Näthinneimplantat

Den aktuella versionen av sidan har ännu inte granskats av erfarna bidragsgivare och kan skilja sig väsentligt från versionen som granskades den 17 januari 2017; kontroller kräver 24 redigeringar .

Näthinneimplantat är  en klass av biomedicinsk teknologi som kan ersätta den mänskliga näthinnan i händelse av skada eller dysfunktion. Näthinneimplantat utvecklas för närvarande av ett antal privata företag och forskningsinstitut runt om i världen. Implantatet är avsett att delvis återställa användbar syn för personer som har förlorat synen på grund av degenerativa ögonsjukdomar , såsom retinitis pigmentosa eller makuladegeneration . Tre typer av retinala implantat är för närvarande i kliniska prövningar : epiretinala implantat (på näthinnan), subretinala implantat (bakom näthinnan) och suprakoroidala implantat (ovanför åderhinnan). Näthinneimplantat ger användaren möjligheten att se med låg upplösning genom elektrisk stimulering av de återstående näthinnans celler. Sådana bilder kan vara tillräckliga för att återställa vissa visuella förmågor såsom ljusuppfattning och objektigenkänning.

Argus II retinalimplantat nådde marknadsacceptans i USA i februari 2013 och i Europa i februari 2011, och blev det första godkända implantatet. Enheten kan hjälpa vuxna med retinitis pigmentosa som har förlorat förmågan att uppfatta former och rörelser att bli mer rörliga och utföra dagliga aktiviteter. Den subretinala enheten, känd som ett retinalimplantat , utvecklades ursprungligen i Tyskland. Den har genomfört multicenter kliniska prövningar i Europa och belönades med CE-märkningen 2013, vilket gör den till den första trådlösa subretinala enheten att få marknadsacceptans .

Historik

Förster var först med att upptäcka att elektrisk stimulering i occipital cortex kunde användas för att generera visuella uppfattningar, fosfener [1] . Den första implanterbara stimulatorn för att återställa synen utvecklades av Dr Brindley och Lewin 1968 [ 2 ] .  Detta experiment visade lönsamheten i att skapa visuella uppfattningar med direkt elektrisk stimulering, och detta ledde till utvecklingen av andra implanterbara enheter för att stimulera synvägen, inklusive retinala implantat [3] . Retinalstimuleringsanordningar har blivit föremål för forskning, eftersom ungefär hälften av alla fall av blindhet orsakas av skador på näthinnan [4] . Utvecklingen av retinala implantat har också delvis motiverats av framgången och framgången för cochleaimplantat , som har visat förmågan att återställa betydande sensorisk funktion med begränsad input [5] .  

Kandidater

Optimala kandidater för retinala implantat är retinala sjukdomar som retinitis pigmentosa eller åldersrelaterad makuladegeneration . Dessa sjukdomar leder till blindhet genom att påverka fotoreceptorcellerna i det yttre lagret av näthinnan, vilket lämnar de inre och mellersta lagren av näthinnan oförändrade [4] [6] [7] [8] [9] [10] . Som ett minimum måste en patient ha ett intakt ganglioncellskikt för att vara en kandidat för implantation. Detta kan upptäckas genom icke-invasiv användning av optisk koherenstomografi (OCT) [11] . Andra faktorer, inklusive mängden kvarvarande syn, beaktas också när man bestämmer kandidater för retinal implantation. Hos patienter med åldersrelaterad makuladegeneration, som kan ha intakt perifert seende, kan retinala implantat resultera i en hybridform av syn. I detta fall kommer implantatet att komplettera den återstående perifera synen till den centrala visuella informationen [12] .

Typer av retinala implantat

Det finns två huvudtyper av retinala implantat. Epiretinala implantat placeras på den inre ytan av näthinnan , medan subretinala implantat placeras mellan det yttre lagret av näthinnan och näthinnans pigmentepitel .

