Изображение с сайта express.co.uk
Одно из самых ярких достижений – это, конечно же, бионический глаз, и мы можем гордиться тем, что эта прорывная технология была совсем недавно применена и в нашей стране на базе Научно-клинического центра оториноларингологии ФМБА России.
«Успешное проведение операции по установке ретинального импланта (от лат.
retina – «сетчатка») подопечному фонда поддержки слепоглухих «Со-единение» позволит слепоглухому 59-летнему пациенту из Челябинска, полностью потерявшему способность видеть из-за прогрессирующих болезней сетчатки, получить возможность самостоятельно ориентироваться как в условиях дома, так и на незнакомой местности, обрести социальную независимость», – говорится в сообщении, распространенном пресс-службой фонда.
Президент фонда Дмитрий Пеликанов считает, что эта операция не должна стать единственной в своем роде.
Фонд «Со-единение» будет стремиться к тому, чтобы включить имплантацию в программы бесплатной высокотехнологичной медицинской помощи – в ней нуждаются около 50 000 человек, обреченных на полную слепоту.
Для этого специалисты фонда собираются начать переговоры с зарубежными партнерами о создании производства ретинальных имплантатов в нашей стране.
Подробнее читайте здесь.
Микроскопический телескоп
Изображение с сайта express.co.uk
Имплантат CentraSight – разработка американской компании VisionCare Inc, которая позволяет бороться с губительными последствиями возрастной макулярной дегенерацией.
Возрастная макулярная дегенерация – это физическое нарушение, возникающее в центре сетчатки, в так называемой макуле. Макула – это структура глаза, отвечающая за самую высокую остроту зрения, необходимую нам для чтения, вождения транспорта и выполнения других задач, требующих четкого, острого зрения, или при рассматривании предметов, расположенных прямо перед нами.
CentraSight – это микроскопический телескоп, который вживляют в зрачок таким образом, что он проецирует изображение на здоровую часть сетчатки. Операция по его установке длится всего час. Поскольку изображение увеличено, пропадает эффект «слепого пятна» в центре поля зрения, от которого страдают пожилые люди с макулярной дегенерацией.
В норме здоровые участки за пределами макулы отвечают за периферическое (боковое) зрение, однако увеличение в 2,2 или 2,7 раз позволяет пациенту видеть или хотя бы различать объекты перед ним.
Эта технология используется уже несколько лет, и сотни пациентов во всем мире уже воспользовались ею, но только частным образом. Имплантат не дешевый. Когда в 2014 году такую операцию провели 87-летней британке Джоан Джилл, микро-телескоп обошелся ей в 12 000 фунтов.
- А сравнительно недавно, весной 2016 года, медицина Великобритании совершила еще один прорыв, но уже не научный, а социально-экономический: Королевская офтальмологическая больница в Манчестере объявила, что операции по вживлению имплантата CentraSight для своих пациентов она будет проводить за государственный счет.
- На первых порах специалисты составляют список тех пациентов, которые живут в Манчестере и его окрестностях и имеют самую крайнюю стадию макулярной дегенерации, однако есть надежда, что постепенно все офтальмологические центры в Великобритании, принадлежащие национальной системе здравоохранения, будут предлагать эту услугу своим гражданам.
- Как хорошо, когда за научными прорывами в медицине следуют социально-экономические.
Статины – дешевое решение серьезной проблемы
Изображение с сайта express.co.uk
Макулярная дегенерация бывает двух видов – сухая и влажная. Причина сухой – это липидные отложения, скапливающиеся под макулой, которые оказывают повреждающее воздействие на клетки, вызывая их медленное разрушение.
Группа специалистов Массачусетской многопрофильной больницы (Бостон, США) под руководством профессора Джоан Миллер обнаружила, что высокие дозы статинов обладают потенциалом разрушать жировые отложения, постепенно приводящие к утрате зрения.
Статины – это сравнительно дешевые препараты, которые врачи прописывают пациентам с повышенным холестерином, начиная с 80-х годов прошлого столетия.
В массачусетском исследовании приняли участие 23 пациента с сухой возрастной макулярной дегенерацией. У 10 из них жировые отложения под сетчаткой были разрушены и острота зрения слегка повысилась после приема дозы в 80 мг препарата аторвастатина.
Лучше поддавались лечению пациенты с более «мягкими» отложениями. Это говорит о том, что принципиально важно диагностировать заболевание как можно раньше и своевременно начать лечение.
Исследователи надеются, что им удастся повторить результаты исследования в испытаниях на сотнях пациентов.
Стволовые клетки
Изображение с сайта express.co.uk
Пожалуй, нет такой области медицины, в которой экспериментаторы не пытались бы применить стволовые клетки. С тех пор, как ученые научились выращивать индуцированные плюрипотентные стволовые клетки (iPS) из кусочков тканей самого пациента, отпала проблема отторжения чужого биологического материала. А iPS можно трансформировать в клетки самых разнообразных тканей и органов.
