Nethindeimplantater

Den aktuelle version af siden er endnu ikke blevet gennemgået af erfarne bidragydere og kan afvige væsentligt fra den version , der blev gennemgået den 17. januar 2017; checks kræver 24 redigeringer .

Nethindeimplantater er  en klasse af biomedicinske teknologier , der er i stand til at erstatte den menneskelige nethinde i tilfælde af skade eller dysfunktion. Nethindeimplantater udvikles i øjeblikket af en række private virksomheder og forskningsinstitutter rundt om i verden. Implantatet er beregnet til delvist at genoprette nyttigt syn for personer, der har mistet synet på grund af degenerative øjensygdomme , såsom retinitis pigmentosa eller makuladegeneration . Tre typer retinale implantater er i øjeblikket i kliniske forsøg : epiretinale implantater (på nethinden), subretinale implantater(bag nethinden) og suprakoroidale implantater (over årehinden). Nethindeimplantater giver brugeren mulighed for at se ved lav opløsning gennem elektrisk stimulering af de resterende nethindeceller. Sådanne billeder kan være tilstrækkelige til at genoprette nogle visuelle evner såsom lysopfattelse og objektgenkendelse.

Argus II -nethindeimplantatet opnåede markedsaccept i USA i februar 2013 og i Europa i februar 2011 og blev det første godkendte implantat. Enheden kan hjælpe voksne med retinitis pigmentosa, som har mistet evnen til at opfatte former og bevægelser, til at være mere mobile og udføre daglige aktiviteter. Den subretinale enhed, kendt som et nethindeimplantat , blev oprindeligt udviklet i Tyskland. Den har gennemført kliniske multicenterforsøg i Europa og blev tildelt CE-mærket i 2013, hvilket gør den til den første trådløse subretinale enhed, der opnåede markedsaccept .

Historie

Förster var den første til at opdage, at elektrisk stimulation i den occipitale cortex kunne bruges til at generere visuelle perceptioner, phosphener [1] . Den første implanterbare stimulator til at genoprette synet blev udviklet af Dr. Brindley og Lewin i 1968 [ 2] .  Dette eksperiment demonstrerede levedygtigheden af ​​at skabe visuelle perceptioner med direkte elektrisk stimulation, og dette foranledigede udviklingen af ​​andre implanterbare enheder til at stimulere den visuelle vej, herunder retinale implantater [3] . Retinalstimuleringsanordninger er blevet et genstand for forskning, da cirka halvdelen af ​​alle tilfælde af blindhed er forårsaget af beskadigelse af nethinden [4] . Udviklingen af ​​retinale implantater har også været delvist motiveret af fremskridtene og succesen af ​​cochleære implantater , som har demonstreret evnen til at genoprette betydelig sensorisk funktion med begrænset input [5] .  

Kandidater

Optimale kandidater til retinale implantater er retinale sygdomme som retinitis pigmentosa eller aldersrelateret makuladegeneration . Disse sygdomme fører til blindhed ved at påvirke fotoreceptorcellerne i det ydre lag af nethinden, så de indre og midterste lag af nethinden efterlades uændrede [4] [6] [7] [8] [9] [10] . En patient skal som minimum have et intakt gangliecellelag for at være kandidat til implantation. Dette kan påvises ved ikke-invasiv brug af optisk kohærenstomografi (OCT) [11] . Andre faktorer, herunder mængden af ​​resterende syn, tages også i betragtning ved bestemmelse af kandidater til retinal implantation. Hos patienter med aldersrelateret makuladegeneration, som kan have intakt perifert syn, kan retinale implantater resultere i en hybrid form for syn. I dette tilfælde vil implantatet komplementere det resterende perifere syn til den centrale visuelle information [12] .

Typer af nethindeimplantater

Der er to hovedtyper af nethindeimplantater. Epiretinale implantater placeres på den indvendige overflade af nethinden , mens subretinale implantater placeres mellem det ydre lag af nethinden og nethindens pigmentepitel .

Epiretinale implantater

Designprincipper

Epiretinale implantater er placeret på den indvendige overflade af nethinden og stimulerer direkte ganglieceller og omgår alle andre lag af nethinden. Epiretinale implantater består af en siliciumplade med en række platinelektroder placeret på det indre lag af nethinden. Arrayet er stabiliseret med mikronegle, med let mekanisk tryk fra glaslegemet . Det epiretinale implantat kræver et eksternt kamera til billeddannelse [12] . Kameraet modtager et billede af omgivelserne, behandler billedet og transmitterer information om billedet til det implanterede elektrodesystem via en trådløs telemetrikanal. En ekstern transmitter er også påkrævet for at levere kontinuerlig strøm til implantatet ved hjælp af RF-induktion eller infrarøde lasere. Det eksterne kamera og billedbehandlingschip er normalt monteret på patientens briller [3] . Billedbehandling involverer nedskalering af billedet og konvertering af billedet til rumlige og tidsmæssige stimuleringsmønstre for at aktivere de passende retinale celler [4] [12] .

