Штучна сітківка ока. Штучна сітківка із графена поверне зір мільйонам. Як виглядають магнітні хвилі

22/08/2018, 14:47 1.6kПереглядів 293 Подобається

credit: Natalia Hutanu / TUM
Вчені не просто так називають графен «суперматеріалом». Незважаючи на те, що він складається з лише одного шару атомів вуглецю, це дуже сильний, супер гнучкий і надлегкий матеріал, який також проводить електрику та біодеградує. Нещодавно міжнародна команда дослідників знайшла спосіб використати графен для створення штучної сітківкиочі. Сітківка є шаром світлочутливих клітин у внутрішній оболонці ока, відповідальні за перетворення зображення (електромагнітне випромінювання видимої частини спектру) в нервові імпульси, які мозок може інтерпретувати. І якщо цей тонкий шар клітин не функціонує, людина просто нічого не бачить.

В даний час мільйони людей по всьому світу страждають від захворювань сітківки, які позбавляють їхнього зору. Щоб допомогти їм знову побачити, вчені кілька років тому розробили штучну сітківку. Однак усі існуючі рішення складно назвати ідеальними, оскільки імплантати жорсткі та плоскі, тому зображення, яке вони виробляють, часто виглядає розмитим та спотвореним. І хоча імплантати досить тендітні, вони також можуть пошкодити прилеглі тканини ока.

Тому графен з усіма його унікальними властивостями може стати ключем до створення кращої штучної сітківки. Використовуючи поєднання графену, дисульфіду молібдену (інший двовимірний матеріал), золота, оксиду алюмінію та нітрату кремнію, дослідники з Техаського університету та Сеульського національного університету створили штучну сітківку, яка функціонує набагато краще, ніж усі існуючі моделі. Грунтуючись на лабораторних дослідженнях та тестах на тваринах, вчені визначили, що їх штучна сітківка з графенує біосумісною та здатною імітувати функції людського ока. Крім цього, вона найкраще відповідає розмірам природної сітківки людського ока.

Американські вчені вивчали нейронний код клітин сітківки у мишей. В результаті було отримано дані, які використовували при створенні штучного ока. Цей пристрій може потенційно відновити зору сліпим мишам. Інші вчені так само вивчали код сітківки у мавп. Виявилося, що структура та нейронна активність її багато в чому схожа на людську. Автори цих робіт вважають, що ці дослідження допоможуть створити пристрій, який після тестування допоможе сліпим людям знову набути зору.

За задумом дослідників, штучна сітківка допоможе бачити не тільки контури предметів, але здатна навіть відновити зорову функцію в повному обсязі. Тобто раніше сліпий пацієнт зможе розрізняти дрібні деталі, наприклад, риси особи співрозмовника. В даний час дослідження знаходиться на стадії апробації на тварин, які можуть розрізняти предмети, що рухаються.

Основним завданням вчених на цьому етапі є створення окулярів або пристрою у вигляді обруча, за допомогою яких зовнішнє світло збиратиметься і перетворюватиметься на специфічний електронний код. Далі цей код у центральних структурах мозку трансформуватиметься у зображення.

Захворювання сітківки стоять першому місці серед причин сліпоти. Однак, навіть при пошкодженні всіх фоторецепторних клітин, зоровий нерв зазвичай не ушкоджується, тобто збережений вихідний нервовий шлях очного яблука. Сучасні протези застосовують цей факт. При цьому в око сліпої людини імплантують спеціальні електроди. Вони стимулюють гангліозні нервові клітини. Але при цьому можна отримати лише розпливчасту картинку, тобто людина сприймає контури предметів.

Ще одним альтернативним методом лікування сліпоти є стимуляція клітин за допомогою світлочутливих білків. Їх вводять у сітківку очного яблука із застосуванням методів генної терапії. При попаданні в сітківки ці білки стимулюють одночасно велику кількість гангліозних клітин.