Команда биологов во главе с Коджи Нишида из Университета Осаки (Япония) решила использовать iPS для создания тканей, составляющих человеческое глазное яблоко. Из небольшого кусочка кожи можно получить достаточно iPS для выращивания сетчатки, роговицы, хрусталика и других тканей глаза. В журнале Nature опубликован отчет о предварительных испытаниях метода.
Ученые начали с эксперимента над кроликом. Они поставили цель сформировать из индуцированных плюрипотентных стволовых клеток своего рода протоглаз, из которого можно получать различные ткани глазного яблока. Им удалось выполнить эту задачу, выращивая iPS-клетки в чашке Петри, добавив туда правильную комбинацию белков и других молекул.
Изображение с сайта express.co.uk
Протоглаз – это одна из самых ранних и простейшей фаз в формировании биологического глаза. Он представляет собой четыре простых кольца из различных типов клеток, которые затем формируют сетчатку, хрусталик и другие части глазного яблока.
Нишида и его коллеги вырастили роговицу кролика – прозрачную оболочку глаза, которую пересадили слепым кроликам, родившимся с недоразвитыми роговицами, и тем самым восстановили их способность видеть.
«Теперь мы можем начать первые клинические испытания на людях – трансплантацию передней камеры глазного яблока для восстановления зрительной функции», – пишет Нишида в статье. Он считает, что в течение ближайших трех лет сможет провести испытания методики для восстановления больной или травмированной человеческой роговицы.
Редактирование генома
Изображение с сайта express.co.uk
Поистине революционную технологию редактирования генома Crispr называют «молекулярными ножницами», потому что этот инструмент позволяет вырезать точные участки мутировавшего ДНК и заменить их здоровыми. Crispr до недавнего времени использовалась для модификации ДНК в делящихся клетках. Получить доступ к ДНК стабильного взрослого организма гораздо сложнее, однако в исследовании международной группы ученых (США, Испания, Япония, Китай) сделать это удалось.
Распространенной причиной слепоты у людей является заболевание ретинит пигментоза, встречающееся примерно у 1 человека на 4000. При этом заболевании мутировавший ген приводит к постепенному отмиранию клеток сетчатки, что ведет к слепоте.
Ученые провели эксперимент над взрослыми крысами с индуцированным ретинитом пигментоза. Они ввели в глаза слепых крыс трехнедельного возраста вирус, несущий «редактирующий пакет» клеткам сетчатки.
Через 5 недель ученые провели с крысами серию тестов и определили, что животные начали реагировать на свет.
Хотя их зрение не было восстановлено полностью, налицо были результаты заживления клеток сетчатки.
Ученые считают, что применяя технологию на более ранней стадии заболевания, они могли бы добиться лучших результатов. Кроме того, необходимо совершенствовать сам метод.
В животной модели ученым удалось отредактировать ДНК только в 5% клеток, и прежде, чем применить «молекулярные ножницы» для лечения ретинита пигментоза у людей, они надеются добиться большего масштаба исправлений.
А вот группа ученых американской биотехнологической компании Acucela в сотрудничестве с профессором Полом Бишопом из университета Манчестера планирует в ближайшие 3 года провести клинические испытания еще одного метода редактирования ДНК – оптогенетики – и тоже для лечения ретинита пигментоза, а в будущем, возможно, и макулярной дегенерации.
Изображение с сайта theguardian.com
Метод заключается в том, что в глаз вводится вирус с ключевым геном, который превращает нейроны, не являющиеся рецепторами света, в рецепторы света. Лабораторные опыты показывают, что эти нейроны затем воспринимают свет и передают световой сигнал в мозг, в определенной степени восстанавливая зрение.
Ученые надеются, что новая технология позволит пациентам, которые почти потеряли способность видеть, рассмотреть хотя бы первую строчку в таблице проверки зрения.
Это далеко не все находки ученых: они манипулируют со светочувствительным белком сетчатки родопсином, пытаясь запустить его самовосстановление, работают над созданием системы передачи зрительной информации в мозг, минуя глаз, экспериментируют со специальным стентом для снижения внутриокулярного давления при глаукоме. Всего не расскажешь в рамках одной статьи, однако разнообразие направлений и методов работы позволяет надеяться, что не в самом далеком будущем слепота будет преодолена.
- Источники:
- Implantable Telescope Technology for End-Stage Age-Related Macular Degeneration (AMD)
- Breakthrough as gene-editing technique restores sight to blind animals
- Stem Cell Breakthrough Could Let Us Grow New Human Eyes
- New hope for thousands as gene manipulation RESTORES eyesight to the blind
- Statins could be miracle cure for BLINDNESS: Pills could destroy fats that clog the eye
- New blindness breakthrough: Sight loss reversed with NHS implant
Бионические глаза и нейропротезы: как технологии возвращают зрение слепым | РБК Тренды
Порядка 40 млн слепых людей во всем мире нуждаются в технологиях, которые могут вернуть способность видеть. Однако до сих пор не существует доступного способа протезирования зрения
Мы привыкли ассоциировать зрение лишь с глазами. Однако помимо самих глазных яблок в процессе участвует зрительная кора головного мозга, которой мы фактически «видим», и нервные пути, которые соединяют глаза с мозгом. Практически на каждом этапе можно попытаться реализовать протезирование.