Fordele

Epiretinale implantater har den fordel, at de omgår det meste af nethinden , og lukker for gangliecellefunktionen i det indre lag af nethinden. Epiretinale implantater kan således give visuel opfattelse hos mennesker med nethindesygdomme, der strækker sig ud over fotoreceptorlaget . Det meste elektronik kan understøtte eksterne komponenter forbundet med det, hvilket gør det muligt at reducere størrelsen af ​​implantatet og foretage enkle opgraderinger uden yderligere kirurgi [13] . Ekstern elektronik giver også klinikeren mulighed for at have fuldstændig kontrol over billedbehandlingen og skræddersy behandlingen til hver patient [3] . Derudover gør den specifikke placering af epiretinale implantater det muligt for glaslegemet at tjene som kølelegeme for implantatet [14] .

Ulemper

Den største ulempe ved epiretinale implantater er behovet for en ekstern enhed, som kan være besværlig at have på. Det ydre kamera tvinger også motivet til at bevæge hovedet, når det ændrer blikkets retning. Epiretinale implantater kan stimulere ikke kun ganglieceller, men også nærliggende axoner, som kan være forbundet med andre områder . Dette kan føre til let forvrænget skabelonstimulering, som skal korrigeres ved elektronisk behandling [4] . Derudover kræver stimulering af gangliecellelaget mere sofistikerede billedbehandlingsteknikker for at tage højde for den konventionelle behandling forbundet med omgåede nethindelag [3] . Mens et epiretinal implantat kan stabiliseres af glaslegemets tryk, kan yderligere mekanisk fiksering ved hjælp af mikronegle være påkrævet [15] [16] .

Kliniske undersøgelser

Det første epiretinale implantat, ARGUS, omfattede en siliciumwafer med et array af 16 platinelektroder [12] . Fase I af det kliniske ARGUS-studie begyndte i 2002 med implantation af enheden hos seks deltagere. Alle patienter rapporterede en stigning i lysstyrke og diskretisering af phosphener, nogle patienter viste en signifikant forbedring i visuel funktion over tid. Fremtidige versioner af ARGUS udvikles til stadig tættere arrays af elektroder, hvilket giver mulighed for forbedret rumlig opløsning. Den seneste ARGUS II-enhed indeholder 60 elektroder, og en 200-elektrode-enhed er under udvikling af øjenlæger og ingeniører ved USC Eye Institute [17] . ARGUS II modtog markedsføringsgodkendelse i februar 2011 (CE-mærket viser sikkerhed og ydeevne) og er tilgængelig i Tyskland, Frankrig, Italien og Storbritannien. Foreløbige resultater fra langtidsstudier med 30 patienter blev offentliggjort i Ophthalmology i 2012 . Argus II modtog amerikansk FDA-godkendelse den 14. april 2013. FDA-godkendelsen Boston Subretinal Implant Project har også udviklet en række iterationer af funktionelle epiretinale implantater og har fokuseret på analyse af implantatets funktion.En anden epiretinal enhed, et oplærbart nethindeimplantat , er blevet udviklet af IIP technologies GmbH og er gået ind i kliniske forsøg [12] . En fjerde epiretinal enhed, EPI-RET, er blevet udviklet, og kliniske forsøg er påbegyndt med seks patienter. EPI-RET indeholder 25 elektroder og kræver udskiftning af linsen med en modtagerchip. Alle forsøgspersoner demonstrerede evnen til at skelne mellem forskellige rumlige og tidsmæssige former for stimulering [18] .