Epiretinala implantat

Designprinciper

Epiretinala implantat är placerade på den inre ytan av näthinnan och stimulerar direkt ganglieceller och går förbi alla andra lager av näthinnan. Epiretinala implantat består av en silikonplatta med en rad platinaelektroder placerade på det inre lagret av näthinnan. Arrayen är stabiliserad med mikronaglar, med lätt mekaniskt tryck från glaskroppen . Det epiretinala implantatet kräver en extern kamera för avbildning [12] . Kameran tar emot en bild av omgivningen, bearbetar bilden och överför information om bilden till den implanterade elektroduppsättningen via en trådlös telemetrikanal. En extern sändare krävs också för att ge kontinuerlig ström till implantatet med hjälp av RF-induktion eller infraröda lasrar. Den externa kameran och bildbehandlingschippet monteras vanligtvis på patientens glasögon [3] . Bildbehandling involverar nedskalning av bilden och omvandling av bilden till rumsliga och tidsmässiga stimuleringsmönster för att aktivera lämpliga retinala celler [4] [12] .

Fördelar

Epiretinala implantat har fördelen att de kringgår större delen av näthinnan , vilket stänger av gangliecellernas funktion i det inre lagret av näthinnan. Således kan epiretinala implantat ge visuell perception hos personer med retinala sjukdomar som sträcker sig utanför fotoreceptorskiktet . De flesta elektronik kan stödja externa komponenter som är associerade med det, vilket gör att storleken på implantatet kan minskas och enkla uppgraderingar kan göras utan ytterligare kirurgi [13] . Extern elektronik gör det också möjligt för läkaren att ha fullständig kontroll över bildbehandlingen och skräddarsy behandlingen till varje patient [3] . Dessutom tillåter den specifika platsen för epiretinala implantat att glaskroppen fungerar som kylfläns för implantatet [14] .

Nackdelar

Den största nackdelen med epiretinala implantat är behovet av en extern enhet, som kan vara besvärlig att bära. Den yttre kameran tvingar också motivet att röra på huvudet när han ändrar blickriktningen. implantat kan stimulera inte bara ganglionceller, utan även närliggande axoner, som kan vara kopplade till andra retinotopiska områden. Detta kan leda till något förvrängd mallstimulering, vilket måste korrigeras genom elektronisk bearbetning [4] . Dessutom kräver stimulering av ganglioncellskiktet mer sofistikerade bildbehandlingstekniker för att ta hänsyn till den konventionella bearbetningen som är förknippad med förbikopplade retinala skikt [3] . Medan ett epiretinalt implantat kan stabiliseras av glaskroppstrycket kan ytterligare mekanisk fixering med mikronaglar krävas [15] [16] .

Kliniska studier

Det första epiretinala implantatet, ARGUS, inkluderade en kiselskiva med en uppsättning av 16 platinaelektroder [12] . Fas I av den kliniska prövningen med ARGUS började 2002 med implantation av enheten hos sex deltagare. Alla patienter rapporterade en ökning i ljusstyrka och diskretisering av fosfener, vissa patienter visade en signifikant förbättring av synfunktionen över tid. Framtida versioner av ARGUS utvecklas för allt tätare arrayer av elektroder, vilket möjliggör förbättrad rumslig upplösning. Den senaste ARGUS II-enheten innehåller 60 elektroder, och en 200-elektroder är under utveckling av ögonläkare och ingenjörer vid USC Eye Institute [17] . ARGUS II fick marknadsföringsgodkännande i februari 2011 (CE-märkning som visar säkerhet och prestanda) och finns tillgänglig i Tyskland, Frankrike, Italien och Storbritannien. Interimsresultat från långtidsstudier på 30 patienter publicerades i Ophthalmology 2012 . Argus II fick USA:s FDA-godkännande den 14 april 2013. FDA Approval Boston Subretinal Implant Project har också utvecklat ett antal iterationer av funktionella epiretinala implantat och har fokuserat på analys av implantatets funktion. En annan epiretinal enhet, ett träningsbart retinalimplantat , har utvecklats av IIP technologies GmbH och har gått in i kliniska prövningar [12] . En fjärde epiretinal enhet, EPI-RET, har utvecklats och kliniska prövningar har påbörjats på sex patienter. EPI-RET innehåller 25 elektroder och kräver att linsen byts ut mot ett mottagarchip. Alla försökspersoner visade förmågan att skilja mellan olika rumsliga och tidsmässiga former av stimulering [18] .