История создания зрительного протеза
Немецкий психолог Иоганн Пуркинье в 1823 году заинтересовался вопросами зрения и галлюцинаций, а также возможностью искусственной стимуляции зрительных образов. Принято считать, что именно он впервые описал зрительные вспышки — фосфены, которые он получил при проведении простого опыта c аккумулятором, пропуская через голову электрический ток и описывая свой визуальный опыт.
Спустя 130 лет, в 1956 году, австралийский ученый Дж. И. Тассикер запатентовал первый ретинальный имплант, который не давал какого-то полезного зрения, но показал, что можно искусственно вызывать зрительные сигналы.
Ретинальный имплант (имплант сетчатки) «вводит» визуальную информацию в сетчатку, электрически стимулируя выжившие нейроны сетчатки. Пока вызванные зрительные восприятия имели довольно низкое разрешение, но достаточное для распознавания простых объектов.
Но глазное протезирование долго тормозилось из-за технологических ограничений. Прошло очень много времени, прежде чем появились какие-то реальные разработки, которые смогли дать «полезное зрение», то есть зрение, которым человек мог бы воспользоваться. В 2019 году в мире насчитывалось около 50 активных проектов, фокусирующихся на протезировании зрения.
Первые ретинальные импланты
Пару лет назад на рынке было доступно три ретинальных импланта, которые прошли клинические испытания и были сертифицированы государственными регулирующими органами: европейским CE Mark и американским FDA.
Так выглядели первые ретинальные импланты ( DPG Media)
Бионические импланты — это целая система внешних и внутренних устройств.
IRIS II (Pixium Vision) и Argus II (Second Sight) имели внешние устройства (очки с видеокамерой и блок обработки видеосигнала).
Слепой человек смотрит при помощи камеры, с нее картинка направляется в процессор, где изображение обрабатывается и распадается на 60 пикселей (для системы Argus II).
Затем сигнал направляется через трансмиттер на электродную решетку, вживленную на сетчатке, и электрическим током стимулируются оставшиеся живые клетки.
В немецком импланте Alfa АMS (Retina Implant) нет внешних устройств, и человек видит своим собственным глазом. Имплант на 1600 электродов вживляется под сетчатку. Свет через глаз попадает на светочувствительные элементы и происходит стимуляция током. Питается имплант от подкожного магнитного коннектора.
Субретинальный имплантат Alpha AMS компании Retina Implant AG ( ResearchGate)
Все три ретинальных импланта больше не производятся, так как появилось новое поколение кортикальных протезов (для стимуляции коры головного мозга, а не сетчатки глаза). Однако хотя проектов по фундаментальным разработкам по улучшению ретинальных имплантов еще много, ни один из них не прошел клинические испытания:
- Улучшенный имплант DRY AMD PRIMA компании Pixium с увеличением количества электродов для стимуляции большего количества клеток сетчатки проходит клинические испытания. Для участия в программе испытаний еще ищут пять кандидатов;
- Retina Implant AG закрыли производство;
- Second Sight проводят клинические испытания своего кортикального импланта, но в марте 2020 года компания уволила 80% сотрудников из эксплуатационно-производственного подразделения.
Тренды ретинальных имплантов: основные фундаментальные технологии
Ретинальные нанотрубки
Группа ученых из Китая (Shanghai Public Health Clinical Center) в 2018 году провела эксперимент на мышах, в ходе которого вместо не функционирующих фоторецепторов сетчатки предложила использовать нанотрубки. Преимущество этого проекта — маленький размер нанотрубок. Каждая из них может стимулировать только несколько клеток сетчатки.
Биопиксели
Группа ученых из Оксфорда стремится сделать протез максимально приближенным к естественной сетчатке. Биопиксели в проекте выполняют функцию, схожую с настоящими клетками. Они имеют оболочку из липидного слоя, в который встроены фоточувствительные белки. На них воздействуют кванты света и как в настоящих клетках изменяется электрический потенциал, возникает электрический сигнал.
Перовскитная искусственная сетчатка
Все предыдущие фундаментальные разработки направлены на стимулирование всех слоев живых клеток. При помощи технологии перовскитной искусственной сетчатки китайские ученые пытаются предоставить возможность не только получать световые ощущения, но и различать цвет за счет моделирования сигнала таким образом, чтобы он воспринимался мозгом как имеющий определенную цветность.
Фотогальваническая пленка Polyretina
В Polyretina используется маленькая пленка, покрытая слоем химического вещества, которое имеет свойство поглощать свет и конвертировать его в электрический сигнал. Пленка размещена на сферическом основании, чтобы можно было удобно разместить ее на глазном дне.
Фотогальванический имплант Polyretina ( Nature Communications)
- Субретинальное введение полупроводникового полимера
- Итальянские ученые предлагают технологию введения полупроводникового полимерного раствора под сетчатку, при помощи которого свет фиксируется и трансформируется в электрические сигналы.