Subretinale implantater

Designprincipper

Subretinale implantater er placeret på den ydre overflade af nethinden , mellem fotoreceptorlaget og det retinale pigmentepitel , hvilket direkte stimulerer retinale celler, der er afhængige af konventionel behandling af de indre og mellemste lag af nethinden [3] . Binding af et subretinalt implantat på dette sted er relativt simpelt, da implantatet er mekanisk begrænset af afstanden mellem det ydre lag af nethinden og retinalt pigmentepitel. Det subretinale implantat består af en siliciumwafer indeholdende lysfølsomme mikrofotodioder , der genererer signaler direkte fra indkommende lys. Indfaldende lys, der passerer gennem nethinden, genererer strømme i mikrofotodioder, som direkte injicerer den resulterende strøm i de underliggende nethindeceller via et multielektrodearray . Strukturen af ​​mikrofotodioder aktiveres af indfaldende lys, hvilket stimulerer bipolære , vandrette , amacrine og gangliecelletyper , hvilket resulterer i visuel opfattelse af det oprindelige indfaldende billede. I princippet kræver subretinale implantater ikke noget eksternt udstyr ud over det implanterede mikrofotodiodearray. Nogle subretinale implantater kræver dog strøm fra et eksternt billedforstærkningskredsløb [4] .

Fordele

Det subretinale implantat har nogle fordele i forhold til det epiretinale implantat med hensyn til let design. Erhvervelse af et lysbillede, dets behandling og stimulering udføres alle af mikrofotodioder installeret på en enkelt chip, i modsætning til et epiretinal implantat, der kræver et eksternt kamera, en behandlingschip og implantation af flere elektroder [4] . Subretinal placering forenkler også sagen ved at placere det stimulerende array i umiddelbar nærhed af de beskadigede fotoreceptorer [3] [12] . Baseret på funktionerne i de resterende lag af nethinden, tillader subretinale implantater normal intern bearbejdning af nethinden, inklusive forbedring, hvilket fører til et fald i den samlede negative reaktionstærskel [3] . Derudover tillader subretinale implantater, at blikket bevæges gennem normale øjenbevægelser. Retinotopstimulering fra subretinale implantater er i starten mere nøjagtig, da mønsteret af indfaldende lys på mikrofotodioder er et direkte billede. Subretinale implantater kræver minimal fiksering, fordi det subretinale rum er mekanisk begrænset, og det retinale pigmentepitel skaber et undertryk i subretinalrummet [4] .

Ulemper

Den største ulempe ved subretinale implantater er kravet om, at niveauet af indfaldende lys er tilstrækkeligt til normal drift af mikrofotodioder. Subretinale implantater inkluderer således ofte en ekstern strømkilde for at forstærke effekten af ​​det indfaldende lys [3] . Subretinalrummets kompakte natur pålægger betydelige begrænsninger for implantatets størrelse. Nærheden mellem implantatet og nethinden øger også muligheden for termisk beskadigelse af nethinden fra den varme, der genereres af implantatet [4] . Subretinale implantater kræver intakte indre og mellemste lag af nethinden og er derfor ikke egnede til nethindesygdomme, der strækker sig ud over det ydre lag af fotoreceptorer. Derudover kan tabet af fotoreceptorer føre til dannelsen af ​​en membran ved grænsen af ​​beskadigede fotoreceptorer, som igen kan forstyrre stimulering og øge stimulationstærsklen [12] .

Kliniske undersøgelser

Optobionics var det første firma, der udviklede det subretinale implantat og validerede det i kliniske forsøg. Indledende rapporter antydede, at implantationsproceduren var sikker, og alle forsøgsdeltagere bemærkede en mild forbedring af synsfunktionen og et delvist tilbagevenden i lysopfattelsen [19] . Den nuværende version af denne enhed er blevet implanteret i 10 patienter, som alle rapporterede en forbedring i opfattelsen af ​​visuelle detaljer, herunder kontrast, form og bevægelse [4] . Retina Implant AG i Tyskland har også udviklet et subretinalt implantat, der er blevet klinisk testet på ni patienter. Eksperimenterne blev udskudt på grund af fejl og fejl [12] . Retina Implant AG-enheden indeholder 1500 mikrofotodioder, som giver mulighed for øget rumlig opløsning, men kræver en ekstern strømkilde. Retina Implant AG rapporterede 12 måneders resultater fra undersøgelsen i Alpha IMS-undersøgelsen i februar 2013, der viste, at seks ud af ni patienter havde apparatfejl inden for ni måneder efter implantation, Proceedings of the Royal Society B , og at fem ud af otte forsøgspersoner rapporterede om forskellige implantater -medierede visuelle perceptioner i hverdagen. Den ene havde skader på synsnerven og opfattede ikke stimulation. [20] . Resultaterne af alle kliniske forsøg til dato viser, at patienter, der modtager subretinale implantater, rapporterer phosphenopfattelse, hvor nogle opnår evnen til at udføre grundlæggende visuelle opgaver såsom formgenkendelse og bevægelsesdetektion [12] .