Однак, для формування чіткого зображення, необхідно встановити код сітківки, тобто шлях перетворення світла в електричний імпульс, який використовує природа. А якщо ні, то сформовані імпульси будуть незрозумілі нейронам мозку і побудова чіткого зображення стане неможливим.

Спочатку вчені намагалися отримати цей код, використовуючи прості предмети, до яких належать, наприклад, геометричні фігури. Доктор неврології Шейла Ніренберг припустила, що код сітківки має бути однотипним як побудови простих геометричних фігур, так створення більш складних картин (людські обличчя, пейзажі). Під час роботи з цієї теорією Ш. Ніренберг зрозуміла, що гіпотеза однотипності підходить для протезування сітківки. Вона провела простий експеримент, під час якого міні-проектор, яким керував розшифрований код, надсилав електричні імпульси в гангліозні клітини мишей. У ці клітини за допомогою методик генної інженерії попередньо були вбудовані світлочутливі білки.

При аналізі результатів, отриманих у серії експериментів, було встановлено, що якість зору миші, якою був імплантований цей проектор, нічим не відрізняється від зорової функції здорового гризуна.

Ця інноваційна технологія дає надію величезній кількості пацієнтів із порушенням зору. У зв'язку з тим, що лікарська терапія допомагає лише невеликій частині осліплих людей, протез сітківки буде дуже затребуваний у клінічній практиці.

МОСКВА, 13 травня – РІА Новини.Американські біотехнологи створили прототип штучної сітківки ока, який не потребує системи живлення, та працює на енергії інфрачервоного випромінювання, йдеться у статті, опублікованій у журналі Nature Photonics.

На сьогоднішній день вчені в усьому світі розробляють кілька видів імплантатів, теоретично здатних повернути зір, загублений внаслідок дегенеративних хвороб чи подій. В одних випадках біологи експериментують із стовбуровими клітинами або окремими клітинами сітківки, в інших – фізики та біотехнологи намагаються пристосувати різні електронні прилади до роботи з мозком людини та тварин. Але досі в жодному дослідженні не було досягнуто суттєвих успіхів.

Кібер-око

Група вчених під керівництвом Джеймса Лаудіна (James Loudin) зі Стенфордського університету (США) розробила новий тип електронної сітківки ока, придатної для отримання зображення високої чіткості та не потребує зовнішнього джерела живлення - основної перешкоди на шляху розвитку подібних технологій.

"Наш винахід працює приблизно так само, як сонячні батареї на даху будинку, перетворюючи світло на електричні імпульси. Однак у нашому випадку електрика живить не "холодильник", а прямує в сітківку як сигнал", - пояснив один з учасників групи Деніел Паланкер ( Daniel Palanker).

Штучна сітківка ока Лаудіна та його колег є набір з безлічі мікроскопічних одиничних кремнієвих пластинок, що поєднують у собі світлочутливий елемент, генератор електрики, а також деякі інші елементи. Для цієї сітківки необхідні спеціальні окуляри з вбудованою відеокамерою і кишеньковий комп'ютер, що обробляє зображення.

Цей пристрій працює таким чином: камера в окулярах безперервно перетворює світло на порції електронних імпульсів. Кожен "кадр" обробляється на комп'ютері, ділиться на дві половинки - для правого та лівого ока та передається в інфрачервоні випромінювачі на звороті лінз окулярів. Окуляри випускають короткі імпульси інфрачервоного випромінювання, яке активує фотодатчики на сітківці ока і змушує їх передавати електричні імпульси, що кодують картинку, оптичні нейрони.

"Сучасні імплантати дуже громіздкі, і операції зі вставлення всіх необхідних компонентів у око неймовірно складні. У нашому випадку хірург повинен зробити лише один невеликий надріз на сітківці та занурити під неї фоточутливий компонент пристрою", - продовжив Паланкер.