Российский опыт ретинального протезирования
В России в 2017 году при поддержке фондов «Со-единение» и «Искусство, Наука и Спорт» было приобретено и установлено два ретинальных импланта Argus II американской компании Second Sight.
Это единственные операции по восстановлению зрения, которые были проведены в России за все время. Каждая операция вместе с реабилитацией стоила порядка 10 млн руб, а сама система имплантации для одного пациента — порядка $140 тыс.
Все прошло успешно, и два полностью слепых жителя Челябинска — Григорий (не видел 20 лет) и Антонина (не видела 10 лет) — получили предметное зрение. Предметное зрение означает, что человек может видеть очертания предметов — дверь, окно, тарелку — без деталей.
Читать и использовать смартфон они не могут. Оба пациента имели диагноз «пигментный ретинит» (куриная слепота).
На момент 2019 года в мире установлено около 350 имплантов, произведенных компанией Second Sight. Около 50 тысяч россиян нуждаются в подобном протезе сетчатки.
В России опытом в протезировании зрения может похвастаться лишь один проект — АНО Лаборатория «Сенсор-Тех».
«Трендом в фундаментальных разработках бионических протезов является стремление сделать их максимально безопасными, приближенными к биологическим тканям людей и с максимально возможным разрешением.
Но настоящую революцию вызвали кортикальные импланты, и смысл в ретинальных имплантах пропал, так как они ставятся только при пигментном ретините и возрастной макулярной дегенерации при отсутствии ряда противопоказаний.
Кортикальные же импланты значительно расширяют горизонт показаний и позволяют восстанавливать полезное зрение даже людям, вовсе лишенным глаз», — рассказал Андрей Демчинский, к.м.н., руководитель медицинских проектов АНО Лаборатория «Сенсор-Тех».
Кортикальные системы имплантации
Кортикальные протезы — это подгруппа визуальных нейропротезов, способных вызывать зрительные восприятия у слепых людей посредством прямой электрической стимуляции затылочной коры мозга, которая отвечает за распознавание изображений.
Этот подход может быть единственным доступным лечением слепоты, вызванной глаукомой, терминальной стадией пигментного ретинита, атрофией зрительного нерва, травмой сетчатки, зрительных нервов и т.п.
За последние пять лет ученые решили задачу создания такого внутрикортикального визуального нейропротеза, с помощью которого можно было бы восстановить ограниченное, но полезное зрение.
В 1968 году Г.С. Бридли и В.С. Левин провели первую операцию по установке кортикальных имплантов.
Первый имплант состоял из шапочки с коннекторами (устанавливали на череп под кожу) и отдельной дуги с электродами (устанавливали под череп), которые стимулировали кору головного мозга. Эксперимент был проведен на двух добровольцах для оценки возможности получения полезного зрения.
Позднее импланты были извлечены. Технология кортикальных имплантов была заморожена по причине провоцирования приступов эпилепсии при стимуляции большего количества клеток мозга.
Первый кортикальный имплант ( The Journal Of Physiology)
Кортикальный имплант Orion
Спустя 45 лет американский лидер разработки ретинальных имплантов Second Sight создал кортикальную протезную систему ORION.
В конце 2017 года Second Sight получили разрешение от Управления по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США (FDA) на проведение клинических испытаний. До апреля 2018 года было установлено шесть устройств.
По результатам испытаний оказалось, что все пациенты ощущали зрительные стимулы, a у трех пациентов результаты были схожи с ретинальным имплантом Argus II и дали полезное предметное зрение. Клинические испытания будут проходить до июня 2023 года.
Обязательным условием установки импланта является наличие у пациента зрительного опыта, то есть он может использоваться только для людей со сформированной зрительной корой, которые родились зрячими и потеряли зрение.
Система кортикальной имплантации Orion компании Second Sight ( Prosthetic Body)
Кортикальный нейропротез CORTIVIS
Испанские ученые разработали кортикальный имплант под названием CORVITIS. Протез состоит из нескольких компонентов. Одна или две камеры обеспечивают получение изображения, которое затем обрабатывается биопроцессором, чтобы преобразовать визуальный образ в электрические сигналы.
На втором этапе информация сводится в серию изображений и передается по радиочастотной связи на имплантированное устройство. Этот радиочастотный блок обеспечивает беспроводную передачу питания и данных во внутреннюю систему.
Имплантированный электронный блок декодирует сигналы, определяет и контролирует форму напряжения и амплитуду формы волны, которая будет подаваться на соответствующие электроды. Клинические испытания на пяти пациентах завершатся в мае 2023 года.
Кортикальный имплант CORVITIS
- Интракортикальный зрительный протез (WFMA)
- Американские ученые разработали технологию многоканальной внутрикортикальной стимуляции с помощью беспроводных массивов металлических микроэлектродов и создали беспроводную плавающую микроэлектродную решетку (WFMA).
Система протеза состоит из группы миниатюрных беспроводных имплантируемых решеток-стимуляторов, которые могут передавать информацию об изображении, снятом на встроенную в очки видеокамеру, непосредственно в мозг человека.
