Время не друг твоего тела. Годы стирают цвет ваших волос, притупляют упругость ваших суставов, стирают эластичность вашей кожи. Однако среди этих многих унижений по возрасту одной из худших является потенциальная потеря зрения.
Основной причиной возрастной потери зрения является дегенерация желтого пятна - заболевание, которое медленно исчезает в центральном зрении, оставляя размытую или темную дыру в середине поля зрения. По оценкам Национального института здравоохранения, к 2020 году около трех миллионов американцев в возрасте старше 40 лет будут страдать от той или иной стадии заболевания. Но потеря зрения не ограничивается пожилыми людьми. Пигментный ретинит, генетически наследуемое заболевание, также поражает примерно 1 из 4000 человек в Соединенных Штатах - как молодых, так и пожилых.
Заболевания нацелены на фоторецепторы, которые представляют собой палочковидные и конусовидные клетки в задней части глаза. Эти клетки преобразуют свет в электрический сигнал, который поступает в мозг через зрительный нерв. Дегенерация желтого пятна и пигментный ретинит разрушают эти фоторецепторы. При наиболее распространенных формах болезни многие задачи становятся практически невозможными без посторонней помощи: чтение текста, просмотр телевизора, вождение автомобиля, даже определение лиц.
Хотя последствия серьезны, не вся надежда потеряна. Остальные нейроны и клетки сетчатки, которые передают электрические сигналы, часто остаются нетронутыми. Это означает, что, если ученые смогут установить устройство, которое может имитировать функцию палочек и колбочек, организм все равно сможет обрабатывать полученные сигналы.
Исследователи и разработчики по всему миру пытаются сделать именно это. Команда из Стэнфорда использует маленькое и гладкое решение: крошечные фотодиодные имплантаты, часть ширины волоска поперек, которые вставляются под поврежденную часть сетчатки.
«Он работает как солнечные батареи на вашей крыше, преобразуя свет в электрический ток», - говорит Даниэль Паланкер, профессор офтальмологии в Стэнфордском университете, в пресс-релизе о работе. «Но вместо того, чтобы течь в холодильник, он течет в сетчатку».
PRIMA состоит из имплантатов сетчатки, пары очков с видеокамерой и карманного компьютера. (Даниэль Паланкер Лаборатория) Названные PRIMA (фотоэлектрический ретинал IMplAnt), минутные панели соединены с набором очков, в центре которого находится видеокамера. Камера делает снимки окрестностей и передает их по беспроводной связи на карманный компьютер для обработки. Затем очки излучают обработанные изображения в глаза в виде импульсов ближнего инфракрасного света.
Крошечный массив кремниевых «солнечных панелей» имплантатов - каждый приблизительно 40 и 55 микрон в поперечном сечении в последней итерации PRIMA - улавливает инфракрасный свет и преобразует его в электрический сигнал, который посылается через естественную сеть нейронов организма и преобразуется в изображение в мозге.
Чтобы проверить устройство, команда имплантировала крошечные панели PRIMA крысам, а затем подвергла их воздействию вспышек света, измеряя их реакцию электродами, имплантированными в зрительную кору - ту часть мозга, которая обрабатывает изображения. Используя 70-микронные имплантаты, которые они разработали в то время, исследователи обнаружили, что у крыс было зрение около 20/250, что немного выше юридической слепоты в США, а это зрение 20/200. Это означает, что человек может видеть на 20 футах то, что видит человек с идеальным зрением на 250 футах, делая большую часть своего окружения размытым.
«Эти измерения с 70-микронными пикселями подтвердили наши надежды на то, что острота зрения протеза ограничена шагом пикселя [или расстоянием от центра одного пикселя до центра следующего пикселя]. Это означает, что мы можем улучшить его, уменьшив пиксели "Паланкер пишет по электронной почте. Они уже разработали пиксели размером в три четверти. «Сейчас мы работаем над еще меньшими пикселями», - пишет он.
PRIMA, конечно, не единственная команда, преследующая эту цель. Устройство под названием Argus II от Second Sight, калифорнийской компании, уже появилось на рынке в США. Одобрено в феврале 2013 года Управлением по контролю за продуктами и лекарствами для пациентов с тяжелым пигментным ретинитом, базовая установка аналогична PRIMA. Но вместо солнечной панели имплантат представляет собой решетку из электродов, которая прикреплена к корпусу для электроники размером с горошину и внутренним антеннам. Очковая камера снимает изображение, которое обрабатывается небольшим компьютером, а затем передается по беспроводной связи на имплантат, который генерирует электрические сигналы для создания изображения.
Но у этой системы есть несколько недостатков. Электроника имплантата громоздка, и антенны могут испытывать помехи от бытовой техники или других антенно-зависимых гаджетов, таких как мобильные телефоны. Устройство также имеет ограниченное разрешение, восстанавливая зрение до 20/1260 без дополнительной обработки изображения. Из-за этого ограниченного разрешения FDA только одобрило его использование у пациентов, которые почти полностью слепы.
«FDA не хочет рисковать повреждением зрения в глазе, у которого уже есть, потому что количество визуального восстановления минимально», - говорит Уильям Фриман, директор Центра сетчатки Джейкобса в Калифорнийском университете в Сан-Диего., «Вы можете получить немного, но это не много».
