супрахориоидальный (между сосудистой оболочкой и склерой). Имплантаты передают визуальную информацию в сетчатку, электрически стимулируя выжившие нейроны сетчатки. До сих пор вызываемые восприятия имели довольно низкое разрешение и могли быть пригодны для восприятия света и распознавания простых объектов.
Ферстер был первым, кто обнаружил, что электрическая стимуляция затылочной коры может использоваться для создания зрительных восприятий — фосфенов . [1] Первое применение имплантируемого стимулятора для восстановления зрения было разработано доктором. Бриндли и Левин в 1968 году. [2] Этот эксперимент продемонстрировал жизнеспособность создания зрительных восприятий с помощью прямой электрической стимуляции и побудил к разработке нескольких других имплантируемых устройств для стимуляции зрительных путей, включая имплантаты сетчатки. [3] В частности, в центре внимания исследований оказались устройства для стимуляции сетчатки, поскольку примерно половина всех случаев слепоты вызвана повреждением сетчатки. [4] Разработка имплантатов сетчатки также была частично мотивирована развитием и успехом кохлеарных имплантатов , которые продемонстрировали, что люди могут восстановить значительную сенсорную функцию с ограниченными затратами. [5]
Имплантат сетчатки Argus II , производимый компанией Second Sight Medical Products , получил одобрение на рынке США в феврале 2013 года и в Европе в феврале 2011 года, став первым одобренным имплантатом. [6] Устройство может помочь взрослым с РП, потерявшим способность воспринимать формы и движения, стать более мобильными и выполнять повседневную деятельность. Эпиретинальное устройство, известное как Retina Implant, было первоначально разработано в Германии компанией Retina Implant AG. Он завершил многоцентровые клинические испытания в Европе и получил знак CE в 2013 году, что сделало его первым беспроводным эпиретинальным электронным устройством, получившим одобрение.
Оптимальные кандидаты на имплантацию сетчатки имеют заболевания сетчатки, такие как пигментный ретинит или возрастная дегенерация желтого пятна. Эти заболевания вызывают слепоту, поражая фоторецепторные клетки наружного слоя сетчатки, оставляя при этом внутренний и средний слои сетчатки нетронутыми. [4] [7] [8] [9] [10] [11] Как минимум, у пациента должен быть интактный слой ганглиозных клеток , чтобы быть кандидатом на имплантацию сетчатки. Это можно оценить неинвазивно с помощью оптической когерентной томографии (ОКТ) . [12] Другие факторы, в том числе степень остаточного зрения, общее состояние здоровья и приверженность семьи к реабилитации, также учитываются при определении кандидатов на имплантацию сетчатки. У пациентов с возрастной макулярной дегенерацией, у которых может быть сохранено периферическое зрение, имплантаты сетчатки могут привести к гибридной форме зрения. В этом случае имплантат дополнит оставшееся периферическое зрение информацией центрального зрения. [13]
Существует два основных типа имплантатов сетчатки по месту размещения. Эпиретинальные имплантаты размещаются на внутренней поверхности сетчатки, а субретинальные имплантаты размещаются между наружным слоем сетчатки и пигментным эпителием сетчатки .
Эпиретинальные имплантаты размещаются поверх поверхности сетчатки, над слоем нервных волокон, непосредственно стимулируя ганглиозные клетки и минуя все остальные слои сетчатки. Ряд электродов стабилизируется на сетчатке с помощью микроконтактов, проникающих в склеру. Обычно внешняя видеокамера на очках [3] снимает изображение и передает обработанную видеоинформацию на стимулирующие электроды посредством беспроводной телеметрии . [13] Также необходим внешний передатчик для подачи питания на имплантат через радиочастотные индукционные катушки или инфракрасные лазеры. Обработка изображения в реальном времени включает в себя уменьшение разрешения, усиление контраста, обнаружение краев изображения и преобразование его в пространственно-временной образец стимуляции, доставляемый на решетку электродов на сетчатке. [4] [13] Большая часть электроники может быть встроена в соответствующие внешние компоненты, что позволяет использовать имплантат меньшего размера и упростить модернизацию без дополнительной операции. [14] Внешняя электроника обеспечивает полный контроль над обработкой изображений каждого пациента. [3]
Эпиретинальные имплантаты непосредственно стимулируют ганглиозные клетки сетчатки, минуя все остальные слои сетчатки. Следовательно, в принципе, эпиретинальные имплантаты могут обеспечить людям зрительное восприятие, даже если все остальные слои сетчатки повреждены.
