Мы вспоминаем истории из журнала Cosmos Magazine в печатном формате. В марте 2024 года Мануэла Каллари рассказала о растущем интересе к технологии бионических глаз и сомнениях относительно их способности по-настоящему восстановить зрение.
Когда Коллин Ноулз услышала, что исследователи из Королевской больницы глаз и уха в Мельбурне ищут добровольцев для испытания прототипа бионического глаза, она без колебаний записалась. «Мне всегда нравилась история — я подумала, что могу стать её частью», — говорит она.
Ноулз родилась с плохим зрением. Она с детства носила очки, но к 30 годам её зрение ухудшилось, и мир погрузился во тьму. В 2017 году, когда ей было 66 лет, врачи установили ей бионический имплантат — также известный как визуальный протез — в правый глаз. Зрение не восстановилось полностью, но грубые очертания и световые узоры заменили темноту.
«Мне нравится ходить по торговому центру и наблюдать за людьми, пытаясь понять, в какие магазины они идут», — говорит Ноулз.
Интерес к глазным имплантатам вырос за последние два десятилетия: более 40 исследовательских групп по всему миру работают над бионическим зрением. Мировой рынок бионических глаз оценивался более чем в 297 миллионов долларов США (около 427 миллионов долларов) в 2022 году и, как ожидается, достигнет 558,36 миллиона долларов США (около 860 миллионов долларов) к 2028 году.
Потеря зрения
Когда свет попадает в глаза Коллин Ноулз, он не вызывает реакции в её сетчатке, поэтому сигналы не поступают по зрительным нервам в мозг. Редкое генетическое заболевание, называемое дистрофией колбочек и палочек, убило фоторецепторные клетки в её сетчатке.
В Австралии около 16 000 человек живут с наследственным заболеванием сетчатки. Дистрофия колбочек и палочек в первую очередь поражает колбочки, а затем палочки. Это начинается с потери центрального зрения и цветового восприятия, что приводит к трудностям с чтением или распознаванием лиц.
Но при пигментном ретините — наиболее распространённом наследственном заболевании сетчатки — первоначальное повреждение происходит в палочках, а затем в колбочках. Часто это начинается с ночной слепоты, а затем туннельного зрения, поскольку периферическое зрение ухудшается.
Эти состояния вызваны генетическими аномалиями, которые приводят к дегенерации палочек и колбочек. Повреждённый ген производит дисфункциональный белок (или не производит необходимый белок) для поддержания функции и структуры фоторецепторных клеток в сетчатке.
Технологии могут прийти на помощь. Пока эти состояния повреждают палочки и колбочки, оставшиеся элементы сетчатки в её внутренних слоях выживают в большом количестве и остаются чувствительными к электрической стимуляции даже на поздних стадиях заболевания. Эти элементы включают биполярные и ганглиозные клетки.
Цель бионических имплантатов — заменить функцию дегенерированных фоторецепторных клеток путём искусственной стимуляции выживших нейронных механизмов сетчатки.
Наше зрение зависит от передачи света. Роговица и хрусталик фокусируют свет на сетчатке: нервной ткани на задней поверхности глаза, толщиной всего 0,5 мм, которая преобразует свет в электрические сигналы для отправки в мозг.
Восстановление зрения
Большинство глазных имплантатов имеют одинаковую основу, с небольшими различиями в типе операции, связанной с их установкой.
Типичная модель использует внешнюю камеру, установленную на паре очков, для захвата визуальной информации из окружающей среды. Захваченные изображения обрабатываются небольшим устройством, которое часто носит пользователь, которое преобразует изображения в сигналы, понятные мозгу.
Сигналы передаются по беспроводной связи на приёмник, размещённый под кожей пациента рядом с глазом и подключённый к массиву электродов, имплантированных в глаз либо перед сетчаткой, либо за ней. Электроды обходят повреждённые фоторецепторные клетки и стимулируют оставшиеся здоровые нервные клетки, заставляя их посылать сигналы в мозг.
Интерес к разработке визуальных протезов вырос благодаря успеху кохлеарных имплантатов. В конце 1990-х биомедицинский инженер Роберт Гринберг основал компанию Second Sight Medical Products в Калифорнии. Среди инвесторов Гринберга был мультимиллионер Сэм Уильямс, который был слеп из-за пигментного ретинита.
После обширных испытаний и испытаний на животных первое имплантируемое устройство Second Sight, названное Argus I, было помещено в глаза 74-летнего добровольца из США в 2002 году. Ещё пять добровольцев последовали за ним в течение следующих трёх лет.
