0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Что собой представляет искусственная сетчатка

Искусственное зрение

Врачи впервые имплантировали человеку искусственную сетчатку на основе кремниевых микросхем.

Искусственное зрение все больше становится реальностью как в науке, так и медицине — сочинители фантастических романов о таком и не помышляли. Летом прошлого года первые изготовленные из кремния искусственные сетчатки были имплантированы трем слепым пациентам. Все трое страдали почти полной потерей зрения, вызванной retinitis pigmentosa (RP), — болезнью глаз, повреждающей ночное и периферийное зрение. Они выписались из больницы на следующий после операции день.

Имплантант ASR в подсетчаточной области (а) и солнечные элементы на имплантированной микросхеме (б) под увеличением

Изобрели искусственную кремниевую сетчатку (ASR, от artificial silicon retina) основатели компании Optobionics братья Винсент и Алан Чоу. ASR представляет собой микросхему диаметром 2 мм и толщиной меньше человеческого волоса. На кремниевой пластине размещается порядка 3500 микроскопических солнечных элементов, которые преобразуют свет в электрические импульсы.

Микросхема, созданная для замены поврежденных фоторецепторов — светочувствительных элементов глаза, преобразующих в здоровом глазу свет в электрический сигналы, — работает от внешнего света, у нее нет батареек или проводов. Искусственная кремниевая сетчатка хирургическим способом имплантируется под сетчаткой пациента, в так называемом подсетчаточном пространстве, и генерирует визуальные сигналы, сходные с сигналами, производимыми биологическим фоторецепторным слоем.

В действительности ASR работает с фоторецепторами, еще не утратившими возможность функционировать. «Если микросхема сможет с ними взаимодействовать в течение некоторого продолжительного времени, значит, мы движемся к цели верной дорогой», — уверен Алан Чоу.

Люди, страдающие retinitis pigmentosa, постепенно утрачивают фоторецепторы. Вообще же это собирательное название многих заболеваний глаз, в результате которых происходит разрушение фоторецепторного слоя.

Возрастное возникновение пятен на роговице (AMD, от age-related macular degeneration), по мнению братьев Чоу, также поддается коррекции с помощью искусственной кремниевой сетчатки. Пятна на роговице являются следствием старения организма, но точная причина пока не известна. От подобных болезней страдают более 30 млн. населения планеты, они часто приводят к неизлечимой слепоте.

На сегодняшний день ASR не в состоянии справиться с глаукомой, связанной с повреждением нерва, и не помогает при диабете, приводящем к появлению рубцов на сетчатке. Бессильна искусственная сетчатка при сотрясениях и других мозговых травмах.

«Сейчас мы пытаемся понять, куда двигаться дальше, — рассказывают о своих планах братья Чоу. — Как только удастся определиться, можно будет поэкспериментировать с изменением параметров».

Искусственная сетчатка преобразует свет в импульсы, которые, по замыслу изобретателей, пойдут по оптическому нерву в мозг

Естественное и искусственное зрение

Процесс «видения» можно сравнить с работой фотокамеры. В фотокамере световые лучи проходят через набор линз, фокусирующих изображение на пленке. В здоровом глазу лучи света проходят через роговицу и хрусталик, который фокусирует изображение на сетчатке, представляющей собой слой светочувствительных элементов, выстилающих заднюю поверхность глаза.

Пятно (macula) — это область сетчатки, получающая и обрабатывающая детальные изображения и посылающая их в мозг по зрительному нерву. Многослойное пятно обеспечивает изображениям, которые мы видим, высочайшую степень разрешения. Повреждено пятно — ухудшается зрение. Что делать в этом случае? Вводить ASR.

Тысячи микроскопических элементов ASR подсоединены к электроду, преобразующему входящие световые изображения в импульсы. Эти элементы стимулируют работу оставшихся работоспособных элементов сетчатки и вырабатывают визуальные сигналы, сходные с сигналами, генерируемыми здоровым глазом. «Искусственные» сигналы могут быть затем обработаны и посланы по зрительному нерву в мозг.

В экспериментах с животными в 80-х годах братья Чоу стимулировали ASR инфракрасным светом и регистрировали отклик сетчатки. Но животные, к сожалению, не могут говорить, поэтому неизвестно, что же, в сущности, происходило.

Более существенные результаты

Около трех лет назад братья собрали достаточное количество данных для того, чтобы обратиться в Управление питания и лекарственных препаратов за разрешением на проведение клинических экспериментов с участием человека. В качестве кандидатов были выбраны три пациента в возрасте от 45 до 75 лет, долгое время страдавших сетчаточной слепотой.