Subretinala implantat

Designprinciper

Subretinala implantat är belägna på den yttre ytan av näthinnan , mellan fotoreceptorskiktet och näthinnepigmentepitelet , vilket direkt stimulerar retinala celler, beroende på konventionell bearbetning av de inre och mellersta skikten av näthinnan [3] . Att binda ett subretinalt implantat på denna plats är relativt enkelt, eftersom implantatet är mekaniskt begränsat av avståndet mellan det yttre lagret av näthinnan och näthinnans pigmentepitel. Det subretinala implantatet består av en kiselskiva innehållande fotokänsliga mikrofotodioder som genererar signaler direkt från inkommande ljus. Infallande ljus som passerar genom näthinnan genererar strömmar i mikrofotodioder, som direkt injicerar den resulterande strömmen i de underliggande retinala cellerna via en multielektroduppsättning . Strukturen hos mikrofotodioder aktiveras av infallande ljus, vilket stimulerar bipolära , horisontella , amakrina och gangliecelltyper , vilket resulterar i visuell uppfattning av den ursprungliga infallande bilden. I princip kräver subretinala implantat ingen extern utrustning utöver den implanterade mikrofotodiodgruppen. Vissa subretinala implantat kräver dock ström från en extern bildförstärkningskrets [4] .

Fördelar

Det subretinala implantatet har vissa fördelar jämfört med det epiretinala implantatet när det gäller enkel design. Förvärv av en ljusbild, dess bearbetning och stimulering utförs alla av mikrofotodioder installerade på ett enda chip, i motsats till ett epiretinalt implantat som kräver en extern kamera, ett bearbetningschip och implantation av flera elektroder [4] . Subretinal placering förenklar också saken genom att placera den stimulerande arrayen i omedelbar närhet av de skadade fotoreceptorerna [3] [12] . Genom att förlita sig på funktionerna hos de återstående skikten av näthinnan tillåter subretinala implantat normal intern bearbetning av näthinnan, inklusive förbättring, vilket leder till en minskning av den övergripande negativa reaktionströskeln [3] . Dessutom tillåter subretinala implantat blicken att flyttas genom normala ögonrörelser. Retinotopstimulering från subretinala implantat är initialt mer exakt, eftersom mönstret av infallande ljus på mikrofotodioder är en direkt bild. Subretinala implantat kräver minimal fixering eftersom det subretinala utrymmet är mekaniskt begränsat och det retinala pigmentepitelet skapar ett undertryck i det subretinala utrymmet [4] .

Nackdelar

Den största nackdelen med subretinala implantat är kravet att nivån av infallande ljus är tillräcklig för normal drift av mikrofotodioder. Således inkluderar subretinala implantat ofta en extern strömkälla för att förstärka effekten av det infallande ljuset [3] . Det subretinala utrymmets kompakta karaktär medför betydande begränsningar för implantatets storlek. Närheten mellan implantatet och näthinnan ökar också risken för termisk skada på näthinnan från värmen som genereras av implantatet [4] . Subretinala implantat kräver intakta inre och mellersta lager av näthinnan och är därför inte lämpliga för retinala sjukdomar som sträcker sig utanför det yttre lagret av fotoreceptorer. Dessutom kan förlusten av fotoreceptorer leda till bildandet av ett membran vid gränsen till skadade fotoreceptorer, vilket i sin tur kan störa stimuleringen och öka stimuleringströskeln [12] .