Argus I был базовым устройством с 16 электродами, которое позволяло пациентам видеть, темно ли в комнате или светло, или кто-то движется перед ними, а также распознавать некоторые простые фигуры на экране.
Следующее поколение Argus II с 60 электродами было выпущено в 2006 году; 30 пациентам по всему миру было имплантировано это устройство в течение следующих нескольких лет. Но то, что они могли видеть, не сильно улучшилось.
В 2011 году Argus II был одобрен для коммерческого использования в Европейском союзе, а два года спустя был одобрен Управлением по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США (FDA) для использования до 4 000 человек. Но к 2019 году Second Sight прекратила производство своего имплантата сетчатки и прекратила свою деятельность, оставив более 350 слепых людей по всему миру с имплантированным устройством Argus в темноте.
Проблемы и перспективы
«Аргус работал не очень хорошо», — говорит Эш Аттия, генеральный директор Bionic Vision Technologies (BVT), коммерческой дочерней компании исследовательского консорциума Bionic Vision Australia (BVA).
Проблема, по словам Аттии, заключается в положении массива электродов и хирургической процедуре по его размещению. С эпиретинальными имплантатами, такими как Argus, хирург должен отделить сетчатку и прикрепить массив электродов перед ней, разрушая остаточные фоторецепторы.
Исследователи из BVT разработали супрахориоидальный массив электродов, который вставляется в естественную плоскость расщепления между хориоидой и склерой. Хориоида обеспечивает кислород и другие питательные вещества для сетчатки; она также богата тёмным пигментом меланином, который ограничивает неконтролируемое отражение в глазу, которое может создавать восприятие запутанных изображений. Склера — это внешний защитный слой глаза, который в основном содержит коллаген.
Чтобы вставить супрахориоидальный массив электродов, хирург открывает стенку глаза, рассекает супрахориоидальное пространство и вставляет массив, не касаясь сетчатки. «Мы проникаем в биологическое пространство, — говорит Аттия. — Мы ничего не прикрепляем к клеткам. Это очень простая операция, которая сохраняет любые оставшиеся фоторецепторы».
Риск проникновения в супрахориоидальное пространство — это кровотечение — потому что оно богато кровеносными сосудами, которые переносят кислород и питательные вещества к обычно очень активным фоторецепторным клеткам. «Это не относится к этим пациентам, — говорит Пенелопа Аллен, доцент Мельбурнского университета и главный исследователь в Центре исследований глаз в Австралии (CERA). — Их фоторецепторы погибли, а слой кровеносных сосудов на самом деле довольно атрофичен».
Первое исследование концепции, проведённое BVA, началось в марте 2012 года. Исследователи имплантировали массив из 24 электродов в супрахориоидальное пространство за сетчаткой трёх пациентов с восприятием только света. Это первое исследование показало, может ли имплантат генерировать зрительное восприятие у людей с глубокой потерей зрения.
В 2017 году они имплантировали Ноулз и трём другим пациентам с пигментным ретинитом своё устройство второго поколения. Новый бионический глаз с 44 электродами был полностью имплантируемым, что означало, что пациенты могли забрать его домой. «У нас были отличные результаты», — говорит Аттия.
«Через четыре года после имплантации устройства стабильны в положении, и у нас не было глазных осложнений», — говорит Аллен. «Очевидно, это небольшая группа, но результаты, безусловно, очень положительные».
Не совсем то зрение, на которое мы надеялись
Через шесть недель после операции наступил «день включения» для Коллин Ноулз. Она терпеливо сидела, пока инженеры и врачи работали вокруг её головы, подключая её устройство к компьютеру. Как только всё было настроено, исследовательская группа отправила электрическую стимуляцию на устройство Ноулз, надеясь возродить спящие пути её зрения.
«Сначала я не думала, что это сработает», — вспоминает Ноулз. Но по мере увеличения электрической стимуляции в её давно потемневшем мире появлялись вспышки света. «Это было довольно волнительно».
Ноулз потребовалось два месяца, чтобы разобраться в этих вспышках. «У этих пациентов не было полезного зрения более 15–20 лет, — говорит Аллен. — Им нужно научиться интерпретировать стимуляцию».
В конце концов, Ноулз научилась проходить через полосы препятствий. Она могла определить, открыта ли дверь или закрыта, или если кто-то, с кем она разговаривала, ушёл. «Это не до того момента, когда я могу заменить свою собаку-поводыря, — говорит она. — Но я могу сказать, смотрю ли я на дерево или на электрический столб».