Rumlig opløsning

Kvaliteten af ​​synet, der forventes af et nethindeimplantat, er i høj grad baseret på implantatets maksimale rumlige opløsning. Nuværende nethindeimplantatprototyper er i stand til billedpixelering i lav opløsning . De "state of the art" retinale implantater omfatter 60-100 kanaler, hvilket er tilstrækkeligt til genkendelse af objekter og daglige aktiviteter. Modellering af de resulterende pixelerede billeder tillader os imidlertid ikke at antage, at alle implantatelektroder er i kontakt med den ønskede nethindecelle. Det forventes således, at den rumlige opløsning i dette tilfælde er endnu lavere, da nogle af elektroderne muligvis ikke fungerer optimalt [3] . Læseforsøg har vist, at ydeevnen af ​​et 60-kanals implantat er tilstrækkelig til delvist at genoprette læseevnen, men kun med en signifikant stigning i teksten [21] . Lignende eksperimenter, der evaluerede graden af ​​navigationsevne af pixelerede billeder, viste, at 60 kanaler var tilstrækkelige for erfarne forsøgspersoner, mens 256 kanaler var nødvendige for uerfarne forsøgspersoner. Dette eksperiment demonstrerede derfor ikke kun den funktionalitet, som visuel feedback i lav opløsning giver, men også evnen til at tilpasse og forbedre sig over tid [22] . Disse eksperimenter er dog kun baseret på simuleringer af dårligt syn hos normale forsøgspersoner og ikke på kliniske forsøg med implanterede patienter. Antallet af elektroder, der kræves til læsning eller rumnavigation hos implanterede personer, kan variere, og yderligere test bør udføres blandt disse patienter for at bestemme den nødvendige rumlige opløsning for specifikke visuelle opgaver.

Simuleringsresultater viser, at 600-1000 elektroder ville være nødvendige for at kunne udføre en lang række opgaver, herunder læsning, ansigtsgenkendelse og rumnavigation [3] . Således skal den eksisterende rumlige opløsning af retinale implantater øges med en faktor 10, mens opløsningen af ​​eksisterende implantater er for lav til at genoprette tilstrækkelige visuelle funktioner til disse opgaver.

Nuværende status og udviklingsmuligheder

Kliniske rapporter til dato har vist blandet succes, hvor alle patienter rapporterer i det mindste en vis fornemmelse af lys fra elektroderne, og et mindretal af øget synsfunktion, såsom identifikation af lyse og mørke områder. Kliniske rapporter indikerer, at selv ved lav opløsning er retinale implantater potentielt nyttige til at give et vis syn til mennesker, som ellers ikke ville have nogen [12] . Det er stadig uklart størrelsen af ​​reduktionen i synsniveau ved brug af retinale implantater for at afbalancere de risici, der er forbundet med den kirurgiske procedure, især for patienter med intakt perifert syn. Adskillige andre aspekter af retinale implantater bør overvejes i yderligere undersøgelser, herunder den langsigtede stabilitet af implantater og retinal neuroplasticitet under langtidsstimulering [4] .

