Имплантат сетчатки

Импланта́т сетча́тки — это инновационный класс биомедицинских устройств, призванных заменить повреждённую или не функционирующую сетчатку глаза. Многие компании и исследовательские институты активно разрабатывают эти устройства, нацеленные на частичное возвращение зрения людям, потерявшим его из-за дегенеративных заболеваний, таких как пигментный ретинит или макулярная дегенерация. В клинических испытаниях сейчас изучаются три основных типа имплантов: эпиретинальные, субретинальные и супрахориоидальные. Эти устройства стимулируют сохранившиеся клетки сетчатки электрическими импульсами, предоставляя пользователю возможность видеть изображения с ограниченным разрешением.

История

В 1823 году немецкий исследователь в области психологии, Иоганн Пуркинье, проявил интерес к изучению зрения, галлюцинаций и возможностей искусственного воздействия на зрительные восприятия. Он впервые задокументировал ощущение зрительных вспышек, называемых фосфенами. Эти явления он наблюдал в ходе простого эксперимента с электрическим аккумулятором, пропуская ток через голову и фиксируя свои зрительные ощущения. Через полтора века, в 1956 году, австралийский исследователь Дж. И. Тассикер получил патент на первый ретинальный имплант. Хотя он не обеспечивал функциональное зрение, он продемонстрировал принципиальную возможность вызова искусственных зрительных сигналов.

В 2017 году в Российской Федерации, благодаря финансовой помощи фондов «Со-единение» и «Искусство, Наука и Спорт», были закуплены и внедрены два ретинальных протеза Argus II, разработанных американской фирмой Second Sight. Эти процедуры стали единственными случаями восстановления зрительной функции, выполненными в России до настоящего времени. Стоимость каждой хирургической операции с последующей реабилитацией составила около 10 млн рублей, в то время как стоимость самой системы имплантации для одного равнялась примерно $140 тыс. Обе операции прошли успешно, и двое абсолютно незрячих жителей Челябинска — Григорий и Антонина — обрели предметное зрение. Под предметным зрением подразумевается способность различать контуры объектов, таких как дверь, окно или тарелка, без детализации. Функции чтения и использования смартфона для них недоступны. У обоих пациентов был диагностирован «пигментный ретинит» (никталопия).

К 2019 году в мире насчитывалось около 350 имплантированных устройств, произведённых компанией Second Sight. Приблизительно 50 тысяч граждан России нуждаются в аналогичном протезировании сетчатки. В России единственной организацией, обладающей опытом протезирования зрения, является АНО Лаборатория «Сенсор-Тех». Развитие глазного протезирования долгое время сдерживалось технологическими трудностями. Значительное время потребовалось для появления реальных разработок, способных обеспечивать «полезное зрение» — зрение, которое могло бы быть эффективно использовано человеком. По состоянию на 2019 год в мире насчитывалось около полусотни исследовательских проектов, посвящённых разработке зрительных протезов.

Типы имплантатов сетчатки

Эпиретинальная технология

Оболочка, выстилающая глазное дно, «сетчатка» имеет сложное многослойное строение. Характерной чертой сетчатки является необычное расположение фоточувствительных элементов: палочек и колбочек. Они ориентированы не в сторону входящего света, направленного к зрачку, а в противоположную сторону, к задней части глазного яблока. Свет, прежде чем попасть на рецепторы, проходит через все слои клеток и достигает пигментного эпителия, который отражает его обратно на светочувствительные элементы. Нервные волокна располагаются на внешней поверхности сетчатки, что порождает вопрос об оптимальном размещении стимулирующих электродов: под сетчаткой, вблизи рецепторов, или над ней, у нервных волокон. В зависимости от выбранного подхода, сформировались две отдельные технологии: эпиретинальная и субретинальная.

Эпиретинальный метод предполагает размещение электродов над сетчаткой для стимуляции ганглиозных клеток. Эти клетки, наряду с горизонтальными, биполярными и амакриновыми, выполняют функцию иерархического сжатия зрительной информации. В результате, информация, поступающая от 120 миллионов фоторецепторов, уменьшается в объёме в сто раз и передаётся 1,2 миллионам ганглиозных клеток, аксоны которых формируют зрительный нерв. Каждый из двух зрительных нервов содержит приблизительно 1,2 миллиона нервных волокон.

Плюсы:

• По сравнению с установкой имплантатов непосредственно в кору, неопасные возможные хирургические осложнения.
• По сравнению с установкой имплантатов непосредственно в кору, возможность использовать всю мощь обработки визуального сигнала мозгом.
• По сравнению с субретинальной технологией, простая установка группы электродов.

Недостатки:

• По сравнению с установкой имплантантов непосредственно в кору, сложный хирургический доступ к сетчатки.
• Стимуляция ганглиозных клеток, а не рецепторов усложняет фильтрацию и обработку сигнала.
• Сложное и ненадёжное (при резком повороте глаз) крепление электродов.
• Современные устройства не позволяют различать цвета.
• Низкая разрешающая способность.