«Мы отобрали людей с наиболее серьезными нарушениями, так что если им удастся хоть что-то увидеть, результаты будут самыми обнадеживающими, — рассказал об эксперименте Алан Чоу. — Нам хотелось начать как можно скорее, мы тревожились только по поводу слишком поспешных выводов, которые могут быть сделаны в результате экспериментов».

Создатели искусственной сетчатки подчеркивают, что в настоящий момент их устройство не в состоянии помочь пациентам видеть так, как делают это здоровые люди.

«Можно будет говорить о блестящем результате, если плотность элементов окажется достаточной, чтобы пациенты могли видеть движущиеся объекты. В идеале им нужно различать формы и очертания предметов», — говорит Ларри Бланкеншип, управляющий директор компании Optobionics.

Отторжения имплантанта изобретатели не боятся. «Как только искусственная сетчатка имплантирована, вокруг нее образуется вакуум, это вполне предсказуемо», — считают Чоу. Уже можно утверждать, что искусственная кремниевая сетчатка — монументальное научное достижение, которое поможет навсегда избавиться от угрозы некоторых форм слепоты.

Читать еще:  Строение глаза человека анатомия глазного яблока

Поделитесь материалом с коллегами и друзьями

Создание искусственной сетчатки глаза человека

Формирование сигнала фоторецепторов

  • RPEРПЕ, Ретинальный пигментный эпителий сетчатки глаза
  • OS — Наружный сегмент экстерорецепторов
  • IS — Внутренний сегмент фоторецепторов
  • ONL — Внешний зернистый слой — Внешний ядерный слой
  • OPL — Внешний сплетениевидный слой сетчатки глаза
  • INL — Внутренний ядерный слой
  • IPL — Внутренний сплетениевидный слой сетчатки глаза
  • GC — Ганглионарный слой
  • BM — мембрана Бруха
  • P — Пигментные эпителиоциты
  • C — Колбочки сетчатки глаза
  • R — Палочки сетчатки глаза
  • H — Горизонтальные клетки сетчатки глаза
  • Bi — Биполярные клетки сетчатки глаза
  • M — Клетки Мюллера
  • A — Амакриновые клетки
  • G — Ганглиозные клетки ipRGC
  • Ax — Аксоны

Создание искусственной сетчатки глаза человека — в результате 72 дней эксперимента создания перепрограммированных iPS-клеток (см. рис.1., Фиг. Ф), где слои фоторецепторов (красный цвет), нейронов (синий) и ганглиозных клеток (зелёный) аналогичны тем, которые формируются в настоящей сетчатке в процессе её развития. [3]

[править] Введение

Исследователи из американской компании «Клеточная Динамика International» и Университета Висконсина вырастили относительно зрелую сетчатку глаза, воспользовавшись в качестве исходного материала лимфоцитами (или циркулирующими стволовыми клетками крови) и клетками кожи, взятыми от донора человека. Эта биомедицинская технология имеет большие перспективы, ибо она исключает проблему тканевой несовместимости при трансплантации донорского материала реципиенту. В перспективе пациенту из его же клеток вырастят часть глаза, которая пока в теории способна будет заменить поврежденную. Фактически пересадка сведется к аутотрансплантации. Сначала полученные клетки в лабораторных условиях перепрограммировали, превратив в так называемые индуцированные плюрипотентные стволовые клетки (iPScells), а затем в специальной среде внутри биореактора, под воздействием факторов дифференцировки в iPS клетках запустилась генетическую программу развития рецепторного аппарата глаза, и бесформенная масса клеток образовала органотипичную структуру — несколько слоёв сетчатки. Во внешнем слое клетки превратились в фоторецепторы, в среднем и внутреннем — в нейроны сетчатки и ганглиозные клетки соответственно. Важным открытием стала способность этой разновидности стволовых клеток в управляемых учеными условиях не только делиться и увеличивать свое количество, но и вступать в эффективные взаимодействия, новообразованные нейроны оказались способны отращивать аксоны, дендриты и формировать синапсы, с помощью которых клетки смогли начать процесс обмена информацией. [4]

Содержание

[править] История

Фред Гейдж (Fred Gage), руководитель Лаборатории генетики Института Салка обнаружил, что если из мозга подопытной крысы извлечь стволовые клетки и пересадить их в нормальный здоровый глаз, то с с ними ничего происходить не будет. Но, если кусочек мозговой ткани, содержащий стволовые клетки, пересадить в разрушенную сетчатку глаза крысы, то судьба пересаженных клеток меняется. Гейдж предположил, что пересаженные стволовые клетки головного мозга начинают превращаться в нейроны сетчатки, причем эти нейроны активно выпускают отростки — аксоны, которые врастают в зрительный нерв и начинают передавать зрительный сигнал в мозг. Возможно, что при повреждении сетчатки глаза вырабатываются какие-то биологически активные вещества (возможно факторы роста), которые стимулируют нейрогенез сетчатки. Тем не менее точный механизм обнаруженного явления Гейдж не смог обьяснить.