Noter

  1. ↑ O. Foerster. Beitrage zur Pathophysiologie der Sehbahn und der Sehsphare  (tysk)  // Journal fur Psychologie und Neurologie: Magazin. - 1929. - Bd. 39 . - S. 463-485 .
  2. ↑ G. Brindley, W. Lewin. Fornemmelsen frembragt ved elektrisk stimulering af den visuelle cortex  //  Journal of Physiology : journal. - 1968. - Bd. 196 . - S. 479-493 .
  3. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 J. Weiland, T. Liu, M. Humayun. Nethindeprotese  (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. Vil retinale implantater genoprette synet? (engelsk)  // Videnskab. - 2002. - Bd. 295 . - S. 1022-1025 . - doi : 10.1126/science.1067996 .
  5. ↑ F. Zeng. Tendenser inden for cochleaimplantater. (engelsk)  // Trends in Amplification : journal. - 2004. - Bd. 8 , nr. 1 . - S. 1-34 . - doi : 10.1177/108471380400800102 .
  6. ↑ J. Stone, W. Barlow, M. Humayun, E. deJuan Jr., A. Milam. Morfometrisk analyse af makulære fotoreceptorer og ganglieceller i nethinder med retinitis pigmentosa  (engelsk)  // Archives of Ophthalmology : journal. - 1992. - Bd. 110 . - S. 1634-1639 . - doi : 10.1001/archopht.1992.01080230134038 .
  7. ↑ A. Santos, M. Humayun, E. deJuan Jr., R. Greenburg, M. Marsh, I. Klock, et. al. Bevarelse af den indre nethinde i retinitis pigmentosa: En morfometrisk analyse  (engelsk)  // Archives of Ophthalmology : journal. - 1997. - Bd. 115 . - S. 511-515 . - doi : 10.1001/archopht.1997.01100150513011 .
  8. ↑ M. Humayun. Morfometrisk analyse af den ekstramakulære nethinde fra post mortem øjne med retinitis pigmentosa   // Undersøgende oftalmologi og visuel videnskab : journal. - 1999. - Bd. 40 . - S. 143-148 .
  9. ↑ S. Kim, S. Sadda, M. Humayun, E. deJuan Jr., B. Melia, W. Green. Morfometrisk analyse af macula i øjne med geografisk atrofi på grund af aldersrelateret makuladegeneration  (engelsk)  // Retina : journal. - 2002. - Bd. 46 . - S. 4-10 .
  10. ↑ S. Kim, S. Sadda, J. Pearlman, M. Humayun, E. deJuan Jr., B. Melia, et. al. Morfometrisk analyse af macula i øjne med disciform aldersrelateret makuladegeneration  (engelsk)  // Retina : journal. - 2002. - Bd. 47 . - S. 1-7 .
  11. ↑ T. Matsuo, N. Morimoto. Synsstyrke og perimakulære retinale lag påvist ved optisk kohærenstomografi hos patienter med retinitis pigmentosa   // Undersøgende oftalmologi og visuel videnskab : journal. - 2007. - Bd. 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. Kunstigt syn: behov, funktion og test af en retinal elektronisk protese  (engelsk)  // Progress in Brain Research: journal. - 2009. - Bd. 175 . - P. 0079-6123 .
  13. ↑ W. Liu, K. Vichienchom, M. Clements, C. Demarco, C. Hughes, C. McGucken, et. al. En neurostimulus-chip med telemetrienhed til retinalproteseanordning  (engelsk)  // IEEE Solid-State Circuits : journal. - 2000. - Vol. 35 , nr. 10 . - S. 1487-1497 . - doi : 10.1109/4.871327 .
  14. ↑ D. Piyathaisere, E. Margalit, S. Chen, J. Shyu, S. D'Anna, J. Weiland, et. al. Varmepåvirkninger på nethinden  (neopr.)  // Oftalmisk kirurgi, lasere og billeddannelse. - 2003. - T. 34 , nr. 2 . - S. 114-120 .
  15. ↑ A. Majji, M. Humayun, J. Weiland, S. Suzuki, S. D'Anna, E. deJuan Jr. Langsigtede histologiske og elektrofysiologiske resultater af en inaktiv epiretinal elektrode array implantation hos hunde  // Undersøgende oftalmologi og visuel  videnskab : journal. - 1999. - Bd. 40 , nej. 9 . - S. 2073-2081 .
  16. ↑ P. Walter, P. Szurman, M. Vobig, H. Berk, H. Ludtke-Handjery, H. Richter, et. al. Vellykket langtidsimplantation af elektrisk inaktive epiretinale mikroelektrodearrays i kaniner  (engelsk)  // Retina : journal. - 1999. - Bd. 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. Visuel perception hos et blindt individ med en kronisk mikroelektronisk nethindeprotese  (engelsk)  // Vision Research : journal. - 2003. - Bd. 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 et trådløst intraokulært epiretinal implantat fremkalder visuelle percepter hos blinde mennesker  // Undersøgende oftalmologi og visuel  videnskab : journal. - 2011. - Bd. 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.  Den kunstige silikone nethindemikrochip til behandling af synstab fra retinitis pigmentosa  // Archives of Ophthalmology : journal. - 2004. - Bd. 122 . - S. 1156-1157 .
  20. ↑ J. Rizzo III, J. Wyatt Jr., J. Lowenstein, S. Kelly, D. Shire. Perceptuel effektivitet af elektrisk stimulering af menneskelig nethinde med mikroelektrodearray under kortvarige kirurgiske forsøg  // Undersøgende  oftalmologi og visuel videnskab : journal. - 2003. - Bd. 44 . - P. 5362-5369 . - doi : 10.1167/iovs.02-0817 .
  21. ↑ A. Fornos, J. Sommerhalder, M. Pelizzone. Læsning med et simuleret 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. Virkelig og virtuel mobilitetspræstation i simuleret protesesyn  (engelsk)  // Journal of Neural Engineering: tidsskrift. - 2007. - Bd. 4 , nr. 1 . - P. S92-101 . - doi : 10.1088/1741-2560/4/1/s11 .
  Gå til Wikidata-elementet  Ordbøger og encyklopædier