Impianto retinico

Le protesi retiniche per il ripristino della vista ai pazienti accecati dalla degenerazione retinica sono in fase di sviluppo da numerose società private e istituti di ricerca in tutto il mondo. Il sistema ha lo scopo di ripristinare parzialmente la visione utile per le persone che hanno perso i loro fotorecettori a causa di malattie della retina come la retinite pigmentosa (RP) o la degenerazione maculare legata all'età (AMD). Tre tipi di impianti retinici sono attualmente in fase di sperimentazione clinica: epiretinale (sulla retina), subretinale (dietro la retina) e soprachoroidale (tra la coroide e la sclera). Gli impianti retinici introducono informazioni visive nella retina stimolando elettricamente i neuroni retinici sopravvissuti. Finora, i concetti suscitati avevano una risoluzione piuttosto bassa e potevano essere adatti alla percezione della luce e al riconoscimento di oggetti semplici.

Storia

Foerster fu il primo a scoprire che la stimolazione elettrica della corteccia occipitale poteva essere utilizzata per creare percezioni visive, fosfeni. La prima applicazione di uno stimolatore impiantabile per il ripristino della vista è stata sviluppata da Drs. Brindley e Lewin nel 1968. Questo esperimento ha dimostrato la fattibilità della creazione di percezioni visive usando la stimolazione elettrica diretta e ha motivato lo sviluppo di molti altri dispositivi impiantabili per la stimolazione del percorso visivo, compresi gli impianti retinici. I dispositivi di stimolazione della retina, in particolare, sono diventati al centro della ricerca in quanto circa la metà di tutti i casi di cecità sono causati da danni alla retina. Lo sviluppo di impianti retinici è stato anche in parte motivato dal progresso e dal successo degli impianti cocleari, che ha dimostrato che gli esseri umani possono riguadagnare funzioni sensoriali significative con input limitati.

L'impianto retinico Argus II, prodotto da Second Sight Medical Products, ha ricevuto l'approvazione del mercato negli Stati Uniti nel febbraio 2013 e in Europa nel febbraio 2011, diventando il primo impianto approvato. Il dispositivo può aiutare gli adulti con RP che hanno perso la capacità di percepire forme e movimenti più mobili e di svolgere attività quotidiane. Il dispositivo epiretinal è noto come Retina Implant ed è stato originariamente sviluppato in Germania da Retina Implant AG. Ha completato una sperimentazione clinica multicentrica in Europa e nel 2013 ha ottenuto il marchio CE, rendendolo il primo dispositivo elettronico epiretinal wireless ad ottenere l'approvazione.

I candidati

I candidati ottimali per gli impianti retinici hanno malattie della retina, come la retinite pigmentosa o la degenerazione maculare legata all'età. Queste malattie causano la cecità colpendo le cellule dei fotorecettori nello strato esterno della retina, lasciando intatti gli strati interno e medio della retina. Al minimo, un paziente deve avere uno strato di cellule gangliari intatto per poter essere candidato per un impianto retinico. Questo può essere valutato in modo non invasivo usando la tomografia a coerenza ottica (OCT). Altri fattori, tra cui la quantità di visione residua, la salute generale e l'impegno familiare per la riabilitazione, sono anche considerati nel determinare i candidati per gli impianti retinici. Nei soggetti con degenerazione maculare correlata all'età, che possono avere una visione periferica intatta, gli impianti retinici possono provocare una forma di visione ibrida. In questo caso l'impianto integrerebbe la visione periferica rimanente con informazioni sulla visione centrale.

tipi

Esistono due tipi principali di impianti retinici per posizionamento. Gli impianti epiretinici sono posizionati sulla superficie interna della retina, mentre gli impianti subretinici sono posti tra lo strato retinico esterno e l'epitelio pigmentato retinico.