Хотя устройство даёт Ноулз представление об её окружении, оно не даёт ей ощущения цветов, глубины и движения. «Зрение — это очень сложное чувство, а эти устройства слишком просты», — говорит Грегг Суанинг, биомедицинский инженер из Сиднейского университета.
Суанинг говорит, что одна из самых сложных задач — выяснить, как мозг интерпретирует то, что мы видим. «То, как наши нервы посылают сигналы, сложно, и создание устройств, которые понимают эту сложность, — трудная задача».
Мы должны быть честными в том, что могут и чего не могут дать эти устройства… Это не так увлекательно, как мы думали.
В сравнении, когда кохлеарные имплантаты сочетаются со слуховыми аппаратами, мозг компенсирует отсутствующие слуховые данные. «Ваш мозг удивителен в адаптации к звукам, — говорит Суанинг. — Но по причинам, которые я не до конца понимаю, мозг не очень хорош в интерпретации множества новых вещей со зрением».
Есть две основные ограничения разрешения, которое могут обеспечить глазные имплантаты. Первое — это расстояние между электродами и нервными клетками — чем дальше они друг от друга, тем выше должна быть электрическая стимуляция. Второе — это соотношение между размером электрода и выходным электрическим током. Для стимуляции нервных клеток требуется определённый ток, а меньшие электроды доставляют его меньше, в то время как большие электроды имеют тенденцию активировать несколько нейронов одновременно, что может посылать конфликтующие сигналы, которые мозг пытается интерпретировать.
Исследователи из Сиднейского университета под руководством Суанинга разработали устройство под названием Phoenix99, где электроды представляют собой небольшие столбики около 200 микрометров, которые проникают в слой нервных клеток из-за сетчатки. «Теоретически это сделает стимуляцию более круговой и маленькой, чтобы мы могли разместить больше электродов на небольшой площади и обеспечить гораздо более значимое зрение», — говорит Суанинг.
Новаторские методы лечения
Пока некоторые исследователи выясняют, как лучше всего стимулировать клетки зрительного нерва, другие разрабатывают способы исправления или подавления дефектных генов, вызывающих такие заболевания, как пигментный ретинит. Такие генной терапии добились больших успехов в последние годы.
Учёные используют вирусы, такие как аденоассоциированные вирусы (AAV), для доставки функционального генетического материала в клетки сетчатки, помогая им снова вырабатывать отсутствующий или дефектный белок. AAV являются лучшим выбором, потому что они маленькие, менее склонны вызывать иммунные реакции и могут эффективно нацеливаться на сетчатку.
В 2017 году Luxturna (voretigene neparvovec-rzyl) стала первой генной терапией зрения, одобренной FDA. Клинические испытания показали, что пациенты, получающие Luxturna, демонстрируют признаки улучшения зрения, такие как повышенная светочувствительность и улучшение остроты зрения.
Luxturna — это одна из нескольких генной терапий, которые могут вскоре вытеснить бионические глаза. Она может лечить форму дистрофии сетчатки, вызванную наследованием мутированной версии гена RPE65. Этот ген даёт инструкции для создания фермента, необходимого для нормального зрения; если он неисправен или отсутствует, это приводит к нарушению зрения.
Многие компании нацелены на другие гены, ответственные за различные виды пигментного ретинита, с многообещающими результатами в остановке прогрессирующей потери зрения и, в некоторых случаях, улучшении зрительных способностей.
Будущее бионических глаз
Несмотря на огромные усилия исследователей за десятилетия, бионические глаза всё ещё находятся в зачаточном состоянии. Основные узоры и формы, которые эти устройства позволяют участникам испытаний видеть, могут помочь людям ориентироваться, но не помогут им ощутить полноту окружающего мира.
«Чего хотят люди? — спрашивает Суанинг. — Они хотят водить машину и видеть своих внуков. И мы должны быть честными в том, что эти устройства могут и чего не могут дать. Это было очень захватывающе. А теперь мы знаем, что это не так увлекательно, как мы думали».
Суанинг считает, что исследования бионических глаз будут продолжаться в течение следующих 20 лет или около того. Затем, как только генная терапия будет усовершенствована, эти имплантаты устареют. «Сдаться [сейчас], потому что вы думаете, что на горизонте есть генная терапия, было бы ошибкой», — говорит он.
Люди, которые остаются в восторге, — это такие пациенты, как Ноулз. «Это был интересный путь, — говорит она. — Когда вы переходите от ничего к получению обратной связи — это довольно увлекательно».