Каждая решетка получает питание и цифровые команды по беспроводной связи, так что никакие провода или разъемы не пересекают кожу головы. Посылая команды в WFMA, изображения с камеры передаются непосредственно в мозг, создавая грубое предметное визуальное восприятие изображения.
Хотя восприятие не будет похоже на нормальное зрение, с его помощью человек может вести самостоятельную деятельность. Система ICVP получила одобрение FDA для проведения клинических испытаний.
Интракортикальный зрительный протез (WFMA) ( Chicago LightHouse)
Кортикальный протез NESTOR
Голландские ученые также разработали схожую технологию системы протезирования. Принцип функционирования протеза такой же, как в проектах выше. Камера отправляет сигнал на имплант, который состоит из тысяч электродов и смарт-чипа. С помощью процессора зрительное восприятие можно контролировать и регулировать.
«Хотя полное восстановление зрения пока кажется невозможным, кортикальные системы создают по-настоящему значимые визуальные восприятия, при помощи которых слепые люди могут распознавать, локализировать и брать предметы, а также ориентироваться в незнакомой среде.
Результат — в существенном повышении уровня жизни слепых и слабовидящих.
Такие вспомогательные устройства уже позволили тысячам глухих пациентов слышать звуки и приобретать языковые способности, и такая же надежда существует в области визуальной реабилитации», — обнадежил Андрей Демчинский.
Вырастить нерв или вставить имплант: как скоро мы научимся возвращать зрение?
На эту тему
До 75% информации о мире мы получаем через глаза. В то же время это едва ли не самые хрупкие органы нашего тела.
И если проблемы с хрусталиком или роговицей можно устранить или компенсировать, то разрушение сетчатки — чаще всего приговор. Сетчатку нельзя просто «одолжить» у донора, как сердце или легкие.
Это настоящий биологический компьютер, который преобразует свет в электрический сигнал и посылает в мозг.
Сетчатка состоит из множества слоев клеток, каждый из которых по-своему важен. Наружный — пигментный эпителий — питает глаз, а также фильтрует свет, который должен поступить на светочувствительные элементы. Они, в свою очередь, преобразуют отраженный от предметов свет в сигналы для нервных клеток. Они находятся в самой глубине и непосредственно «общаются» с мозгом.
В последние несколько лет технологии восстановления зрения — от протезов до выращенных в пробирке клеток — находятся в активной разработке. Какие-то из них пока опробованы на животных, а какие-то — уже одобрены для применения в клинике. Так что у людей с прогрессирующей слепотой появляется все больше надежд на светлое (в прямом смысле) будущее.
Бионические глаза
Почти 30 лет назад Марк Хумаюн, биомедицинский инженер из Университета Южной Калифорнии, начал опыты по электрической стимуляции сетчатки незрячих людей.
Он обнаружил, что эта процедура вызывает ощущение световых вспышек, которые получили название фосфенов. Постепенно команда Хумаюна выяснила, что клетки обрабатывают разные сигналы по-разному.
Но главное: им удалось добиться более точной стимуляции, в результате которой нейроны генерировали не просто вспышки, а очертания предметов.
C 2002 по 2004 год исследователи имплантировали шести добровольцам с полной или частичной слепотой на один глаз бионические протезы. Первые пользователи устройства, известного как Argus I (от греческого слова «всевидящий»), сообщили, что способны воспринимать фосфены, формы объектов и даже чувствовать движение.
Сегодня около 300 человек знакомятся с миром с помощью этого устройства. Усовершенствованная модель — Argus II — была одобрена европейскими регулирующими органами в 2011 году для людей с пигментным ретинитом — группой редких генетических заболеваний, при которой отмирают светочувствительные клетки.
Два года спустя то же сделали США.
Чтобы установить Argus II, пациентам в глаз вживляют чип, внутри которого находится решетка из электродов. Миниатюрная видеокамера на очках посылает сигналы на специальный процессор.
Он преобразует их в инструкции, которые затем передаются на имплантированное устройство по беспроводной сети. Затем электроды стимулируют нервные клетки в передней части сетчатки.
В результате люди могут различать объекты с высококонтрастными краями, такие как двери или окна. А кто-то — даже расшифровывать крупные буквы на стендах.
Мужчина с установленным имплантатом сетчатки Argus II. В течение двух десятилетий он был полностью слеп, а теперь может отличить тротуар от проезжей части, 2011 год
© AP Photo/Martin Cleaver
Ориентироваться с помощью протеза удается не сразу. Пользователи должны натренировать свой мозг, чтобы он научился интерпретировать информацию с чипа.
Они также должны привыкнуть к тому, что придется поворавивать голову из стороны в сторону, — ведь протез сам не обеспечивает движение глаз. К тому же он работает только при хорошем освещении, и может «глючить».
Но даже в таком виде, по отзывам, он уже радикально меняет жизнь ослепших пациентов.
Следующие поколения имплантов уже могут стимулировать клетки, которые находятся в глубине сетчатки. Картинка получается точнее и богаче.
Немецкая компания Retina Implant создала имплант на основе полупроводников, которые непосредственно улавливают свет, попадающий в глаз. Питание подается от портативного устройства через катушку, которая вживляется под кожу над ухом.