Kliniska studier

Optobionics var det första företaget som utvecklade subretinala implantatet och validerade det i kliniska prövningar. Initiala rapporter antydde att implantationsproceduren var säker, och alla försöksdeltagare noterade en mild förbättring av synfunktionen och en partiell återgång i ljusuppfattningen [19] . Den nuvarande versionen av denna enhet har implanterats i 10 patienter, som alla rapporterade en förbättring i uppfattningen av visuella detaljer, inklusive kontrast, form och rörelse [4] . Retina Implant AG i Tyskland har också utvecklat ett subretinalt implantat som har testats kliniskt på nio patienter. Experimenten sköts upp på grund av misslyckanden och misslyckanden [12] . Retina Implant AG-enheten innehåller 1500 mikrofotodioder, vilket möjliggör ökad rumslig upplösning, men kräver en extern strömkälla. Retina Implant AG rapporterade 12 månaders resultat från studien i Alpha IMS-studien i februari 2013 som visade att sex av nio patienter hade fel på enheten inom nio månader efter implantation, Proceedings of the Royal Society B och att fem av åtta försökspersoner rapporterade olika implantat -förmedlade visuella uppfattningar i vardagen. En hade skada på synnerven och uppfattade ingen stimulering. [20] . Resultaten av alla kliniska prövningar hittills visar att patienter som får subretinala implantat rapporterar fosfenperception, vissa får förmågan att utföra grundläggande visuella uppgifter som formigenkänning och rörelsedetektion [12] .

Rumslig upplösning

Kvaliteten på synen som förväntas av ett näthinneimplantat är till stor del baserad på implantatets maximala rumsliga upplösning. Nuvarande prototyper av retinala implantat är kapabla till bildpixelering med låg upplösning . De "state of the art" retinala implantaten inkluderar 60-100 kanaler, vilket är tillräckligt för objektigenkänning och dagliga aktiviteter. Men modellering av de resulterande pixlade bilderna tillåter oss inte att anta att alla implantatelektroder är i kontakt med den önskade retinala cellen. Det förväntas alltså att den rumsliga upplösningen i detta fall är ännu lägre, eftersom vissa av elektroderna kanske inte fungerar optimalt [3] . Lästester har visat att prestandan hos ett 60-kanals implantat är tillräcklig för att delvis återställa läsförmågan, men endast med en signifikant ökning av texten [21] . Liknande experiment som utvärderade graden av navigeringsförmåga hos pixlade bilder visade att 60 kanaler var tillräckliga för erfarna försökspersoner, medan 256 kanaler krävdes för oerfarna försökspersoner. Detta experiment visade därför inte bara funktionaliteten som lågupplöst visuell feedback, utan också förmågan att anpassa och förbättra över tid [22] . Dessa experiment är dock endast baserade på simuleringar av nedsatt syn hos normala försökspersoner och inte på kliniska prövningar av implanterade patienter. Antalet elektroder som krävs för avläsning eller rumsnavigering hos implanterade försökspersoner kan variera, och ytterligare tester bör utföras bland dessa patienter för att fastställa den erforderliga rumsliga upplösningen för specifika visuella uppgifter.

Simuleringsresultat visar att 600-1000 elektroder skulle krävas för att kunna utföra ett brett spektrum av uppgifter, inklusive läsning, ansiktsigenkänning och rumsnavigering [3] . Den befintliga rumsliga upplösningen av retinala implantat måste alltså ökas med en faktor 10, medan upplösningen för befintliga implantat är för låg för att återställa tillräckliga visuella funktioner för dessa uppgifter.

Nuvarande status och utvecklingsutsikter

Hittills har kliniska rapporter visat blandad framgång, där alla patienter rapporterar åtminstone en viss känsla av ljus från elektroderna, och en minoritet av ökad synfunktion, såsom identifiering av ljusa och mörka områden. Kliniska rapporter indikerar att även vid låg upplösning är retinala implantat potentiellt användbara för att ge en viss syn till personer som annars inte skulle ha någon [12] . Det är fortfarande oklart omfattningen av minskningen av synnivån vid användning av retinala implantat för att balansera riskerna förknippade med det kirurgiska ingreppet, särskilt för patienter med intakt perifert syn. Flera andra aspekter av retinala implantat bör övervägas i ytterligare studier, inklusive den långsiktiga stabiliteten av implantat och retinal neuroplasticitet under långtidsstimulering [4] .