Доктор Г. П. Лопашев, эмбриолог, доктор биологических наук, профессор Института биологии гена РАН сумел объяснить, как регенерирует сетчатка в подобных условиях эксперимента на 50 лет раньше исследований Фреда Гейджа на другой аналогичной экспериментальной модели.

Известно, что у взрослых лягушек сетчатка глаза не способна самостоятельно регенерировать клетки после любого значительного повреждения. Пигментный эпителий глаза не способен к пролиферации (разрастание ткани организма путём размножения клеток делением), а без сетчатки этот эпителий не может участвовать в ее восстановлении. Однако, если в эксперименте удалить сетчатку, и при этом оставить слой пигментного эпителия неповрежденным, то после аллогенной трансплантации (описания трансплантата, полученного от донора того же биологического вида, что и реципиент) в место дефекта тканей глаза мелкого кусочка сетчатки, забранного у головастика, пигментный эпителий активируется, дедифференцируется и превращается в новую сетчатку, которая полностью восстанавливает зрительную функцию глаза. При этом сама пересаженная чужая нервная ткань в регенерации не участвует и удаляется организмом (рассасывается) из глаза. Этот пример регенерации — частный случаем открытого русским профессором Л. В. Полежаевым способа регенерации путем индукции.

Протезирование сетчатки. Искусственная сетчатка

2016. В Японии пациентке вернули зрение с помощью искусственной сетчатки


Группа ученых под руководством Масайо Такахаси (на фото) из Института RIKEN (Япония) смогла вырастить полноценную сетчатку, используя перепрограммированные стволовые клетки, созданные из клеток кожи. Затем они пересадили небольшой фрагмент пигментного эпителия, выращенного из стволовых клеток, в глаза женщины, практически ослепшей из-за старческой макулодистрофии сетчатки. Это произошло еще 2 года назад, однако ученые не сообщали о его проведении из-за того, что не были уверены, приживется ли новая сетчатка и как долго проживут ее клетки внутри глаза пожилой дамы. На днях они представили результат: пересаженный пигментный эпителий живет нормально и нет никаких следов отторжения этой сетчатки или, наоборот, ее дальнейшего роста в другие области глаза.

Читать еще:  Что может повлиять на срок реабилитации

2015. Очки Argus II вернули зрение человеку с возрастной слепотой

Одна из самых частых причин слепоты у пожилых людей — возрастная макулодистрофия сетчатки. Именно такой диагноз поставили 80-летнему Рэю Флинну в Королевском госпитале Манчестера. Он полностью лишился центрального зрения и мог ориентироваться только на периферическое. Однако, врачи вернули ему способность видеть с помощью бионических очков Argus II (американской компании Second Sight). В очки встроена миниатюрная видеокамера, изображение с которой преобразуется в электрические импульсы и передается к матрице электродов, имплантированной в сетчатку глаза, а затем оно отправляется в мозг. Хотя мы рассказывали о протезе Argus II еще 2 года назад, Рэй стал лишь вторым пациентом, которому его установили, и первым с возрастной макулодистрофией.

2015. Новый протез сетчатки увеличит разрешение картинки в 5 раз

Исследователи медицинской школы Стэндфордского университета совместно с французской компанией Pixium Vision, разработали новую искусственную сетчатку, которая позволит восстанавливать зрение у слепых людей, и имеет разрешение в 5 раз лучше, чем у существующих аналогов. 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. Новый имплантант выигрывает благодаря своему малому размеру, модульному исполнению и отсутствию проводов, что обеспечивает возможность применения минимально инвазивных хирургических вмешательств. Клинические испытания этой искусственной сетчатки начнутся в следующем году.