Impianti epiretinici

Principi di progettazione

Gli impianti epiretinici sono posizionati sopra la superficie retinica, sopra lo strato di fibre nervose, stimolando direttamente le cellule gangliari e bypassando tutti gli altri strati retinici. La matrice di elettrodi è stabilizzata sulla retina mediante micro chiodi che penetrano nella sclera. In genere, la videocamera esterna sugli occhiali acquisisce immagini e trasmette informazioni video elaborate agli elettrodi stimolanti tramite telemetria wireless. È inoltre necessario un trasmettitore esterno per fornire energia all'impianto tramite bobine di induzione a radiofrequenza o laser a infrarossi. L'elaborazione delle immagini in tempo reale implica la riduzione della risoluzione, il miglioramento del contrasto, il rilevamento dei bordi nell'immagine e la conversione in un modello di stimolazione spazio-temporale erogato all'array di elettrodi sulla retina. La maggior parte dei componenti elettronici può essere incorporata nei componenti esterni associati, consentendo un impianto più piccolo e aggiornamenti più semplici senza interventi chirurgici aggiuntivi. L'elettronica esterna offre il pieno controllo sull'elaborazione delle immagini per ciascun paziente.

vantaggi

Gli impianti epiretinici stimolano direttamente le cellule gangliari della retina, bypassando così tutti gli altri strati retinici. Pertanto, in linea di principio, gli impianti epiretinici potrebbero fornire percezione visiva agli individui anche se tutti gli altri strati retinici sono stati danneggiati.

svantaggi

Poiché lo strato di fibre nervose ha una soglia di stimolazione simile a quella delle cellule gangliari della retina, vengono stimolati gli assoni che passano sotto gli elettrodi epiretinali, creando percezioni arcuate e distorcendo così la mappa retinotopica. Finora, nessuno degli impianti epiretinici aveva pixel sensibili alla luce, e quindi si basano su una telecamera esterna per acquisire le informazioni visive. Pertanto, a differenza della visione naturale, i movimenti oculari non spostano l'immagine trasmessa sulla retina, il che crea una percezione dell'oggetto in movimento quando la persona con tale impianto cambia la direzione dello sguardo. Pertanto, ai pazienti con tali impianti viene chiesto di non muovere gli occhi, ma piuttosto di scansionare il campo visivo con la testa. Inoltre, la codifica delle informazioni visive a livello di cellule gangliari richiede tecniche di elaborazione delle immagini molto sofisticate al fine di tenere conto di vari tipi di cellule gangliari della retina che codificano le diverse caratteristiche dell'immagine.

Studio clinico

Il primo impianto epiretinale, il dispositivo ARGUS, includeva un array di silicio platino con 16 elettrodi. La sperimentazione clinica di Fase I di ARGUS è iniziata nel 2002 impiantando il dispositivo con sei partecipanti. Tutti i pazienti hanno riferito di acquisire una percezione di fosfeni leggeri e discreti, con la funzione visiva di alcuni pazienti che è migliorata significativamente nel tempo. Le versioni future del dispositivo ARGUS vengono sviluppate con array di elettrodi sempre più densi, consentendo una migliore risoluzione spaziale. Il dispositivo ARGUS II più recente contiene 60 elettrodi e un dispositivo a 200 elettrodi è in fase di sviluppo da oftalmologi e ingegneri presso l'USC Eye Institute. Il dispositivo ARGUS II ha ricevuto l'approvazione all'immissione in commercio nel febbraio 2011 (marchio CE che dimostra la sicurezza e le prestazioni) ed è disponibile in Germania, Francia, Italia e Regno Unito. Nel 2012 sono stati pubblicati in Oftalmologia i risultati intermedi di 30 pazienti di studi a lungo termine. Argus II ha ricevuto l'approvazione dalla FDA degli Stati Uniti il ​​14 aprile 2013 con l'approvazione della FDA. Un altro dispositivo epiretinico, Learning Retinal Implant, è stato sviluppato da IIP technologies GmbH e ha iniziato a essere valutato in studi clinici. Un terzo dispositivo epiretinale, EPI-RET, è stato sviluppato e portato a test clinici in sei pazienti. Il dispositivo EPI-RET contiene 25 elettrodi e richiede la sostituzione della lente cristallina con un chip ricevitore. Tutti i soggetti hanno dimostrato la capacità di discriminare tra i diversi modelli di stimolazione spaziale e temporale.