Anteckningar

  1. ↑ O. Foerster. Beitrage zur Pathophysiologie der Sehbahn und der Sehsphare  (tyska)  // Journal fur Psychologie und Neurologie: magazin. - 1929. - Bd. 39 . - S. 463-485 .
  2. ↑ G. Brindley, W. Lewin. Känslan som produceras av elektrisk stimulering av den visuella cortex  //  Journal of Physiology : journal. - 1968. - Vol. 196 . - s. 479-493 .
  3. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 J. Weiland, T. Liu, M. Humayun. Näthinneprotes  (neopr.)  // Annual Review of Biomedical Engineering. - 2005. - T. 7 . - S. 361-401 . - doi : 10.1146/annurev.bioeng.7.060804.100435 .
  4. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 E. Zrenner. Kommer retinala implantat att återställa synen? (engelska)  // Vetenskap. - 2002. - Vol. 295 . - P. 1022-1025 . - doi : 10.1126/science.1067996 .
  5. ↑ F. Zeng. Trender inom cochleaimplantat. (engelska)  // Trends in Amplification : journal. - 2004. - Vol. 8 , nr. 1 . - S. 1-34 . - doi : 10.1177/108471380400800102 .
  6. ↑ J. Stone, W. Barlow, M. Humayun, E. deJuan Jr., A. Milam. Morfometrisk analys av makulära fotoreceptorer och ganglionceller i näthinnor med retinitis pigmentosa  (engelska)  // Archives of Ophthalmology : journal. - 1992. - Vol. 110 . - P. 1634-1639 . - doi : 10.1001/archopht.1992.01080230134038 .
  7. ↑ A. Santos, M. Humayun, E. deJuan Jr., R. Greenburg, M. Marsh, I. Klock, et. al. Bevarande av den inre näthinnan i retinitis pigmentosa: En morfometrisk analys  (engelska)  // Archives of Ophthalmology : journal. - 1997. - Vol. 115 . - s. 511-515 . - doi : 10.1001/archopht.1997.01100150513011 .
  8. ↑ M. Humayun. Morfometrisk analys av den extramakulära näthinnan från obduktionsögon med retinitis pigmentosa   // Undersökande oftalmologi och visuell vetenskap : journal. - 1999. - Vol. 40 . - S. 143-148 .
  9. ↑ S. Kim, S. Sadda, M. Humayun, E. deJuan Jr., B. Melia, W. Green. Morfometrisk analys av gula fläcken i ögon med geografisk atrofi på grund av åldersrelaterad makuladegeneration  (engelska)  // Retina : journal. - 2002. - Vol. 46 . - S. 4-10 .
  10. ↑ S. Kim, S. Sadda, J. Pearlman, M. Humayun, E. deJuan Jr., B. Melia, et. al. Morfometrisk analys av gula fläcken i ögon med disciform åldersrelaterad makuladegeneration  (engelska)  // Retina : journal. - 2002. - Vol. 47 . - S. 1-7 .
  11. ↑ T. Matsuo, N. Morimoto. Synskärpa och perimakulära retinala lager detekterade med optisk koherenstomografi hos patienter med retinitis pigmentosa   // Undersökande oftalmologi och visuell vetenskap : journal. - 2007. - Vol. 91 . - s. 888-890 . - doi : 10.1136/bjo.2007.114538 .
  12. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 G. Chader, J. Weiland, M. Humayun. Artificiell syn: behov, funktion och testning av en elektronisk retinalprotes  (engelska)  // Progress in Brain Research: journal. - 2009. - Vol. 175 . - P. 0079-6123 .
