Человеческое зрение зависит от фоторецепторных клеток сетчатки, которые реагируют на видимый свет и запускают нейроны зрительного нерва для передачи сигналов в мозг. Деградация этих фоторецепторов является основной причиной ухудшения зрения.
Теперь группа учёных из китайского Университета Фудань создала прототип имплантата сетчатки, который может заменить отказавшие фоторецепторы и потенциально обеспечить инфракрасное зрение в качестве бонуса. Пока что имплантаты были протестированы только на животных.
В более ранних работах по имплантации сетчатки, которая хотя бы в некоторой степени возвращала зрение слепым, использовались электродные массивы, которые электрически стимулировали нейроны в задней части сетчатки, занимая место повреждённых фоторецепторных клеток. Пациент должен был носить камеру, закреплённую на очках, которая посылала сигналы на имплантат, чтобы активировать эту сигнализацию. Для работы этих имплантатов требовался источник питания, они были ненадёжны, сложны в использовании и имели ограниченное разрешение, а хирургическая процедура, необходимая для их установки в глаз, была чрезвычайно сложной.
По всем этим и другим причинам они были изъяты из продажи. Команда Фудань добилась создания имплантата, работающего без внешней камеры и без источника питания.
Процесс разработки начался с обширного моделирования, направленного на поиск подходящего материала. Идеальным кандидатом был фотоэлектрический материал — он должен был генерировать фототок без внешнего напряжения в ответ на широкий спектр света. Основным материалом, который был получен в результате моделирования, стал теллур — редкий серебристо-белый элемент, обладающий свойствами как металлов, так и неметаллов. Команда Фудань изготовила прототип имплантата сетчатки глаза, используя сетку из теллуровых нанопроводов. Когда имплантаты были готовы, учёные провели испытательную кампанию — сначала на мышах, а затем на нечеловеческих приматах.
Для экспериментов были отобраны слепые мыши, которые были генетически запрограммированы так, что потеряли зрение вскоре после рождения из-за разрушения фоторецепторных клеток. Теллуровые сетчатые устройства были имплантированы в узкое пространство между слоем фоторецепторов и пигментным эпителием сетчатки — место, где имплантаты могли взаимодействовать с нейронами. Убедившись, что имплантаты биосовместимы, не отторгаются и не вызывают чрезмерного воспаления, команда начала проверять, насколько хорошо мыши выполняют зрительные задачи.
Первый тест был довольно простым и заключался в том, что мышам светили в глаза, чтобы проверить, вызовет ли это сужение их зрачков. Результаты показались многообещающими — зрачки слепых мышей сужались, как и положено здоровым животным. Вторая, несколько более сложная задача заключалась в том, чтобы проверить, позволяет ли имплантат осознанно воспринимать свет — другими словами, правильно ли визуальные стимулы преобразуются в сигналы в нужных областях мозга.
Животных помещали в хорошо освещённую клетку и поощряли водой, если они лизали какую-либо поверхность в течение трёх секунд после выключения света. Успех имплантированных мышей составил более 85% по сравнению с 98% у контрольной группы мышей со здоровым зрением (у слепых мышей без имплантатов этот показатель составил от 25 до 26%, что практически совпадает со случайным). Мыши с имплантатами также могли определять местоположение источника светодиодного света и даже различать различные фигуры (треугольники, квадраты, круги) почти так же хорошо, как и здоровые.
И, кроме того, они получили суперспособность. Теллуровые сетки реагируют на более широкий диапазон светового спектра, чем обычный человеческий зрительный диапазон. Они генерируют ток при воздействии волн ближнего инфракрасного диапазона, которые не видят глаза здорового человека или грызуна. Здоровые мыши отлично справлялись с заданиями, которые ставила перед ними команда, когда освещение было в стандартном визуальном диапазоне, но когда свет переключался на инфракрасный, их результаты были не лучше, чем у обычных. Мыши с имплантатами, напротив, показали очень хорошие результаты — немного хуже, чем в визуальном диапазоне, но не намного.
Наконец, теллуровые сетки, особенно их способность видеть в инфракрасном диапазоне, были протестированы на здоровых макаках — животной модели, которая гораздо ближе к человеку, чем мыши. Оказалось, что макаки с имплантатами могут воспринимать инфракрасный свет, при этом их нормальное зрение остаётся неизменным.
Проблема в том, что теллуровые сетки, как признаёт команда Фудань в своей статье, гораздо менее чувствительны к свету, чем естественные фоторецепторы, и трудно сказать, действительно ли они являются хорошим кандидатом для протезирования сетчатки. Проблема с использованием животных моделей в науке о зрении заключается в том, что трудно спросить мышь или макаку, что они видят с помощью имплантатов, и выяснить, как электрические сигналы от теллурических сеток преобразуются в мозге в восприятие.
Существуют также риски, связанные с самой процедурой имплантации. Операция включает в себя локальное отслоение сетчатки, а затем небольшой разрез сетчатки для установки имплантата. По словам Эдуардо Фернандеса, испанского биоинженера, опубликовавшего комментарий к работе Фудань в журнале Science, при хрупкой и больной сетчатке существует риск развития фиброза и рубцевания. Тем не менее, Фернандес считает китайские имплантаты «многообещающими». В настоящее время команда Фудань работает над долгосрочной оценкой безопасности своих имплантатов на нечеловеческих приматах и над улучшением связи между сетчаткой и имплантатом.