2014. Ученые вырастили сетчатку глаза из стволовых клеток


В конце прошлого года британские ученые из Кембриджа смогли распечатать искусственные клетки сетчатки глаза на биопринтере. Американские ученые из Университета Джона Хопкинса тоже решили не отставать. У них, к сожалению, не было биопринтера, а была только чашка Петри. Но им и ее хватило. Они взяли у пациента зрелые клетки кожи и ***

2013. Британские ученые распечатали на биопринтере клетки сетчатки глаза


Сетчатка – это внутренняя оболочка глаза, которая содержит фоторецепторные клетки. Именно они преобразуют видимый свет в нервные импульсы. И именно дистрофические заболевания сетчатки (возникающие в результате травм, инфекций и старения) являются основной причиной утраты зрения. Суперсовременные глазные протезы предполагают имплантацию пластинки с фотодиодами вместо сетчатки, но намного красивее было бы восстанавливать клетки сетчатки или заменять их. Трансплантация сетчатки пока остается за гранью реальности по причине сложности организации такой пересадки. Ну, вы сами понимаете, что найти живого донора, который хочет ослепнуть или сохранить сетчатку от трупного донора — это непростые задачи. Поэтому, врачам просто не на чем было тренироваться. Теперь — будет на чем. Биотехнологи из Центра Джона ван Гиста университета Кембриджа сумели распечатать слой светочувствительных клеток сетчатки на биопринтере. ***

2013. Глазной имплантант для слепых Retina Implant сертифицирован в Европе


Наконец-то люди, утратившие зрение в результате дегенеративной болезни сетчатки получили возможность снова видеть и не выглядеть при этом как терминатор. Немецкий имплантант сетчатки Retina Implant, который проходил клинические испытания с 2005 года, сегодня был разрешен к установке Еврокомиссией. До сих пор единственным сертифицированным глазным имплантантом в мире был американский Argus II, но он предполагает ношение громоздких очков с видеокамерой для искусственного зрения. В отличии от него, Retina Implant работает на естественном свете, поступающем в глаз через зрачок. Так что, окружающие могут даже не заметить, что перед ними человек с бионическим зрением. Правда, для питания Retina Implant требуется вживлять под кожу головы систему, подобную как у кохлеарного имплантанта. О том, как работает Retina Implant — мы рассказывали ранее.

2013. Глазные имплантанты с питанием от инфракрасного света

Больше 2 лет назад мы писали о проекте Nano Retina, который обещал вернуть зрение слепым за счет имплантанта сетчатки, который бы питался энергией от инфракрасного излучения очков. Но до сих пор этот прототип не вышел даже на стадию клинических испытаний. Тем временем, американские ученые из Стэнфордского университета уже успешно испытали подобную технологию на крысах. Они имплантировали в глаз (под сетчатку) пластину с десятками светодиодов (пикселей). При попадании инфракрасного импульса на светодиод, он генерирует слабый ток и передает его на нейрон сетчатки. Откуда берутся эти инфракрасные импульсы? Пациент должен носить специальные очки. В очах встроена видеокамера и ультракрасный излучатель. Видеосигнал с камеры преобразуется в ультракрасное излучение, которое через зрачок передается на имплантант. Смотрите видео

2011. Nano Retina — глазной имплантант с высокой четкостью изображения

В прошлом году мы рассказывали о немецких имплантантах для восстановления зрения Retina Implant AG. Но то, что предлагает Nano Retina — на голову выше. Nano Retina — это совместный проект израильской компании Rainbow Medical, американской Zyvex Labs и швейцарского центра микротехнологий CSEM. Как и в случае с немецким имплантантом — в сетчатку глаза встраивается пластинка с фотодиодами и электродами. Говорят, что это малоинвазивная операция, которая длится всего 30 минут. Электроды передают сигналы на биполярные клетки сетчатки, а от них — на зрительный нерв. Количество электродов 24×24 в первом поколении, и будет увеличено до 72×72 во втором (в немецком протезе 38×40). Такое высокое разрешение уже позволит человеку различать лица. Но самое чудесное — это питание протеза. Источником энергии служат специальные очки, которые выглядят, как обычные, но имеют встроенный инфракрасный лазер, который передает энергию на протез через зрачок. Остается только ждать успешных клинических испытаний и сертификации.