Impianti subretinali

Principi di progettazione

Gli impianti subretinali si trovano sulla superficie esterna della retina, tra lo strato di fotorecettori e l'epitelio pigmentato retinico, stimolando direttamente le cellule retiniche e facendo affidamento sulla normale elaborazione degli strati retinici interno e medio. L'adesione di un impianto subretinale in posizione è relativamente semplice, poiché l'impianto è limitato meccanicamente dalla distanza minima tra la retina esterna e l'epitelio del pigmento retinico. Un impianto sottoretinico è costituito da un wafer di silicio contenente microfotodiodi sensibili alla luce, che generano segnali direttamente dalla luce in arrivo. La luce incidente che passa attraverso la retina genera correnti all'interno dei microfotodi, che iniettano direttamente la corrente risultante nelle cellule retiniche sottostanti tramite matrici di microelettrodi. Il modello di microfosodiodi attivato dalla luce incidente stimola quindi un modello di cellule bipolari, orizzontali, amacrine e gangliari, portando a una percezione visiva rappresentativa dell'immagine incidente originale. In linea di principio, gli impianti sottoretinici non richiedono alcun hardware esterno oltre l'array di microfoni a innesto impiantati. Tuttavia, alcuni impianti sottoretinici richiedono energia da circuiti esterni per migliorare il segnale dell'immagine.

vantaggi

Un impianto subretinale è vantaggioso rispetto a un impianto epiretinale in parte a causa del suo design più semplice. L'acquisizione, l'elaborazione e la stimolazione della luce sono tutte condotte da microfotodiodi montati su un singolo chip, al contrario della telecamera esterna, del chip di elaborazione e della matrice di elettrodi impiantati associati a un impianto epiretinale. Il posizionamento subretinale è anche più semplice, poiché posiziona l'array stimolante direttamente adiacente ai fotorecettori danneggiati. Facendo affidamento sulla funzione dei restanti strati retinici, gli impianti subretinici consentono la normale elaborazione della retina interna, compresa l'amplificazione, dando come risultato una soglia complessiva inferiore per una risposta visiva. Inoltre, gli impianti subretinici consentono ai soggetti di utilizzare i normali movimenti oculari per spostare lo sguardo. La stimolazione retinotopica dagli impianti subretinici è intrinsecamente più accurata, poiché il modello di luce incidente sui microfotodiodi è un riflesso diretto dell'immagine desiderata. Gli impianti subretinali richiedono una fissazione minima, poiché lo spazio subretinale è limitato meccanicamente e l'epitelio del pigmento retinico crea una pressione negativa all'interno dello spazio subretinale.

svantaggi

Il principale svantaggio degli impianti subretinici è la mancanza di sufficiente luce incidente per consentire ai microfosodi di generare corrente adeguata. Pertanto, gli impianti sottoretinici spesso incorporano una fonte di energia esterna per amplificare l'effetto della luce incidente. La natura compatta dello spazio sottoretinico impone vincoli dimensionali significativi all'impianto. La stretta vicinanza tra l'impianto e la retina aumenta anche la possibilità di danni termici alla retina dovuti al calore generato dall'impianto. Gli impianti subretinali richiedono strati retinici interni e medi intatti e pertanto non sono utili per le malattie retiniche che si estendono oltre lo strato esterno del fotorecettore. Inoltre, la perdita di fotorecettori può comportare la formazione di una membrana al limite dei fotorecettori danneggiati, che può impedire la stimolazione e aumentare la soglia di stimolazione.

Studi clinici

Optobionics è stata la prima azienda a sviluppare un impianto subretinale e a valutare il progetto in uno studio clinico. I primi rapporti indicavano che la procedura di impianto era sicura e tutti i soggetti riferivano una certa percezione della luce e un lieve miglioramento della funzione visiva. L'attuale versione di questo dispositivo è stata impiantata in 10 pazienti, ciascuno dei quali ha riportato miglioramenti nella percezione dei dettagli visivi, inclusi contrasto, forma e movimento. La Retina Implant AG in Germania ha anche sviluppato un impianto subretinale, che è stato sottoposto a test clinici in nove pazienti. Il processo è stato sospeso a causa di ripetuti fallimenti. Il dispositivo Retina Implant AG contiene 1500 microfosodiodi, che consentono una maggiore risoluzione spaziale, ma richiedono una fonte di alimentazione esterna. Retina implant AG ha riportato i risultati di 12 mesi sullo studio Alpha IMS nel febbraio 2013, dimostrando che sei pazienti su nove avevano un guasto del dispositivo nei procedimenti successivi all'impianto della società reale nove mesi e che cinque degli otto soggetti hanno riportato vari percezioni visive mediate nella vita quotidiana. Uno aveva un danno al nervo ottico e non percepiva la stimolazione. Il Boston Subretinal Implant Project ha anche sviluppato diverse iterazioni di un impianto subretinale funzionale e si è concentrato sull'analisi a breve termine della funzione dell'impianto. I risultati di tutti gli studi clinici fino ad oggi indicano che i pazienti che ricevono impianti subretinici riportano la percezione dei fosfeni, con alcuni che acquisiscono la capacità di eseguire compiti visivi di base, come il riconoscimento della forma e il rilevamento del movimento.