Alpha AMS, текущая версия системы, получила одобрение регулирующих органов в Европе все для того же ретинита.
Сейчас у таких устройств есть ограничение: нужно, чтобы в сетчатке все же оставались работающие нервные клетки. При заболеваниях, которые поражают в основном фоточувствительные клетки, как пигментный ретинит, обычно так и происходит. Но когда умирает слишком много клеток сетчатки, как при запущенной диабетической ретинопатии и глаукоме, такие импланты не могут помочь.
Сейчас Хумаюн и его коллеги работают над системой, которая посылает сигналы прямо в мозг, в обход глаза.
Идея не нова: в 1970-х годах американский биомедицинский инженер Уильям Добелль показал, что фосфены появляются и после прямой стимуляции зрительной коры мозга. Но практически этот механизм удалось реализовать только в последние годы.
Он тоже использует видеокамеру и процессор для передачи данных. Только чип устанавливается не на сетчатку, а прямо на кору мозга.
Пока устройство Orion протестировали на шести добровольцах с ограниченным или отсутствующим восприятием света из-за травмы глаза, повреждения сетчатки или зрительного нерва. «Результаты хорошие», — считает Хумаюн. Впрочем, подробных научных публикаций пока нет. Зато риски при операции на мозге гораздо выше: имплант может не прижиться и даже вызвать воспаление.
Генная терапия
Если слепота вызвана мутацией в каком-то гене, можно попробовать воздействовать конкретно на него: «выключить» его дефектную копию в организме и заменить ее на здоровую, которая будет выполнять нужные функции. Сейчас такие операции совершаются с помощью вируса. Его изменяют в лаборатории таким образом, чтобы он доставлял нужный ген прямо в клетки, не принося им вреда, и вводят в орган.
Здесь есть два главных препятствия: своенравность самого вируса, который может действовать не так, как нужно ученым, и активность иммунитета, который свяжет вирусные частицы до того, как они выполнят свою миссию. Но в этом отношении глаз — идеальная мишень. Во-первых, он небольшой и почти не контактирует с другими органами. А во-вторых, его иммунная система редко атакует чужаков.
Впервые генную терапию опробовали на людях с наследственной атрофией зрительного нерва из-за мутации в гене RPE65.
Эта болезнь развивается в первые годы жизни, часто проявляясь в виде куриной слепоты, а затем прогрессирует до обширной потери зрения, которая начинается на периферии поля зрения. От нее страдает примерно один из 40 000 детей.
Клинические испытания III фазы в 2017 году увенчались успехом: люди с почти полной потерей зрения после лечения могли лучше видеть препятствия и обходить их. В декабре того же года терапия получила одобрение американского регуляторного органа.
Восьмилетний мальчик, прошедший курс генной терапии для лечения слепоты по технологии Luxturna, 2017 год
© AP Photo/Bill West
Luxturna стала первой генной терапией, получившей зеленый свет для клинического использования. Но пока это достижение на уровне приготовления яичницы, а цель — освоить всю «кулинарную книгу».
Дело в том, что для развития болезни человек должен получить две дефектные копии гена RPE65 — по одной от каждого родителя. Значит, для излечения нужно заменить только одну.
Но в большинстве случаев простое добавление нормальной копии гена не поможет; необходимо «выключить» мутировавший ген.
У генной терапии есть и другие серьезные ограничения. Она перспективна только для наследственных мутаций и может развиваться по принципу «одно лекарство — одна мишень».
Поскольку в развитие слепоты так или иначе вовлечены более 250 генов, число возможных терапевтических мишеней огромно. Например, более 100 мутаций в гене RHO приводят к пигментному ретиниту — самому распространенному наследственному заболеванию сетчатки.
Генная терапия также бесполезна на поздних стадиях болезни, при которой сетчатка почти уничтожена.
Оптогенетика
В отличие от генной терапии, подход, основанный на оптогенетике, можно использовать на разных стадиях развития болезни.
В оптогенетике вирус доставляет в клетки глаза гены, которые позволяют им производить светочувствительные белки — опсины.
Рост опсинов может восстановить некоторую светочувствительность поврежденных фоторецепторов или даже сделать чувствительными к свету те клетки, которым обычно эта функция не свойственна.
Несколько лет назад ученым удалось восстановить светочувствительность клеток (колбочек), пораженных пигментным ретинитом, у мышей. Конечно, сами мыши не могли сообщить о результатах, но исследователи смогли определить его косвенным путем — измерив активность нервных клеток сетчатки, которые стимулируются колбочками при попадании на них света.
На эту тему
Слабым местом этого подхода было то, что опсины хорошо работают только при ярком свете. Но таких условий удается достичь не всегда. Но ученым удалось найти решение: приспособить специальные очки, которые дополнительно стимулируют клетки сетчатки.
Это усиливает их чувствительность. В результате пациент может видеть силуэты крупных предметов и объектов. В прошлом месяце результаты испытаний этой двойной системы на одном пациенте были опубликованы в ведущем научном журнале Nature Medicine.