Поскольку слой нервных волокон имеет такой же порог стимуляции, как и ганглиозные клетки сетчатки, аксоны, проходящие под эпиретинальными электродами, стимулируются, создавая дугообразные ощущения и тем самым искажая ретинотопическую карту. До сих пор ни один из эпиретинальных имплантатов не имел светочувствительных пикселей, поэтому для захвата визуальной информации они полагаются на внешнюю камеру. Поэтому, в отличие от естественного зрения, движения глаз не смещают передаваемое изображение на сетчатке, что создает ощущение движущегося объекта, когда человек с таким имплантатом меняет направление взгляда. Поэтому пациентов с такими имплантатами просят не двигать глазами, а сканировать поле зрения головой. Кроме того, кодирование визуальной информации на уровне ганглиозных клеток требует очень сложных методов обработки изображений, чтобы учитывать различные типы ганглиозных клеток сетчатки, кодирующих различные особенности изображения.
Первый эпиретинальный имплантат, устройство ARGUS, включал в себя кремний-платиновую матрицу с 16 электродами. [13] Фаза I клинических испытаний ARGUS началась в 2002 году с имплантации устройства шести участникам. Все пациенты сообщили об улучшении восприятия света и дискретных фосфенов, при этом зрительные функции некоторых пациентов со временем значительно улучшились. Будущие версии устройства ARGUS разрабатываются со все более плотной решеткой электродов, что позволит улучшить пространственное разрешение. Самое последнее устройство ARGUS II содержит 60 электродов, а устройство на 200 электродов находится в стадии разработки офтальмологов и инженеров Глазного института Университета Южной Калифорнии. [15] Устройство ARGUS II получило одобрение на продажу в феврале 2011 года (маркировка CE, подтверждающая безопасность и производительность), и оно доступно в Германии, Франции, Италии и Великобритании. Промежуточные результаты долгосрочных исследований с участием 30 пациентов были опубликованы в журнале Ophthalmology в 2012 году. [16] Argus II получил одобрение FDA США 14 апреля 2013 года. Одобрение FDA [ мертвая ссылка ] . Еще одно эпиретинальное устройство, Learning Retinal Implant, было разработано компанией IIP Technologies GmbH и начало оцениваться в клинических испытаниях. [13] Третье эпиретинальное устройство, EPI-RET, было разработано и прошло клинические испытания на шести пациентах. Устройство EPI-RET содержит 25 электродов и требует замены хрусталика чипом-приемником. Все испытуемые продемонстрировали способность различать различные пространственные и временные модели стимуляции. [17]
Субретинальные имплантаты располагаются на внешней поверхности сетчатки, между слоем фоторецепторов и пигментным эпителием сетчатки, непосредственно стимулируя клетки сетчатки и полагаясь на нормальную обработку внутреннего и среднего слоев сетчатки. [3] Прикрепить субретинальный имплантат относительно просто, поскольку имплантат механически удерживается минимальным расстоянием между внешней сетчаткой и пигментным эпителием сетчатки. Субретинальный имплантат состоит из кремниевой пластины, содержащей светочувствительные микрофотодиоды , которые генерируют сигналы непосредственно из падающего света. Падающий свет, проходя через сетчатку, генерирует токи внутри микрофотодиодов, которые напрямую вводят результирующий ток в подлежащие клетки сетчатки через массивы микроэлектродов . Таким образом, рисунок микрофотодиодов, активируемых падающим светом, стимулирует структуру биполярных , горизонтальных , амакриновых и ганглиозных клеток, что приводит к визуальному восприятию, представляющему исходное падающее изображение. В принципе, субретинальные имплантаты не требуют какого-либо внешнего оборудования, кроме имплантированной матрицы микрофотодиодов. Однако некоторым субретинальным имплантатам для усиления сигнала изображения требуется питание от внешних схем. [4]
Субретинальный имплантат имеет преимущество перед эпиретинальным имплантатом отчасти из-за своей более простой конструкции. Сбор, обработка и стимуляция света выполняются микрофотодиодами, установленными на одном чипе, в отличие от внешней камеры, обрабатывающего чипа и имплантированной электродной матрицы, связанной с эпиретинальным имплантатом. [4] Субретинальное размещение также является более простым, поскольку при нем стимулирующий массив размещается непосредственно рядом с поврежденными фоторецепторами. [3] [13] Опираясь на функцию остальных слоев сетчатки, субретинальные имплантаты обеспечивают нормальную внутреннюю обработку сетчатки, включая усиление, что приводит к общему снижению порога зрительной реакции. [3] Кроме того, субретинальные имплантаты позволяют субъектам использовать нормальные движения глаз для перемещения взгляда. Ретинотопическая стимуляция с помощью субретинальных имплантатов по своей сути является более точной, поскольку картина падающего света на микрофотодиоды является прямым отражением желаемого изображения. Субретинальные имплантаты требуют минимальной фиксации, поскольку субретинальное пространство механически ограничено, а пигментный эпителий сетчатки создает отрицательное давление внутри субретинального пространства. [4]
Основным недостатком субретинальных имплантатов является отсутствие достаточного количества падающего света, позволяющего микрофотодиодам генерировать достаточный ток. Таким образом, субретинальные имплантаты часто включают внешний источник питания для усиления эффекта падающего света. [3] Компактность субретинального пространства накладывает значительные ограничения на размер имплантата. Непосредственная близость имплантата к сетчатке также увеличивает вероятность термического повреждения сетчатки из-за тепла, выделяемого имплантатом. [4] Субретинальные имплантаты требуют неповрежденных внутреннего и среднего слоев сетчатки и, следовательно, неэффективны при заболеваниях сетчатки, выходящих за пределы внешнего слоя фоторецепторов. Кроме того, потеря фоторецепторов может привести к образованию мембраны на границе поврежденных фоторецепторов, что может препятствовать стимуляции и повышать порог стимуляции. [13]
Optobionics была первой компанией, которая разработала субретинальный имплантат и оценила его конструкцию в клинических испытаниях. Первоначальные отчеты показали, что процедура имплантации была безопасной, и все испытуемые сообщили о некотором ощущении света и небольшом улучшении зрительных функций. [18] Текущая версия этого устройства была имплантирована 10 пациентам, каждый из которых сообщил об улучшении восприятия визуальных деталей, включая контраст, форму и движение. [4] Компания Retina Implant AG в Германии также разработала субретинальный имплантат, который прошел клинические испытания на девяти пациентах. Судебный процесс был приостановлен из-за неоднократных неудач. [13] Устройство Retina Implant AG содержит 1500 микрофотодиодов, что позволяет повысить пространственное разрешение, но требует внешнего источника питания. В феврале 2013 года компания Retina Implant AG сообщила о результатах 12-месячного исследования Alpha IMS, показывающих, что у шести из девяти пациентов произошел сбой устройства в течение девяти месяцев после имплантации. опосредованное зрительное восприятие в повседневной жизни. У одного было повреждение зрительного нерва, и он не воспринимал стимуляцию. Бостонский проект субретинальной имплантации также разработал несколько итераций функционального субретинального имплантата и сосредоточился на краткосрочном анализе функции имплантата. [19] Результаты всех клинических испытаний на сегодняшний день показывают, что пациенты, получающие субретинальные имплантаты, сообщают о восприятии фосфенов, при этом некоторые из них приобретают способность выполнять основные зрительные задачи, такие как распознавание формы и обнаружение движения. [13]
Качество зрения, ожидаемое от имплантата сетчатки, во многом зависит от максимального пространственного разрешения имплантата. Современные прототипы имплантатов сетчатки способны обеспечивать пиксельные изображения низкого разрешения.
«Современные» имплантаты сетчатки включают 60–100 каналов, достаточных для выполнения основных задач распознавания и распознавания объектов. Однако моделирование полученных пиксельных изображений предполагает, что все электроды на имплантате находятся в контакте с желаемой клеткой сетчатки; на самом деле ожидаемое пространственное разрешение ниже, поскольку некоторые электроды могут работать неоптимально. [3] Тесты на способность к чтению показали, что 60-канального имплантата достаточно для восстановления некоторой способности к чтению, но только при значительно увеличенном тексте. [20] Подобные эксперименты по оценке способности ориентироваться в помещении с помощью пиксельных изображений показали, что 60 каналов было достаточно для опытных испытуемых, в то время как неопытным испытуемым требовалось 256 каналов. Таким образом, этот эксперимент не только продемонстрировал функциональность, обеспечиваемую визуальной обратной связью с низким разрешением , но и способность испытуемых адаптироваться и совершенствоваться с течением времени. [21] Однако эти эксперименты основаны просто на моделировании зрения с низким разрешением у нормальных субъектов, а не на клинических испытаниях имплантированных субъектов. Количество электродов, необходимых для чтения или навигации по комнате, может различаться у имплантированных субъектов, и необходимо провести дальнейшее тестирование в этой клинической популяции, чтобы определить необходимое пространственное разрешение для конкретных зрительных задач.
Результаты моделирования показывают, что потребуется 600–1000 электродов, чтобы испытуемые могли выполнять широкий спектр задач, включая чтение, распознавание лиц и передвижение по комнатам. [3] Таким образом, доступное пространственное разрешение имплантатов сетчатки необходимо увеличить в 10 раз, оставаясь при этом достаточно малым для имплантации, чтобы восстановить достаточную зрительную функцию для этих задач. Стоит отметить, что стимуляция высокой плотности не равна высокой остроте зрения (разрешению), которая требует множества факторов как в аппаратном обеспечении (электроды и покрытия), так и в программном обеспечении (стратегии стимуляции, основанные на результатах хирургического вмешательства). [22]
Клинические отчеты на сегодняшний день продемонстрировали неоднозначный успех: все пациенты сообщают, по крайней мере, о некотором ощущении света от электродов, а меньшая часть получает более детальные зрительные функции, такие как определение закономерностей светлых и темных областей. Клинические отчеты показывают, что даже при низком разрешении имплантаты сетчатки потенциально полезны для обеспечения грубого зрения людям, которые в противном случае не имели бы зрительных ощущений. [13] Однако клинические испытания на имплантированных субъектах несколько ограничены, и большинство экспериментов по моделированию пространственного разрешения проводились на нормальных контрольных группах. Остается неясным, достаточен ли низкий уровень зрения, обеспечиваемый современными имплантатами сетчатки, чтобы сбалансировать риски, связанные с хирургической процедурой, особенно для субъектов с неповрежденным периферическим зрением. В будущих исследованиях необходимо рассмотреть несколько других аспектов имплантатов сетчатки, включая долгосрочную стабильность имплантатов и возможность пластичности нейронов сетчатки в ответ на длительную стимуляцию. [4]
Королевский лазарет Манчестера и профессор Пауло Э. Станга объявили 22 июля 2015 года о первой успешной имплантации аппарата Argus II компании Second Sight пациентам с тяжелой возрастной дегенерацией желтого пятна. [23] [24] Эти результаты очень впечатляют, поскольку оказывается, что пациенты объединяют остаточное зрение и искусственное зрение. Это потенциально открывает возможность использования имплантатов сетчатки для миллионов пациентов с ВМД.