Многие другие технологии также находятся в разработке. Немецкая компания Retinal Implant AG использует цифровой чип, похожий на тот, который есть в камере. Но предварительные испытания технологии на людях были смешанными. Freeman является частью другой компании, Nanovision, которая использует нанопроволочные имплантаты, которые едва превышают длину волны света. Хотя они работают аналогично фотодиодам PRIMA, Фримен говорит, что они могут быть более чувствительными к свету и могут помочь будущим пациентам видеть в оттенках серого, а не только в черно-белом. Технология все еще находится на испытаниях на животных, чтобы оценить ее эффективность.
«[Для] всех этих технологий существуют внутренние ограничения», - говорит Грейс Л. Шен, директор программы по заболеваниям сетчатки в Национальном институте глаз. Хотя Шен и не принимает непосредственного участия в исследовании протезов, он служит руководителем программы для одного из грантов, которые поддерживают работу Паланкера.
PRIMA рассматривает некоторые ограничения решений на основе электродов, таких как Second Sight. Хотя изображения, которые он производит, все еще черно-белые, PRIMA обещает более высокое разрешение без использования проводов или антенны. А поскольку имплантаты являются модульными, их можно укладывать плиткой для каждого отдельного пациента. «Вы можете поместить столько, сколько вам нужно, чтобы покрыть большое поле зрения», - говорит Паланкер.
Приму тоже легче имплантировать. Раздел сетчатки отделяется с помощью инъекции жидкости. Затем полая игла, нагруженная солнечными панелями, по существу, используется для позиционирования панелей в глазу.
Но, как и во всех операциях на глазу, существуют риски, объясняет Жак Дункан, офтальмолог из Калифорнийского университета в Сан-Франциско, который не принимал участия в работе. Для субретинальной хирургии, которую требует PRIMA, эти риски включают отслоение сетчатки, кровотечение и образование рубцов. Также существует вероятность того, что если устройство установлено неправильно, это может повредить остаточное зрение.
Тем не менее, Дункан воспринимает новое устройство положительно. «Я думаю, что это захватывающее событие», - говорит она. «Подход PRIMA обладает большим потенциалом для обеспечения остроты зрения, которая может быть сопоставима или даже лучше, чем с одобренным в настоящее время устройством Second Sight ARGUS II».
Как сказал CBS Энтони Андреотолла, пациент с имплантатом Аргус II, в начале этого года, его зрение, безусловно, ограничено: «Я могу отличить машину, автобус или грузовик. Я не могу сказать, что делает машину является." Но перспектива дальнейших достижений дает пациентам - включая Андреотоллу, который страдает от пигментного ретинита и потерял все зрение к тому времени, когда ему исполнилось 30 лет, - надежду на будущее.
PRIMA еще предстоит пройти долгий путь, прежде чем она будет готова к выходу на рынок. Команда сотрудничает с французской компанией Pixium Vision, и вместе они работают над коммерциализацией. Паланкер и его соавторы владеют двумя патентами, связанными с технологией. Следующий шаг - испытания на людях, первый из которых был только что одобрен французским регулирующим агентством. Испытания начнутся с малого, всего пять пациентов, которые будут изучаться в течение 36 месяцев. «Мы хотим увидеть, каковы пороги и хирургические проблемы», - говорит Паланкер.
Эти тесты послужат полигоном для устройства, говорит Шен. «Пока они действительно не протестируют это на людях, мы не могли быть уверены, каковы преимущества».
На изображении справа показан массив шириной 1 мм, имплантированный субретинально в глаз крысы. СЭМ-изображение демонстрирует более высокое увеличение массива с 70 мкм пикселями, размещенными на пигментном эпителии сетчатки глаза свиньи. Цветная вставка слева показывает один пиксель в гексагональной матрице. (Даниэль Паланкер Лаборатория) Прямо сейчас, объясняет Шен, визуальная четкость, которую придают устройства, не является тем, что она считает «значимыми визуальными образами». Это может быть достигнуто только путем лучшего понимания нервных путей. «Если у вас просто есть куча проводов, это не делает радио», - говорит она. «Вы должны иметь правильную проводку».
То же самое относится и к видению; это не система plug-and-play. Составляя карту всего нейронного пути, только тогда исследователи могут надеяться создать более четкие изображения с использованием протезов, возможно, даже цветных изображений.
Паланкер соглашается. «Правильное использование оставшейся схемы сетчатки для генерации ретинальной продукции, максимально приближенной к естественной, должно помочь улучшить зрение протеза», - пишет он в электронном письме.
По словам Фримена, существуют также заболевания зрения, при которых многие из этих решений не будут работать. Потеря зрения от глаукомы является одним из примеров. «Внутренние клетки сетчатки мертвы, поэтому, что бы вы ни стимулировали, нет никаких связей с мозгом», - говорит он.
Но десятки исследователей из всех областей имеют дело, раздвигая границы того, что мы знаем, возможно: инженеры, материаловеды, биологи и другие. Хотя это может занять некоторое время, скорее всего, это еще не все. По словам Шена, как и в случае с нашими сотовыми телефонами и камерами, за последние пару десятилетий системы стали быстрее, эффективнее и меньше. «Я надеюсь, что мы еще не достигли нашего предела», добавляет она.
По словам Фримена, ключом сейчас является управление ожиданиями. С одной стороны, исследователи стараются не давать людям ложную надежду. «С другой стороны, вы не хотите говорить людям, что это безнадежная вещь», - говорит он. «Мы пытаемся, и я думаю, что в конечном итоге один или несколько из этих подходов сработают».