Risoluzione spaziale

La qualità della visione prevista da un impianto retinico si basa in gran parte sulla massima risoluzione spaziale dell'impianto. I prototipi attuali di impianti retinici sono in grado di fornire immagini pixelate a bassa risoluzione.

Gli impianti retinici "all'avanguardia" incorporano 60-100 canali, sufficienti per le attività di base di discriminazione e riconoscimento degli oggetti. Tuttavia, le simulazioni delle immagini pixelate risultanti presuppongono che tutti gli elettrodi sull'impianto siano in contatto con la cellula retinica desiderata; in realtà la risoluzione spaziale prevista è inferiore, poiché alcuni degli elettrodi potrebbero non funzionare in modo ottimale. Test delle prestazioni di lettura hanno indicato che un impianto a 60 canali è sufficiente per ripristinare alcune capacità di lettura, ma solo con un testo notevolmente ingrandito. Esperimenti simili che hanno valutato la capacità di navigazione nella stanza con immagini pixelate hanno dimostrato che 60 canali erano sufficienti per soggetti esperti, mentre i soggetti ingenui richiedevano 256 canali. Questo esperimento, quindi, non solo ha dimostrato la funzionalità fornita dal feedback visivo a bassa risoluzione, ma anche la capacità dei soggetti di adattarsi e migliorare nel tempo. Tuttavia, questi esperimenti si basano semplicemente su simulazioni di visione a bassa risoluzione in soggetti normali, piuttosto che su test clinici su soggetti impiantati. Il numero di elettrodi necessari per la lettura o la navigazione nella stanza può differire nei soggetti impiantati e ulteriori test devono essere condotti all'interno di questa popolazione clinica per determinare la risoluzione spaziale richiesta per specifici compiti visivi.

I risultati della simulazione indicano che sarebbero necessari 600-1000 elettrodi per consentire ai soggetti di eseguire una vasta gamma di attività, tra cui lettura, riconoscimento facciale e navigazione all'interno delle stanze. Pertanto, la risoluzione spaziale disponibile degli impianti retinici deve aumentare di un fattore 10, pur rimanendo abbastanza piccola da impiantare, per ripristinare una funzione visiva sufficiente per tali compiti.

Stato attuale e sviluppi futuri

I rapporti clinici fino ad oggi hanno dimostrato un successo misto, con tutti i pazienti che segnalano almeno una certa sensazione di luce dagli elettrodi e una proporzione minore che ottiene una funzione visiva più dettagliata, come l'identificazione di modelli di aree chiare e scure. I rapporti clinici indicano che, anche con bassa risoluzione, gli impianti retinici sono potenzialmente utili nel fornire una visione cruda a soggetti che altrimenti non avrebbero alcuna sensazione visiva. Tuttavia, i test clinici su soggetti impiantati sono piuttosto limitati e la maggior parte degli esperimenti di simulazione della risoluzione spaziale sono stati condotti in normali controlli. Non è chiaro se la visione di basso livello fornita dagli attuali impianti retinici sia sufficiente per bilanciare i rischi associati alla procedura chirurgica, specialmente per i soggetti con visione periferica intatta. Diversi altri aspetti degli impianti retinici devono essere affrontati nella ricerca futura, tra cui la stabilità a lungo termine degli impianti e la possibilità di plasticità del neurone retinico in risposta a una stimolazione prolungata.

L'Infermeria Reale di Manchester e il Prof. Paulo E Stanga hanno annunciato il 22 luglio 2015 il primo impianto riuscito di Argus II di Second Sight in pazienti affetti da grave degenerazione maculare legata all'età. Questi risultati sono molto impressionanti in quanto sembra che i pazienti integrino la visione residua e la visione artificiale. Potenzialmente apre l'uso di impianti retinici a milioni di pazienti affetti da AMD.

Alcuni nuovi studi preclinici che ripristinano la visione di modelli animali mostrano la promessa di strati fotovoltaici artificiali trapiantati sulla parte superiore della retina. Questi strati convertono la luce in elettricità in modo simile ai fotorecettori.