Інфрачервоне прозріння

За словами вчених, використання інфрачервоного світла для передачі інформації має дві ключові переваги. По-перше, він дозволяє нарощувати потужність імпульсу до дуже високих значень, не викликаючи біль у живих клітинах сітківки, оскільки світлочутливі клітини не реагують на інфрачервоне випромінювання. По-друге, висока потужність випромінювання покращує чіткість зображення у випадках, коли нейрони під сітківкою сильно пошкоджені чи слабко реагують на електричні імпульси.

Вчені перевірили роботу свого винаходу на сітківках ока та нервової тканини, взятих у зрячих та у сліпих щурів. У цьому експерименті вони прикріплювали фотоелементи до невеликих шматочків сітківки, підключали електроди до прилеглих до неї нейронів і стежили, чи починають вони випускати імпульси при опроміненні видимим та інфрачервоним світлом.

Німецькі вчені розробили штучну сітківку ока, що імплантується.

В експерименті вона частково повернула трьом пацієнтам, які засліпли внаслідок спадкової дистрофії сітківки, пише The Daily Telegraph.

Попередні пристрої з подібним призначенням були камерою і процесором, які потрібно носити на кшталт окулярів. Біонічний імплантат, розроблений фірмою Retinal Implant AG спільно з Інститутом офтальмологічних досліджень при Університеті Тюбінгена, імплантується прямо під сітківку і використовує оптичний апарат ока. Таким чином, він є безпосередньою заміною втрачених світлових рецепторів.

Отримуване за допомогою біонічної сітківки чорно-біле зображення стабільне і відповідає рухам очного яблука.

Троє пацієнтів, які взяли участь у випробуваннях приладу, за кілька днів після операції змогли розрізняти форми об'єктів. В одного з них зір покращився настільки, що він почав вільно ходити по приміщенню, підходити до людей, бачити стрілки годинника і розрізняти сім відтінків сірого кольору.

За словами професора Еберхарта Цреннера (Eberhart Zrenner), який очолює Очну лікарню Університету Тюбінгена, пілотні випробування переконливо довели, що імплантат здатний відновити зір людей із дистрофією сітківки у достатньому для повсякденного життя обсязі. Щоправда, зазначив він, запровадження пристрою у клінічну практику займе чимало часу.

Біонічну сітківку, на думку вчених, можна буде застосовувати при сліпоті, спричиненій пігментним ретинітом та іншими дистрофічними захворюваннями сітківки.

Штучний зір все більше стає реальністю як у науці, так і медицині - автори фантастичних романів про таке і не думали. Влітку минулого року перші виготовлені із кремнію штучні сітківки були імплантовані трьом сліпим пацієнтам. Всі троє страждали майже на повну втрату зору, викликану retinitis pigmentosa (RP), - хворобою очей, що ушкоджує нічний і периферійний зір. Вони виписалися з лікарні наступного дня після операції.

Винайшли штучну кремнієву сітківку (ASR, від artificial silicon retina) засновники компанії Optobionics брати Вінсент та Алан Чоу. ASR є мікросхемою діаметром 2 мм і товщиною менше людського волосся. На кремнієвій пластині розміщується близько 3500 мікроскопічних сонячних елементів, які перетворюють світло на електричні імпульси.

Мікросхема, створена для заміни пошкоджених фоторецепторів - світлочутливих елементів ока, що перетворюють у здоровому оці світло на електричні сигнали, - працює від зовнішнього світла, у неї немає батарейок або проводів. Штучна кремнієва сітківка хірургічним способом імплантується під сітківкою пацієнта, в так званому підсітковому просторі, і генерує візуальні сигнали, подібні до сигналів, що виробляються біологічним фоторецепторним шаром.

Насправді ASR працює з фоторецепторами, які ще втратили можливість функціонувати. "Якщо мікросхема зможе з ними взаємодіяти протягом деякого тривалого часу, значить, ми рухаємося до мети правильною дорогою", - упевнений Алан Чоу.