Субретинальная технология

Субретинальный подход включает в себя внедрение электродов в область между пигментным эпителием и светочувствительными клетками. Поскольку при указанных патологиях сетчатки фоторецепторы (палочки и колбочки) утрачивают свою функцию, их стимуляция не имеет смысла. Следовательно, воздействие направлено на биполярные клетки. Несмотря на хирургическую сложность доступа к субретинальному пространству, установка и фиксация электродов представляется более простой задачей. В случае использования световой энергии для питания электродов, их размеры и размеры светочувствительных элементов могут быть значительно уменьшены, что позволяет достичь высокого уровня детализации изображения.

Доктор Даниэль Паланкер из Стэнфордского университета проводит исследования структур электродов для субретинальной стимуляции с высоким разрешением. Сокращение расстояния между электродом и стимулируемым объектом снижает потребность в энергии и увеличивает плотность размещения электродов на единицу площади. Однако, на некотором минимальном расстоянии возникают нежелательные эффекты, ограничивающие предельную детализацию матрицы электродов.

Плюсы:

• Теоретически высокая разрешающая способность.
• Возможность распознавать цвета.
• По сравнению с эпиретинальной технологией надёжное закрепление электродов.
• По сравнению с установкой имплантатов непосредственно в кору, неопасные возможные хирургические осложнения.
• По сравнению с установкой имплантатов непосредственно в кору, возможность использовать всю мощь обработки визуального сигнала мозгом.

Недостатки:

• Сложная операция и доступ к субретинальному пространству.
• Невозможность восстановить зрения при поражениях зрительного нерва.

Имплантаты зрительной зоны коры

Начиная с 1960-х годов, активно изучается возможность интеграции систем искусственного зрения в зону зрительной коры головного мозга. Фундаментальные работы в этой области были заложены ещё в начале XX века. Эксперименты Пенфилда и Расмуссена, связанные со стимуляцией различных участков коры, показали, что воздействие на зрительные области вызывает появление фосфенов, которые проецируются в коре в соответствии с координатами стимуляции на сетчатке. Такая организация зрительного восприятия открыла перспективы для стимуляции зрительной коры с целью формирования детерминированных зрительных образов.

Протез состоит из внешней камеры, блока обработки сигнала, матрицы электродов и системы беспроводной передачи данных и энергии. Нейростимулятор представляет собой матрицу микроэлектродов, изготовленных из биосовместимых материалов, таких как кремний или IrOx. Кремний предпочтителен из-за возможности интеграции микропроцессорных компонентов. Глубина имплантации электродов варьируется у разных исследовательских групп от 1.5 до 2 мм, а толщина игл составляет от 35 до 200 мкм. Электроды покрыты изоляционным материалом, чтобы обеспечить проводимость только на кончике. Для проводки используются золото или платина. В некоторых случаях вся конструкция крепится к титановой платформе, фиксируемой с внутренней стороны черепа.

Электроды должны обладать высокой остротой, тонкостью и прочностью. Ввиду вязкоупругих свойств мозга, имплантация электродов должна происходить с высокой скоростью (около одного м/с), чтобы избежать повреждения сосудов и деформации поверхности коры. Электроды имплантируются в первичную зрительную кору. Исследования профессора Норманна из Университета Юты на зрячих добровольцах показали, что для успешной ориентации в пространстве необходимо более 625 электродов. В настоящее время различные научные группы имплантируют в зрительную кору не более 300 электродов.

Плюсы:

• Единственный способ восстановить зрение у людей с функционально неработающими сетчаткой и зрительным нервом.
• Имплантант хорошо закреплён и защищён черепной коробкой от внешний воздействий.
• Простой хирургический доступ.
• Низкий порог стимуляции (от 1 до 10 мкА).
• Используемая архитектура может быть применена в других сенсорных зонах коры.

Недостатки:

• Сложная организация и проецирование изображения в область зрительной коры.
• Проблемы с восприятием цвета, движения.
• Социальное отторжение имплантатов в мозг.
• Существенные возможные осложнения.

Перспективы развития

Учитывая глобальную проблему нарушений зрения, особенно дегенеративных заболеваний сетчатки, таких как AMD и RP, имплантация сетчатки, или «бионический глаз», представляет собой крайне перспективное направление в офтальмологии. Будущее этой технологии связано с комплексным улучшением ключевых аспектов. Значительные усилия направлены на повышение разрешения и остроты зрения, достигаемого за счёт увеличения количества электродов в импланте и оптимизации их расположения для более детального воспроизведения изображения. Разрабатываются биосовместимые материалы нового поколения, обеспечивающие лучшую интеграцию имплантата с тканями глаза и снижение риска воспалительных реакций. Совершенствуются алгоритмы обработки и передачи визуальных сигналов от имплантата к зрительному нерву, возможно, с применением технологий искусственного интеллекта для повышения качества восприятия.

Не менее важными являются разработка менее инвазивных хирургических методов имплантации, переход на беспроводные системы питания и передачи данных для повышения надёжности и удобства использования, персонализация подхода к лечению с учётом индивидуальных особенностей пациентов, а также комбинирование имплантации сетчатки с другими передовыми методами, такими как генная и клеточная терапия. И, наконец, снижение стоимости имплантата и процедуры имплантации позволит сделать эту технологию доступной большему числу нуждающихся. Все эти направления развития обещают значительный прогресс в восстановлении зрения и улучшении качества жизни миллионов людей во всем мире.