Остается одна проблема: лечение опсинами плохо работает в тандеме с естественным зрением. Если разрушены только некоторые части сетчатки, но зрение сохраняется в других областях, опсины могут «засвечивать» их и мешать естественному зрению. В будущем ученые надеются модифицировать опсины таким образом, чтобы управлять их параметрами.
Регенерация клеток
Более сложный, но в каком-то смысле и самый естественный путь — вырастить клетки органа из собственных тканей пациента.
Для этого биоинженеры обычно берут немного живых клеток кожи и превращают их в стволовые — клетки-предшественники, из которых формируются все остальные.
В биореакторе из них выращивают необходимые клетки глаза: светочувствительные или нервные, в зависимости от болезни.
Стволовыми клетками потенциально может вылечить слепоту даже на поздних стадиях. Однако на практике «уговорить» новые клетки стать частью органа не так просто. Пересаженные нервные клетки должны соединиться с соседями и начать передавать сигнал. Исследования на животных показали, что только небольшая часть из них способна правильно встроиться в сетчатку.
Проще обстоит дело с клетками пигментного эпителия. Это наружный слой, который питает глаз и защищает его от повреждений. Один из самых частых диагнозов нарушения работы этих клеток — возрастная макулярная дистрофия. Сегодня их уже научились неплохо воссоздавать на животных моделях.
Для этого ученые создают специальные клеточные каркасы, которые затем переносят в глаз в составе биогеля. Гель растворяется, а клеточная «заплатка» врастает в глаз и начинает работать. В 2018 году в Америке выращенный в пробирке пигментный эпителий успешно имплантировали четырем пациентам.
У всех четырех прекратилось ухудшение зрения, обусловленное болезнью.
Еще один вариант пока звучит довольно экзотически — попробовать возбудить процессы регенерации в уже имеющихся клетках. У большинства животных такой способности нет, но есть у рептилий и некоторых рыб. Томас Рех, нейробиолог из Вашингтонского университета в Сиэтле, пытается подобрать ключ к этой способности у людей. И первые результаты он уже получил.
В начале 2000-х Рех выделил клетки, которые обеспечивают структуру сетчатки и поддерживают ее функцию. Именно они, как он утверждает, и являются «фабриками» по производству новых нейронов у рыб и рептилий.
В 2015 году он и его команда вырастили генетически измененных мышей, которым ввели ген для производства белка Ascl1, — он необходим для производства тех самых нейронов у рыб.
Затем мышам повредили сетчатку и стали ждать, что Ascl1 запустит процесс регенерации.
Эксперимент не удался в полной мере. Новые нейроны не появились у взрослых мышей.
Зато они появились у молодых! Впоследствии Николас Йорстад — биохимик и аспирант в команде Реха — обнаружил, что во взрослых клетках присутствует особый фермент, который блокирует их доступ к гену Ascl1. Группа Реха взялась за работу с удвоенной силой.
В 2017 году они смогли заблокировать фермент и добиться того, чтобы регенерация началась и у взрослых мышей. Хотя их строение отличалось от естественных клеток, тесты показали, что новые нейроны чувствительны к свету.
Потребуются еще годы, чтобы отшлифовать все методы и обойти подводные камни. Но сегодня мы уже находимся на стадии «гонки вооружений». Вопрос не в том, возможно ли восстановить зрение даже при полной потере. Вопрос, кто сделает это качественнее, быстрее и дешевле.
Антон Солдатов
Нейронауки в Science и Nature. Выпуск 211: можно ли вылечить слепоту стволовыми клетками?
В журнале Nature вышел обзор последних достижений в области регенеративной офтальмологии — о лечении стволовыми клетками болезней глаз: глаукомы, повреждений роговицы и дегенерации желтого пятна.
Первая в мире роговица, созданная при помощи биопечати и стволовых клеток. Credit: Newcastle University
Большинство клеток в нашем организме специализируются на определенных задачах: эритроциты переносят кислород из легких к тканям и углекислый газ в обратном направлении, клетки желез вырабатывают специфические молекулы и «рассылают» их по кровотоку остальным клеткам, клетки сетчатки улавливают свет и передают в мозг сигналы. Стволовые клетки — «мать всех клеток», клетки-предшественники, способные дифференцироваться, то есть превращаться в специализированные клетки. Именно стволовые клетки ответственны за обновление изношенных клеток нашего организма.
Восстановление роговицы
В норме роговицу окружает лимб — полупрозрачное кольцо, содержащее стволовые клетки. Эти клетки образуют эпителиальный слой, который защищает и поддерживает роговицу.
При травме или инфекции запас стволовых клеток истощается, роговица не регенерирует и мутнеет, в результате чего ухудшается зрение.
Поврежденную роговицу можно заменить на донорскую, но без стволовых клеток ее со временем постигнет та же участь, что и родную роговицу.
Лимб роговицы. Credit: Gene Vision
Чтобы решить эту проблему, в Massachusetts Eye and Ear — больнице, которая специализируется на офтальмологии и отоларингологии, — в поврежденный глаз пересадили стволовые клетки.