Читать еще:  Способы измерения внутриглазного давления

Создание искусственной сетчатки глаза человека

Формирование сигнала фоторецепторов

  • RPEРПЕ, Ретинальный пигментный эпителий сетчатки глаза
  • OS — Наружный сегмент экстерорецепторов
  • IS — Внутренний сегмент фоторецепторов
  • ONL — Внешний зернистый слой — Внешний ядерный слой
  • OPL — Внешний сплетениевидный слой сетчатки глаза
  • INL — Внутренний ядерный слой
  • IPL — Внутренний сплетениевидный слой сетчатки глаза
  • GC — Ганглионарный слой
  • BM — мембрана Бруха
  • P — Пигментные эпителиоциты
  • C — Колбочки сетчатки глаза
  • R — Палочки сетчатки глаза
  • H — Горизонтальные клетки сетчатки глаза
  • Bi — Биполярные клетки сетчатки глаза
  • M — Клетки Мюллера
  • A — Амакриновые клетки
  • G — Ганглиозные клетки ipRGC
  • Ax — Аксоны

Создание искусственной сетчатки глаза человека — в результате 72 дней эксперимента создания перепрограммированных iPS-клеток (см. рис.1., Фиг. Ф), где слои фоторецепторов (красный цвет), нейронов (синий) и ганглиозных клеток (зелёный) аналогичны тем, которые формируются в настоящей сетчатке в процессе её развития. [3]

[править] Введение

Исследователи из американской компании «Клеточная Динамика International» и Университета Висконсина вырастили относительно зрелую сетчатку глаза, воспользовавшись в качестве исходного материала лимфоцитами (или циркулирующими стволовыми клетками крови) и клетками кожи, взятыми от донора человека. Эта биомедицинская технология имеет большие перспективы, ибо она исключает проблему тканевой несовместимости при трансплантации донорского материала реципиенту. В перспективе пациенту из его же клеток вырастят часть глаза, которая пока в теории способна будет заменить поврежденную. Фактически пересадка сведется к аутотрансплантации. Сначала полученные клетки в лабораторных условиях перепрограммировали, превратив в так называемые индуцированные плюрипотентные стволовые клетки (iPScells), а затем в специальной среде внутри биореактора, под воздействием факторов дифференцировки в iPS клетках запустилась генетическую программу развития рецепторного аппарата глаза, и бесформенная масса клеток образовала органотипичную структуру — несколько слоёв сетчатки. Во внешнем слое клетки превратились в фоторецепторы, в среднем и внутреннем — в нейроны сетчатки и ганглиозные клетки соответственно. Важным открытием стала способность этой разновидности стволовых клеток в управляемых учеными условиях не только делиться и увеличивать свое количество, но и вступать в эффективные взаимодействия, новообразованные нейроны оказались способны отращивать аксоны, дендриты и формировать синапсы, с помощью которых клетки смогли начать процесс обмена информацией. [4]

Содержание

[править] История

Фред Гейдж (Fred Gage), руководитель Лаборатории генетики Института Салка обнаружил, что если из мозга подопытной крысы извлечь стволовые клетки и пересадить их в нормальный здоровый глаз, то с с ними ничего происходить не будет. Но, если кусочек мозговой ткани, содержащий стволовые клетки, пересадить в разрушенную сетчатку глаза крысы, то судьба пересаженных клеток меняется. Гейдж предположил, что пересаженные стволовые клетки головного мозга начинают превращаться в нейроны сетчатки, причем эти нейроны активно выпускают отростки — аксоны, которые врастают в зрительный нерв и начинают передавать зрительный сигнал в мозг. Возможно, что при повреждении сетчатки глаза вырабатываются какие-то биологически активные вещества (возможно факторы роста), которые стимулируют нейрогенез сетчатки. Тем не менее точный механизм обнаруженного явления Гейдж не смог обьяснить.

Доктор Г. П. Лопашев, эмбриолог, доктор биологических наук, профессор Института биологии гена РАН сумел объяснить, как регенерирует сетчатка в подобных условиях эксперимента на 50 лет раньше исследований Фреда Гейджа на другой аналогичной экспериментальной модели.

Известно, что у взрослых лягушек сетчатка глаза не способна самостоятельно регенерировать клетки после любого значительного повреждения. Пигментный эпителий глаза не способен к пролиферации (разрастание ткани организма путём размножения клеток делением), а без сетчатки этот эпителий не может участвовать в ее восстановлении. Однако, если в эксперименте удалить сетчатку, и при этом оставить слой пигментного эпителия неповрежденным, то после аллогенной трансплантации (описания трансплантата, полученного от донора того же биологического вида, что и реципиент) в место дефекта тканей глаза мелкого кусочка сетчатки, забранного у головастика, пигментный эпителий активируется, дедифференцируется и превращается в новую сетчатку, которая полностью восстанавливает зрительную функцию глаза. При этом сама пересаженная чужая нервная ткань в регенерации не участвует и удаляется организмом (рассасывается) из глаза. Этот пример регенерации — частный случаем открытого русским профессором Л. В. Полежаевым способа регенерации путем индукции.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector