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.
Разработчиком искусственной кремниевой сетчатки (ASR -- Artificial Silicon Retina) является фирма Optobionics. Искусственная кремниевая сетчатка - это микросхема диаметром 2 мм и толщиной 0,025 мм, содержащая приблизительно три с половиной тысячи микроскопических фотодиодов, каждый из которых снабжен собственным стимулирующим электродом. Фотодиоды преобразуют свет в электрические импульсы, выводящиеся на стимулирующие электроды и возбуждающие зрительные нервные окончания. Искусственная сетчатка осуществляет имитацию работы глаза на уровне фоторецепторного слоя. Параллельно с вживлением искусственной сетчатки пациенту устанавливается контактная линза, обеспечивающая фокусировку света именно на нее.
Предложенная американскими исследователями в 2006 г., японскими - в 2007 г. искусственная сетчатка представляет собой тончайшую алюминиевую матрицу с полупроводниковыми элементами из кремния. Чип имеет размеры 3,5 х 3,3 миллиметра и содержит 5760 кремниевых фототранзисторов, которые играют роль светочувствительных нейронов в живой сетчатке. Эти транзисторы связаны с другими 3600 транзисторами, которые подражают нервным клеткам сетчатки, осуществляющим предварительную обработку зрительной информации перед отправкой в мозг.
Новый чип хорошо приспосабливается к изменениям в яркости и контрастности наблюдаемой сцены, а также прекрасно воспринимает движущиеся предметы, выделяя их на неподвижном фоне. Однако перед началом клинических испытаний американские новаторы намерены доработать свой проект - уменьшить размеры чипа и снизить его энергопотребление.
По принципу действия искусственная сетчатка напоминает настоящую: при попадании лучей света в полупроводниках образуется электрическое напряжение, которое в качестве зрительного сигнала должно передаваться в мозг и восприниматься в виде изображения.
В 2009 г. американским исследователям удалось связать нервные клетки с биосовместимой пленкой, вырабатывающей под действием света слабый электрический ток. Основа искусственной сетчатки – тонкая пленка, представляющая собой «бутерброд» из двух слоев: слоя наночастиц теллурида ртути и положительно заряженного слоя полимера PDDA. Оба слоя ученые соединили с помощью специального клея и нанесли на поверхность «бутерброда» биосовместимое аминокислотное покрытие, чтобы нервные клетки могли без проблем взаимодействовать с пленкой. На пленке ученые разместили культуру нейронов. Как только фотоны начали попадать на ее поверхность, в пленке наночастицы абсорбировали фотоны, производя при этом электроны, проходящие через слой полимера PDDA, вырабатывающего слабый электрический ток. Как только ток доходил до клеточной мембраны нейронов, происходил процесс ее деполяризации, и начиналось распространение нервного сигнала, свидетельствующее о наличие в этой области пленки света.
Ранее учеными уже были достигнуты определенные успехи в области стимуляции нейронов через кремниевые интерфейсы. Однако той точности в детекции света и его интенсивности, какую предоставляет пленка с наночастицами, до сих пор не удавалось достичь. Искусственная сетчатка, созданная на базе открытия ученых, сможет даже воспроизводить цветовую насыщенность объектов, не говоря уже о высоком разрешении. Также сетчатка биологически совместима с тканями человека, благодаря использованию полимеров. Кремниевые же аналоги напротив, труднее приспособить для полноценной работы в теле человека. Еще одна революционная особенность искусственной сетчатки – то, что она не зависит от внешних источников питания и «включается» сразу же после попадания на нее света
Американские ученые изучали нейронный код клеток сетчатки у мышей. В результате были полученные данные, которые использовали при создании искусственного глаза. Это устройство потенциально может восстановить зрения слепым мышам. Другие ученые таким же образом изучали код сетчатки у обезьян. Оказалось, что структура и нейронная активность ее во многом схожа с человеческой. Авторы этих работ считают, что эти исследования помогут создать устройство, которое после тестирования поможет слепым людям вновь обрести зрение.
Важно отметить, что по задумке исследователей, искусственная сетчатка поможет видеть не только контуры предметов, но способна даже восстановить зрительную функцию в полном объеме. То есть ранее слепой пациент сможет различать мелкие детали, например, черты лица собеседника. В настоящий момент исследование находится на стадии апробации на животных, которые могут различать движущиеся предметы.
Основной задачей ученых на этом этапе является создание очков или устройства в виде обруча, при помощи которых внешний свет будет собираться и преобразовываться в специфический электронный код. Далее этот код в центральных структурах мозга будет трансформироваться в изображение.
Заболевания сетчатки стоят на первом месте среди причин слепоты. Однако, даже при повреждении всех фоторецепторных клеток, зрительный нерв обычно не повреждается, то есть сохранен нервный выходной путь глазного яблока. Современные протезы применяют этот факт. При этом в глаз слепого человека имплантируют специальные электроды. Они стимулируют ганглиозные нервные клетки. Но при этом можно получить только расплывчатую картинку, то есть человек воспринимает очертания предметов.
Еще одним альтернативным методом лечения слепоты является стимуляция клеток посредством светочувствительных белков. Их вводят в сетчатку глазного яблока с применением методов генной терапии. При попадании в сетчатки, эти белки стимулируют одновременно большое количество ганглиозных клеток.
Однако, для формирования четкого изображения, необходимо установить код сетчатки, то есть тот путь преобразования света в электрический импульс, который использует природа. В противном случае сформированные импульсы будут непонятны нейронам мозга и построение четкого изображения станет невозможным.
Сначала ученые пытали получить этот код, используя простые предметы, к которым относят, например, геометрические фигуры. Доктор неврологии Шейла Ниренберг предположила, что код сетчатки должен быть однотипным как для построения простых геометрических фигур, так и для создания более сложных картин (человеческие лица, пейзажи). Во время работы над этой теорией Ш. Ниренберг поняла, что гипотеза однотипности подходит для протезирования сетчатки. Она провела простой эксперимент, во время которого мини-проектор, которым управлял расшифрованный код, посылал электрические импульсы в ганглиозные клетки мышей. В эти клетки при помощи методик генной инженерии предварительно были встроены светочувствительные белки.
При анализе результатов, которые получены в серии экспериментов, было установлено, что качество зрения мыши, которой был имплантирован этот проектор, ничем не отличается от зрительной функции здорового грызуна.
Эта инновационная технология дает надежду огромному количеству пациентов с нарушением зрения. В связи с тем, что лекарственная терапия помогает лишь небольшой части ослепших людей, протез сетчатки будет очень востребован в клинической практике.
28 Апреля 2015Исследователи медицинской школы Стэндфордского университета, работающие под руководством профессора Даниэля Паланкера (Daniel Palanker), разработали беспроводной сетчаточный имплантат, который в будущем позволит восстанавливать зрение в пять лучше, чем существующие устройства. Результаты исследований на крысах свидетельствуют о способности нового устройства обеспечивать функциональное зрение пациентам с дегенеративными заболеваниями сетчатки, такими как пигментная дистрофия сетчатки и макулярная дегенерация.
Дегенеративные заболевания сетчатки приводят к разрушению фоторецепторов – так называемых палочек и колбочек, – тогда как остальные части глаза, как правило, сохраняются в хорошем состоянии. Новый имплантат использует электрическую возбудимость одной из популяций сетчаточных нейронов, известных как биполярные клетки. Эти клетки обрабатывают поступающие с фоторецепторов сигналы до того, как они достигают ганглионарных клеток, отправляющих зрительную информацию в головной мозг. Стимулируя биполярные клетки, имплантат пользуется важными естественными свойствами нейронной системы сетчатки, что обеспечивает получение более детализованных изображений, по сравнению с устройствами, не воздействующими на эти клетки.
Изготавливаемый из оксида кремния имплантат состоит из шестиугольных фотоэлектрических пикселей, конвертирующих световое излучение, испускаемое надеваемыми на глаза пациента специальными очками, в электрический ток. Эти электрические импульсы стимулируют биполярные клетки сетчатки, запуская достигающий головного мозга нейронный каскад.
назадЧитать также:
06 Апреля 2015Как выглядят магнитные волны?
Чип твердотельного компаса, передающий сигналы в области коры головного мозга слепой крысы, отвечающие за обработку визуальной информации, позволил животному «видеть» геомагнитные поля.
читать 20 Июня 2013Беспроводной протез сетчатки
Биотехнологи из Стэнфордского университета успешно пересадили в глаза крыс протезы сетчатки, которые обходятся без источника питания и требуют минимального хирургического вмешательства для имплантации.
читать 22 Февраля 2013Электронные сетчатки совершенствуются
Беспроводная бионическая сетчатка Alpha IMS работает без внешней камеры, обеспечивая свободное движение глаз, и подаёт сигналы от 1500 пикселей на близлежащие нейронные слои сетчатки и на зрительный нерв, полностью имитируя работу клеток-фоторецепторов.
читать 18 Февраля 2013Первая электронная сетчатка выходит на рынок США
FDA одобрило первую искусственную сетчатку – имплантируемое устройство с некоторыми функциями сетчатки, которое поможет людям, потерявшим зрение вследствие генетического заболевания – пигментного ретинита.
читать 14 Мая 2012Оптоэлектронная сетчатка без батареек
Для создания искусственной сетчатки ученые решили использовать фотоэлементы, активируемые инфракрасным лучом, что позволило совместить передачу визуальной информации с передачей энергии и упростить устройство имплантата.
22/08/2018, 14:47 1.6k Просмотров 293 Нравится
credit: Natalia Hutanu / TUM
Ученые не просто так называют графен «суперматериалом»
. Несмотря на то, что он состоит из всего лишь одного слоя атомов углерода, это очень сильный, супер гибкий и сверхлегкий материал, который также проводит электричество и биодеградирует. Недавно международная команда исследователей нашла способ использовать графен для создания искусственной сетчатки
глаза. Сетчатка представляет собой слой светочувствительных клеток во внутренней оболочке глаза, ответственные за преобразование изображения (электромагнитное излучение видимой части спектра) в нервные импульсы, которые мозг может интерпретировать. И если этот тонкий слой клеток не функционирует, то человек просто ничего не видит.
В настоящее время миллионы людей по всему миру страдают от заболеваний сетчатки, которые лишают их зрения. Чтобы помочь им увидеть снова, ученые несколько лет назад разработали искусственную сетчатку. Однако все существующие решения сложно назвать идеальными, поскольку имплантаты жесткие и плоские, поэтому изображение, которое они производят, часто выглядит размытым и искаженным. И хотя имплантаты достаточно хрупкие, они также могут повредить близлежащие ткани глаза.
Поэтому графен со всеми его уникальными свойствами может стать ключом к созданию лучшей искусственной сетчатки. Используя сочетание графена, дисульфида молибдена (другой двумерный материал), золота, оксида алюминия и нитрата кремния, исследователи из Техасского университета и Сеульского национального университета создали искусственную сетчатку, которая функционирует намного лучше, чем все существующие модели. Основываясь на лабораторных исследованиях и тестах на животных, ученые определили, что их искусственная сетчатка из графена является биосовместимой и способной имитировать функции человеческого глаза. Кроме этого, она лучше соответствует размерам естественной сетчатки человеческого глаза.