Их брали из здорового глаза и выращивали на образце амниотической мембраны — слое плаценты, который уже давно применяется для ускорения заживления поврежденной роговицы. Когда лист из стволовых клеток достигал нужного размера, его пересаживали в поврежденный глаз.
Пациентам с истощенным запасом стволовых клеток, но неповрежденной роговицей такой процедуры оказалось достаточно для восстановления зрения. Другим пациентам, помимо пересадки стволовых клеток, потребовалась трансплантация роговицы от донора.
Регенеративная медицина существует около 25 лет. За это время ученые создавали из стволовых клеток различные ткани, от сетчатки до сердечной мышцы. Однако пересадка стволовых клеток в глаза часто заканчивалась неудачей. Отчасти это было связано с тем, что в глазном яблоке содержится множество различных типов клеток.
Поэтому Кодзи Нисида (Kohji Nishida), офтальмолог из Осакского Университета, решил создать органоид глаза — трехмерную структуру, которая растет в лаборатории и имитирует развитие глаза. Из этого органоида можно взять эпителиальный слой, содержащий необходимые стволовые клетки, и перенести его в поврежденный глаз.
Нисида уже пересадил такие «пластыри» из стволовых клеток четырем испытуемым. Все трансплантаты прижились, зрение у пациентов улучшилось. Первую фазу клинического испытания ученый планирует завершить к марту 2022 года.
Затем он надеется провести исследование в других центрах, а в течение нескольких лет получить разрешение на лечение пациентов этим методом.
Другой исследователь — Че Коннон (Che J.Connon), тканевый инженер из Ньюкаслского университета в Англии, печатает роговицы на биопринтере.
Он смешивает стволовые клетки с коллагеном и экстрактом водорослей и формирует биочернила. С помощью 3D-печати эти биочернила наносятся на изогнутую подложку — так создается роговица.
Ученый надеется, что через несколько лет такую роговицу можно будет пересаживать людям.
Восстановление сетчатки
У людей старше 60 лет зрение часто ухудшается из-за возрастной дегенерации желтого пятна — области на задней части сетчатки глаза. Этим заболеванием во всем мире страдают почти 200 миллионов человек. Болезнь развивается из-за разрушения пигментного эпителия сетчатки — слоя клеток, который обеспечивает питательными веществами фоторецепторы.
К фоторецепторам сетчатки человеческого глаза относятся три типа колбочек, которые отвечают за цветное зрение, и один вид палочек, отвечающий за сумеречное зрение. Разрушение клеток эпителия приводит к гибели фоторецепторов и потере зрения.
Клетки пигментного эпителия также могут повреждаться при различных болезнях глаз, например при диабетической ретинопатии.
Попытки пересадить клетки пигментного эпителия, выращенные из стволовых клеток, долгое время заканчивались провалом. К 2013 году хороших результатов удалось достичь, пересаживая клетки не по отдельности, а сплошным слоем.
Такого подхода придерживается Капил Бхарти (Kapil Bharti) — клеточный биолог из Национального института глаз в Бетесде, США.
Он выращивает клетки пигментного эпителия на биоразлагаемом полимерном каркасе, уже одобренном FDA, и пересаживает их целым листом.
Для производства этих клеток Бхарти использует индуцированные стволовые клетки, полученные из собственных клеток крови пациента.
Преимущество такого подхода состоит в том, что можно не использовать иммунодепрессанты, предотвращающие отторжение трансплантата.
Бхарти работает вместе с офтальмологом Дэвидом Гаммом (David Gamm), который использует стволовые клетки для выращивания фоторецепторов.
Восстановление ганглионарных клеток
Фоторецепторные клетки с одной стороны прикрепляются к слою пигментного эпителия, а с другой — к биполярным клеткам, которые связываются с ганглионарными клетками сетчатки. Аксоны ганглиозных клеток входят в зрительный нерв и передают сигналы от сетчатки к мозгу.
Строение сетчатки. Credit: Nature
Петр Баранов (Petr Baranov) возглавил совместное исследование Гарвардской медицинской школы и Московского физико-технического института. Ученые выращивают ганглионарные клетки сетчатки из стволовых клеток и трансплантируют их мышам с уничтоженными собственными ганглионарными клетками.
Около 65% пересаженных ганглионарных клеток прижились на срок не менее 12 месяцев. Измерив сигналы, идущие от сетчатки к мозгу, ученые определили, что новые клетки функционируют. Улучшают ли эти трансплантаты зрение, пока неизвестно, исследователи надеются выяснить это в ближайшее время.
Пока они пересаживают в один глаз 10–20 тысяч клеток, а чтобы восстановить зрение, по их словам, нужны сотни тысяч клеток.
Несмотря на бурное развитие регенеративной медицины полностью вернуть зрение этими методами пока не удается. Исследователи только учатся восстанавливать различные части глаза и надеются, что в дальнейшем эти методы избавят пациентов от слепоты.
Вера Васильева
Reversing blindness with stem cells by Neil Savage in Nature. Published September 2021. https://doi.org/10.1038/d41586-021-02629-w
Оставить комментарий