  13. ↑ W. Liu, K. Vichienchom, M. Clements, C. Demarco, C. Hughes, C. McGucken, et. al. Ett neurostimuluschip med telemetrienhet för näthinneprotesanordning  (engelska)  // IEEE Solid-State Circuits : journal. - 2000. - Vol. 35 , nr. 10 . - P. 1487-1497 . - doi : 10.1109/4.871327 .
  14. ↑ D. Piyathaisere, E. Margalit, S. Chen, J. Shyu, S. D'Anna, J. Weiland, et. al. Värmeeffekter på näthinnan  (neopr.)  // Oftalmisk kirurgi, laser och bildbehandling. - 2003. - T. 34 , nr 2 . - S. 114-120 .
  15. ↑ A. Majji, M. Humayun, J. Weiland, S. Suzuki, S. D'Anna, E. deJuan Jr. Långsiktiga histologiska och elektrofysiologiska resultat av en inaktiv epiretinal elektrod-arrayimplantation hos hundar  // Undersökande oftalmologi och visuell  vetenskap : journal. - 1999. - Vol. 40 , nej. 9 . - P. 2073-2081 .
  16. ↑ P. Walter, P. Szurman, M. Vobig, H. Berk, H. Ludtke-Handjery, H. Richter, et. al. Framgångsrik långtidsimplantation av elektriskt inaktiva epiretinala mikroelektroder i kaniner  (engelska)  // Retina : journal. - 1999. - Vol. 19 , nr. 6 . - s. 546-552 . - doi : 10.1097/00006982-199911000-00012 .
  17. ↑ M. Humayun, J. Weiland, G. Fujii, R. Greenberg, R. Williamson, J. Little, et. al. Visuell perception hos en blind person med en kronisk mikroelektronisk retinalprotes  (engelska)  // Vision Research : journal. - 2003. - Vol. 43 . - P. 2573-2581 . - doi : 10.1016/s0042-6989(03)00457-7 .
  18. ↑ S. Klauke, M. Goertz, S. Rein, D. Hoehl, U. Thomas, R. Eckhorn, F. Bremmer, T. Wachtler. Stimulering med ett trådlöst intraokulärt epiretinalt implantat framkallar visuella uppfattningar hos blinda människor  // Undersökande oftalmologi och visuell  vetenskap : journal. - 2011. - Vol. 52 , nr. 1 . - S. 449-455 . - doi : 10.1167/iovs.09-4410 .
  19. ↑ A. Chow, V. Chow, K. Packo, J. Pollack, G. Peyman, R. Schuchard.  Det konstgjorda silikonnäthinnan mikrochip för behandling av synförlust från retinitis pigmentosa  // Archives of Ophthalmology : journal. - 2004. - Vol. 122 . - P. 1156-1157 .
  20. ↑ J. Rizzo III, J. Wyatt Jr., J. Lowenstein, S. Kelly, D. Shire. Perceptuell effekt av elektrisk stimulering av mänsklig näthinna med mikroelektroduppsättning under kortvariga kirurgiska försök  // Undersökande  oftalmologi och visuell vetenskap : journal. - 2003. - Vol. 44 . - P. 5362-5369 . - doi : 10.1167/iovs.02-0817 .
  21. ↑ A. Fornos, J. Sommerhalder, M. Pelizzone. Läsning med ett simulerat 60-kanals implantat  (neopr.)  // Frontiers in Neuroscience. - 2011. - T. 5:57 Epub 2011 2 maj .
  22. ↑ G. Dagnelie, P. Keane, V. Narla, L. Yang, J. Weiland, M. Humayun. Verklig och virtuell mobilitetsprestanda i simulerad protetisk syn  (engelska)  // Journal of Neural Engineering : journal. - 2007. - Vol. 4 , nr. 1 . - P. S92-101 . - doi : 10.1088/1741-2560/4/1/s11 .
  Gå till Wikidata-objektet  Ordböcker och uppslagsverk