Люди, які страждають на retinitis pigmentosa, поступово втрачають фоторецептори. Взагалі ж це збірна назва багатьох захворювань очей, у яких відбувається руйнація фоторецепторного шару.

Вікове виникнення плям на рогівці (AMD, від age-related macular degeneration), на думку братів Чоу, також піддається корекції за допомогою штучної сітківки кремнієвої. Плями на рогівці є наслідком старіння організму, але точна причина поки що не відома. Від подібних хвороб страждають понад 30 млн. населення планети, вони часто призводять до невиліковної сліпоти.

На сьогоднішній день ASR не в змозі впоратися з глаукомою, пов'язаною з ушкодженням нерва, і не допомагає при діабеті, що призводить до рубців на сітківці. Безсила штучна сітківка при струсах та інших мозкових травмах.

«Зараз ми намагаємося зрозуміти, куди рухатися далі, – розповідають про свої плани брати Чоу. - Як тільки вдасться визначитись, можна буде поекспериментувати зі зміною параметрів».

Природний та штучний зір

Процес «бачення» можна порівняти із роботою фотокамери. У фотокамері світлові промені проходять через набір лінз, що фокусують зображення на плівці. У здоровому оці промені світла проходять через рогівку і кришталик, який фокусує зображення на сітківці, що є шаром світлочутливих елементів, що вистилають задню поверхню ока.

Пляма (macula) - це область сітківки, що отримує і обробляє детальні зображення і посилає їх у мозок з зорового нерва. Багатошарова пляма забезпечує зображенням, які ми бачимо, найвищий ступінь роздільної здатності. Пошкоджено пляму – погіршується зір. Що робити у цьому випадку? Вводити ASR.

Тисячі мікроскопічних елементів ASR приєднані до електрода, що перетворює вхідні світлові зображення імпульси. Ці елементи стимулюють роботу працездатних елементів сітківки, що залишилися, і виробляють візуальні сигнали, подібні до сигналів, що генеруються здоровим оком. «Штучні» сигнали можуть бути оброблені і послані по зоровому нерву в мозок.

В експериментах з тваринами у 80-х роках брати Чоу стимулювали ASR інфрачервоним світлом та реєстрували відгук сітківки. Але тварини, на жаль, не можуть говорити, тому невідомо, що, по суті, відбувалося.

Більш суттєві результати

Близько трьох років тому брати зібрали достатню кількість даних для того, щоб звернутися до Управління харчування та лікарських препаратів за дозволом на проведення клінічних експериментів за участю людини. В якості кандидатів було обрано трьох пацієнтів віком від 45 до 75 років, які тривалий час страждали на сітчасту сліпоту.

«Ми відібрали людей з найбільш серйозними порушеннями, тож якщо їм вдасться хоч щось побачити, результати будуть найбільш обнадійливими, - розповів про експеримент Алан Чоу. - Нам хотілося почати якнайшвидше, ми турбувалися тільки з приводу занадто поспішних висновків, які можуть бути зроблені в результаті експериментів».

Творці штучної сітківки підкреслюють, що зараз їхній пристрій не в змозі допомогти пацієнтам бачити так, як це роблять здорові люди.

«Можна буде говорити про блискучий результат, якщо щільність елементів виявиться достатньою, щоб пацієнти могли бачити об'єкти, що рухаються. В ідеалі їм потрібно розрізняти форми та контури предметів», - говорить Ларрі Бланкеншип, керуючий директор компанії Optobionics.

Відторгнення імплантанта винахідники не бояться. «Щойно штучна сітківка імплантована, навколо неї утворюється вакуум, це цілком передбачувано», - вважають Чоу. Вже можна стверджувати, що штучна кремнієва сітківка - монументальне наукове досягнення, яке допоможе назавжди позбавитися загрози деяких форм сліпоти.