CC BY
67
УДК 617.735 БКК 56.7
АКТУАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ИМПЛАНТАЦИИ ПРОТЕЗА
ИСКУССТВЕННОЙ СЕТЧАТКИ
КУЗИНА О.Е., ЛАПТЕВА А.Б., ТКАЧЕНКО К.А., ПОЧКАРЕВА Е.И, ЛИПИНА М.А. ФГБОУВО УГМУМинздрава России, Екатеринбург, Россия e-mail: anna1.69@mail.ru
Аннотация
В статье представлен обзор наиболее современных протезов сетчатки: Argus II, Retina Implant Alpha-IMS Retina Implant Alpha AMS, IRIS II. Обзор знакомит с современными подходами к стимуляции сетчатки, а также выделяет проблемы и направления дальнейших исследований.
Ключевые слова: сетчатка глаза, протез, слепота, лечение.
Актуальность. По данным всемирной организации здравоохранения во всем мире около 253 миллионов человек страдают от нарушений зрения, из которых 36 миллионов поражены слепотой и 253 миллионов имеют пониженное зрение [2]. В России, каждый второй житель имеет какое-либо нарушение зрения. Количество людей, имеющих серьезные проблемы со здоровьем глаз, ежегодно увеличивается на 45 тыс. Число абсолютно слепых россиян на сегодняшний день составляет порядка 100 тыс. человек, инвалидов по зрению - около 600 тысяч. В общей сложности, по данным Российского научного общества офтальмологов, в России проживает более миллиона слепых и слабовидящих людей [1].
Причины полного или частичного нарушения зрения разнообразны - от глазных заболеваний до генетических дефектов, травм и действия отравляющих веществ. Одними из основных причин тяжелого нарушения зрения и слепоты являются дегенеративные заболевания сетчатки. Наиболее распространенными являются Возрастная макулярная дегенерация (AMD) и Пигментный ретинит (RP).
По данным всемирной организации здравоохранения AMD находится на третьем месте после катаракты и глаукомы, среди заболеваний, приводящих к слепоте, а после 50 лет является главной причиной [10]. В Российской Федерации распространенность макулярной дегенерации составляет 0,015% [3]. В свою очередь по данным всемирной организации здравоохранения
распространенность пигментного ретинита достигает 1,5 млн. человек. Примерно 1 из 4000
человек затрагивает это заболевание и вызывает постепенную потерю зрения [5].
Учитывая масштабы и серьезность проблемы исследуются новые подходы к лечению, такие как генная терапия, оптогенетика и трансплантация клеток. Более 15 центров по всему миру занимаются проблемой протезирования сетчатки Но в настоящее время единственной стратегией, которая применима к различным типам дегенераций сетчатки является протезы сетчатки. Современные подходы к протезированию нацелены на различные участки зрительного пути и используют передовые технологии для улучшения остроты зрения и биосовместимости [11].
Цель работы. Провести сравнение наиболее современных моделей протезов сетчатки: Argus II, Retina Implant Alpha-IMS Retina Implant Alpha AMS, IRIS II и сформулировать проблемы и перспективы развития протезирования сетчатки.
Материалы и методы. Проведен литературный обзор материалов отечественных и зарубежных исследователей с использованием поисковых систем PubMed, GoogleScholar, BioMedCentral, посвященных вопросам протезов искусственной сетчатки и опубликованных за период 2013-2018 гг.
Результаты исследования. В качестве терапии для восстановления зрения пациентов, страдающих поздними дегенерациями сетчатки используются три подхода: протезирование сетчатки, оптогенетика и метод "chemical photoswitches" [17]. Протезирование - самый удобный и универсальный подход в клинической практике. Протезные имплантаты сетчатки требуют сложного хирургического
вмешательства и обеспечивают лишь ограниченное визуальное разрешение, но могут потенциально восстановить способность к навигации многим слепым пациентам. Последние достижения в области протезирования сетчатки:
1) Телеметрия
В отличие от глубоких стимуляторов мозга, которые работают на батареях с фиксированными настройками, имплантаты сетчатки имеют небольшой размер, исключающий наличие батарей, и должны постоянно обновляться новыми данными [17].
2) Демодуляция данных (при наличии беспроводной линии передачи данных), цифровое управление, аналоговые драйверы и обратная телеметрия для диагностики. Существуют специальные интегральные схемы (IC) для стимуляции сетчатки [19].
3) Создание 232-канального чипа-стимулятора сетчатки. Микросхема изготовлена в CMOS 0,35 мкм и включает в себя высокое напряжение (+/- 15 В), совместимое с высокими токами стимула через небольшие электроды. Общий размер чипа составляет менее 5х5 мм, что очень удобно в использовании [13].
В данной статье рассмотрены, наиболее перспективные и отмеченные знаком СЕ импланты.
1. Retina Implant Alpha IMS/AMS
Субретинальные имплантаты располагаются между слоем фоторецепторов и ретинальным пигментным эпителием. Данные устройства стимулируют в первую очередь клетки сетчатки, находящиеся со стороны фоторецепторов, что, как полагают разработчики, должно формировать более естественный поток импульсов в головной мозг. Именно такой имплантат разработала немецкая компания Retina Implant, который уже имеет официальное разрешение европейских регулирующих органов на его применение. Имплантат Alpha AMS предназначен для людей, страдающих от пигментного ретинита, и работает с оптическими сигналами, поступающими непосредственно на сетчатку, без применения внешней камеры. Это обеспечивает свободное движение глаз пациента. Причем окружающие могут даже не заметить, что перед ними человек с бионическим зрением. Правда, для питания устройства требуется вживлять под кожу головы систему, подобную той, что используется при кохлеарной имплантации.
Технология, использованная в устройстве, обеспечивает глаз самым большим количеством электродов по сравнению с аналогичными устройствами. Имплантат представляет собой чип 3х3 мм, содержащий 1600 фотодиодов (пикселей) с фоточувствительным элементом и парным электродом. При попадании света, фотодиод преобразует фотоны в электрический сигнал, который усиливается и воздействует на биполярные клетки сетчатки. Яркость и контрастность изображения регулируется самим пациентом с помощью пульта на батарейках,
Alpha AMS, к сожалению, не может восстановить зрение у пациента (наш глаз имеет примерно 100 миллионов "фоторецепторов-пикселей"), но может несколько повысить способность слабовидящего человека ориентироваться в пространстве и различать крупные контрастные предметы [8, 18].
2. Argus II Retinal Prosthesis System
Argus II позволяет визуальному импульсу полностью обойти поврежденные
фоторецепторы. Миниатюрная видеокамера, размещенная в очках пациента, улавливает картинку. Видео передается на небольшой компьютер, который носит пациент (т.е., блок обработки видео), где картинка обрабатывается и преобразуется в команды, отправляющиеся обратно в очки через кабель. Эти команды передаются по беспроводной сети на антенну в имплантате. Сигналы затем отправляются в электродную матрицу, которая испускает небольшие электрические импульсы. Эти импульсы обходят поврежденные
фоторецепторы и стимулируют оставшиеся клетки сетчатки, которые затем передают визуальную информацию по зрительному нерву в мозг, позволяя воспринимать рисунок света. Пациенты обучаются интерпретировать получаемые визуальные модели [18].
3. Система бионического зрения IRIS II использует камеру, встроенную в специальные очки, и состоящий из 150 электродов эпиретинальный имплант, устанавливаемый на сетчатке.
Принцип работы устройства основан на том, что изображение улавливается камерой, затем попадает в миниатюрный компьютер, подключенный к очкам проводом, где обрабатывается и по беспроводному каналу передается на имплантат. Имплантат с помощью электродов стимулирует зрительный нерв, позволяя пользователю различать черный и белый цвет, а также около десяти оттенков
серого цвета. Камера в очках имеет независимые фоторецепторов, которые она заменяет, пиксели, которые непрерывно распознают обеспечивая людей базовыми возможностями изменения в окружающей среде. В сущности, зрения, которого без этого устройства они не система работает как матрица клеток- имели.
Таблица
Сравнение протезов сетчатки по данным исследований разных авторов_
Признак
Retina Implant Alpha IMS/ AMS
Argus II Retinal Prosthesis System
IRIS II
Технические особенности
Микрофотодиодная матрица с наружным усилителем 1500 микрофотодиодов и микроэлектродов импланируемые в субретинальное пространство
Матрица состоящая из 60 электродов, имплантируемая в эпиретинальное пр-во Очки с встроенной камерой с индуктивной передачей энергии и данных к внешнему блоку электроники связанному вокруг глаза_
эпиретинальный имплант, устанавливаемый на сетчатке, состоящий из 150 электродов. используют зрелищную цифровую камеру для обнаружения падающего света, который затем передается по беспроводной сети на приемник имплантата
Максимальная потенциальная острота зрения (по шкале logMAR и десятичной системе)
G.96 logMAR [18] G. 125
1.6 logMAR [18] G.i
2.3 logMAR [9] счет пальцев
Достоинства
- Относительно высокая разрешающая способность
- Для получения изображения устройство использует оптический аппарат глаза
- Обеспечивается возможности узнавать лица людей, очертания фигур, распознавать различные объекты
- Простота устройства по сравнению с
эпиретинальными системами
- Более простая фиксация имплантата из-за ограниченности субретинального пространства и давления на устройство, которое создает пигментный эпителий [7, 8].
- Обеспечивает возможность ориентироваться в пространстве
- Некоторые пользователи получают возможность читать большие буквы и самостоятельно передвигаться в городе [16].
- Обеспечивает возможность человеку видеть свет и ориентироваться
- После длительного использования позволяет различать лица и читать крупные буквы
- Внешняя электроника также позволяет иметь полный контроль над обработкой изображений и даже адаптировать обработку для каждого пациента
Недостатки
- Необходимость внешнего питания, закрепляемого под кожей на голове.
- Во время испытаний были зафиксированы отказы устройства, требующие повторной операции
- Отсутствие цветового зрения
- Ограничение по размеру вследствие небольшого объема субретинального пространства
- Возможность повреждения сетчатки из-за выделения тепла имплантатом
- В сущности, человек не получает нормального зрения и это связано с тем, что данная версия импланта имеет только 60 электродов, а для того, чтобы видеть хорошо, необходимы примерно 1 млн электродов
- Не обеспечивает возможность различать цвета
- Высокая стоимость
- Относительно громоздкие очки
- Относительная непродолжительность работы имплантата, что со временем требует его замены
- Необходимость внешнего устройства, которое достаточно громоздкое
- Проводная связь с управляющим блоком
- Высокая стоимость операции и устройства
- Не позволяет различать цвета
- Сложная операция, связанная с риском для здоровья
Так же, как и в случае с Argus II, по мере приспосабливаться и через некоторое время использования "зрение" будет постепенно человек научится распознать лица людей.
Уверенность ученым дают испытания, проведенные на животных, в частности, зрение крыс удавалось восстанавливать до уровня 20/250, т.е. для людей это означает возможность читать текст, написанный крупными буквами, и различать лица [8].
Таким образом, можно выделить основные проблемы при протезировании сетчатки:
- возникают технологические трудности при изготовлении электродов нужного размера и при креплении имплантата к сетчатке [6].
- во-вторых, хирургический доступ к сетчатке намного труднее, чем, к примеру, к зрительной коре [14].
- в-третьих, в случае эпиретинальной имплантации, будут возбуждаться не только ганглиозные клетки, но и волокна зрительного нерва, простирающиеся под электродами из других областей сетчатки, что ставит под сомнение возможность получения точного ретинотопического функционально полезного изображения в результате стимуляции [18].
- в-четвертых, если функции мышц глаза сохранены, то при движении глазного яблока в орбите велика вероятность повреждения сетчатки в местах прикрепления к ней электродов. Механическую прочность сетчатки к растяжению иногда образно сравнивают с прочностью одного влажного тонкого листа бумаги [18].
- экономический аспект (средняя стоимость имплантации Argus II составляет около $145 тыс) [4].
Главными условиями успешной работы системы являются:
1. Наличие жизнеспособных биполярных и ганглиозных клеток сетчатки
2. Матрица, соответствующих размеров, содержащая достаточно большое количество электродов (большее количество пикселей обеспечивает более высокое разрешение)
3. Размещение матрицы: для имплантации субретинального устройства требуются более сложные хирургические навыки, чем для эпиретинального имплантата. Субретинальный имплантат сетчатки Alpha IMS имеет 1500 пикселей генерирующих электродов, в то время как эпиретинальный Аргус II имеет только 60 [11].
4. Длительный срок эксплуатации: материал, из которого создан протез, должен быть герметичен и обладать достаточной износостойкостью
5. Боисовместимость: отсутствие реакции отторжения
6. Технологичный способ подзарядки
Выводы. 1. Протезы сетчатки определенно
позволяют повысить остроту зрения, улучшая качество жизни слепых пациентов (пациенты могут ориентироваться в пространстве, различать объекты и читать большие буквы).
2. Обязательным условием для имплантации протезов является жизнеспособность биполярных и ганглиозных клеток сетчатки, поэтому протезы находят применение среди пациентов с пигментным ретинитом и возрастной макулярной дегенерацией, но не окажут эффекта среди больных глаукомой, травмой глаза, повреждениями зрительного нерва.
3. Субретинальный протез Alpha IMS/ AMS более удобен для пациентов, не фиксируется к сетчатке и доставляет сигналы непосредственно к биполярным клеткам, но при этом требует специальных навыков микрохирургии для имплантации.
4. Эпитеринальные протезы Argus II Retinal Prosthesis System и IRIS II более просты в имплантации, могут иметь большие размеры по сравнению с субретинальными, так как имплантируются путем витреотомии. Таким образом обеспечивая лучшее качество передаваемого сигнала. Однако они имеют внешнее устройство, которое достаточно громоздкое, а также они должны быть фиксированы к сетчатке, что ведет к риску дислокации протеза. (Таблица Сравнение протезов сетчатки по данным исследований разных авторов)
5. Матрица IRIS II содержит в 2,5 раза больше электродов, чем матрица Argus II Retinal Prosthesis System, обеспечивая более высокую остроту зрения. (Таблица Сравнение протезов сетчатки по данным исследований разных авторов)
6. Следующим шагом в развитии протезирования сетчатки является повышение качества изображения [11].
7. Кроме того, в настоящее время ведутся исследования по электрической стимуляции зрительного нерва, таламуса и оптической коры, а также изучаются способы неэлектрической стимуляции путем титрации нейротрансмиттеров и применения оптогенетики [12].
Список литературы
1. Алифанова Л.И. К вопросу о специфике образования лиц с нарушениями зрения / Л.И. Алифанова, О.В. Кораблева // Эл. науч. журн. "Современные исследования социальных проблем" [Электронный ресурс] - Режим доступа: https://cyberleninka.ru/.
2. Всемирная организация здравоохранения [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.whogis.com/mediacentre/factsheets/fs282/ru/ - Загл. с экрана
3. Либман Е.С. Эпидемиологические характеристики инвалидности вследствие основных форм макулопатий / Е.С. Либман, Р.А. Толмачев, Е.В. Шахова. //Макула - 2006: тез. докл. IIВсерос. семинара - "Круглый стол". - Ростов н/Д, 2006. - С. 15-21.
4. Argus II (бионический глаз) Problems / [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://zdrav.expert/index.php. - Загл. с экрана
5. Bionic Eye: Promise Of Vision For Patients With Retinal And Optic Nerve Damage / [Электронный ресурс] - Режим доступа: https://www.scientificeuropean.co.uk/bionic-eye-promise-of-vision-for-patients-with-retinal-and-optic-nerve-damage/ - Загл. с экрана
6. Cheng D.L. Advances in Retinal Prosthetic Research: A Systematic Review of Engineering and Clinical Characteristics of Current Prosthetic Initiatives /D.L. Cheng, P.B. Greenberg, D.A. Borton //- 2017. - Vol. 42, №3. - P. 334-347.
7. Chuang A.T. Retinal implants: a systematic review / C.E Margo, P.B. Greenberg // [Электронный ресурс] - Режим доступа: https://bjo. bmj. com/content/98/7/852.
8. Edwards T.L. Assessment of the Electronic Retinal Implant Alpha AMS in Restoring Vision to Blind Patients with End-Stage Retinitis Pigmentosa / T.L. Edwards [et al.] // [Электронный ресурс] - Режим доступа: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC5818267/
9. Evaluation and inclusion criteria / [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.pixium-vision.com/en/clinical-trial/retinitis-pigmentosa-iris-ii/evaluation-and-inclusion-criteria-1 - Загл. с экрана.
10. Kaarniranta K. Autophagy regulating kinases as potential therapeutic targets for age-related macular degeneration / K. Kaarniranta, A. Kauppinen, J. Blasiak. //Future Med. Chem. - 2012. - Vol. 4, №17. - P. 2153-2161.
11. Karmel M. Retinal Prostheses: Progress and Problems / M. Karmel // [Электронный ресурс] - Режим доступа: https://www.aao.org/eyenet/article/retinal-prostheses-progress-problems)
12. Monge M. A Fully Intraocular High-Density Self-Calibrating Epiretinal Prosthesis. IEEE Trans. on Biomed. Circuits and Systems /M. Monge [et al.] //IEEE Trans Biomed Eng. - 2014. - Vol. 61, №5. - P. 1412-1424.
13. Ortmanns M. A 0.1 mm 2, digitally programmable nerve stimulation pad cell with high-voltage capability for a retinal implant. Digest of Technical Papers from the Solid-State Circuits Conference /M. Ortmanns [et al.]. // IEEE Transactions on Biomedical Engineering. - 2014. - Vol. 61, №5. Р.1412 - 1424.
14. Retinal Implant Technology / [Электронный ресурс] - Режим доступа: https://www.fightingblindness.ie/cure/retinal-implant-technology/
15. Retinal Prostheses - Now and in the Future / Derrick L. Cheng [et al.]. // Review of Ophtalmology. 2017. - Vol. June. Р. 36-41.
16. Rizzo S. The Argus II Retinal Prosthesis: 12-month outcomes from a single-study center / S. Rizzo, T.L. Edwards [et al.] // -2014. - Vol. 157, №6. Р.1282 - 1290.
17. Sangmin L. Review of High-resolution Retinal Prosthetic System for Vision Rehabilitation: Our Perspective Based on 18 Years of Research /L. Sangmin // Tokyo - 2018. - №7. - С.1393-1406.
18. Weiland J.D. Humayun M.S. Retinal Prosthesis / J.D. Weiland. //IEEE Trans Biomed Eng. - 2014. - Vol. 61, №5. - Р.1412 - 1424.
19. Zhou D.D. The Argus II Retinal Prosthesis System: An Overview; Proceeding of the MAP4VIP workshop / D.D. Zhou, J.D. Dorn, R.J. Greenberg //IEEE ICME conference San Jose, CA. - 2014. - Vol. 61, №5. - Р.1412 - 1424.
CURRENT ISSUES AND PROSPECTS OF DEVELOPMENT OF IMTHLANTMENT OF AN
ARTIFICIAL RETAIN PROTESIS
KUZINA O.E., LAPTEVA A.B., TKACHENKO K.A., POCHKAREVA E.I., LIPINA M.A. FSBEI HE USMUMOH Russia, Yekaterinburg, Russia e-mail: anna_1.69@mail.ru
Abstract
The article presents a review of the most modern retina prostheses: Argus II, Retina Implant Alpha-IMS Retina Implant Alpha AMS, IRIS II. The review introduces modern approaches to the stimulation of the retina, and also highlights the problems and directions for further research.
Keywords: retina, prosthesis, blindness, treatment.
