知識ベース

網膜インプラント

網膜インプラント

網膜変性により盲目となった患者の視力回復のための人工網膜は、世界中の多くの民間企業および研究機関によって開発されています。このシステムは、網膜色素変性症(RP)や加齢性黄斑変性症(AMD)などの網膜疾患により視細胞を失った人々に有用な視力を部分的に回復することを目的としています。網膜インプラントの3つのタイプが現在臨床試験中である:(脈絡膜と強膜の間) 網膜上 (網膜上)、(網膜の後ろ) 網膜下 、およびsuprachoroidal。網膜インプラントは、生き残っている網膜ニューロンを電気的に刺激することにより、視覚情報を網膜に導入します。これまでのところ、誘発された知覚の解像度はかなり低く、単純な物体の軽い知覚と認識に適している可能性があります。

歴史

Foersterは、後頭皮質の電気刺激を使用して視覚的知覚である閃光を生成できることを初めて発見しました。視力回復のための埋め込み型刺激装置の最初のアプリケーションは、博士によって開発されました。この実験は、直接電気刺激を使用して視覚知覚を作成する実行可能性を実証し、網膜インプラントを含む視覚経路の刺激のための他のいくつかの移植可能なデバイスの開発を動機付けました。特に、網膜刺激装置は、失明の全症例の約半分が網膜損傷によって引き起こされるため、研究の焦点となっています。人工内耳の開発は、人工内耳の進歩と成功にも一部動機付けられており、人間が限られた入力で有意な感覚機能を回復できることが実証されています。

Second Sight Medical Productsによって製造されたArgus II網膜インプラントは、2013年2月に米国で、2011年2月にヨーロッパで市場承認を受け、最初の承認されたインプラントになりました。このデバイスは、形状や動きを認識して携帯性を高め、日常的な活動を行う能力を失ったRPを持つ成人を支援する可能性があります。網膜上デバイスはRetina Implantとして知られており、元々Retina Implant AGによってドイツで開発されました。ヨーロッパの多施設臨床試験を完了し、2013年にCEマークを授与され、承認を取得した最初のワイヤレス網膜上電子デバイスになりました。

候補者

網膜インプラントの最適な候補には、網膜色素変性症や加齢黄斑変性などの網膜疾患があります。これらの疾患は、網膜の外層の光受容細胞に影響を与えることにより失明を引き起こしますが、網膜の内層と中層はそのままです。網膜移植の候補となるためには、最低限、患者に無傷の神経節細胞層がなければなりません。これは、光干渉断層法(OCT)イメージングを使用して非侵襲的に評価できます。網膜インプラントの候補を決定する際には、残留視力の量、全体的な健康状態、リハビリテーションに対する家族のコミットメントなどの他の要因も考慮されます。加齢性黄斑変性症の患者では、周辺視力が損なわれていない可能性があり、網膜インプラントにより視力のハイブリッド型が生じる可能性があります。この場合、インプラントは残りの周辺視力を中心視力情報で補います。

タイプ

配置による網膜インプラントには、主に2つのタイプがあります。網膜上インプラントは網膜の内面に配置され、網膜下インプラントは網膜外層と網膜色素上皮の間に配置されます。

網膜上インプラント

設計原則

網膜上層インプラントは、神経線維層の上にある網膜表面の上部に配置され、神経節細胞を直接刺激し、他のすべての網膜層をバイパスします。電極の配列は、強膜に浸透するマイクロタックを使用して網膜上で安定化されます。通常、眼鏡の外部ビデオカメラは画像を取得し、処理されたビデオ情報をワイヤレステレメトリ経由で刺激電極に送信します。高周波誘導コイルまたは赤外線レーザーを介してインプラントに電力を供給するために、外部送信機も必要です。リアルタイムの画像処理には、解像度の低下、コントラストの強化、画像内のエッジの検出、および網膜上の電極アレイに配信される刺激の時空間パターンへの変換が含まれます。電子機器の大部分は関連する外部コンポーネントに組み込むことができ、追加の手術なしでインプラントの小型化とアップグレードの簡素化が可能になります。外部電子機器は、各患者の画像処理を完全に制御します。

長所

網膜上インプラントは、網膜神経節細胞を直接刺激し、それにより他のすべての網膜層をバイパスします。したがって、原則として、他のすべての網膜層が損傷していても、網膜上インプラントは個人に視覚を提供できます。

欠点

神経線維層は網膜神経節細胞と同様の刺激閾値を持っているため、網膜上電極の下を通る軸索が刺激され、弓状の知覚を作り出し、それにより網膜マップをゆがめます。これまでのところ、網膜上インプラントのどれも光に敏感なピクセルを持っていなかったため、視覚情報をキャプチャするために外部カメラに依存しています。したがって、自然な視力とは異なり、目の動きは網膜上の透過画像をシフトせず、そのようなインプラントを持つ人が視線の方向を変えたときに移動物体の知覚を作成します。したがって、このようなインプラントを使用する患者は、目を動かさずに、頭で視野をスキャンするように求められます。さらに、神経節細胞層で視覚情報をエンコードするには、画像のさまざまな機能をエンコードするさまざまな種類の網膜神経節細胞を説明するために、非常に高度な画像処理技術が必要です。

臨床試験

最初の網膜上インプラントであるARGUSデバイスには、16電極のシリコンプラチナアレイが含まれていました。 ARGUSのフェーズI臨床試験は、2002年に6人の参加者にデバイスを移植することから始まりました。すべての患者は、光と不連続な閃光の知覚を獲得したと報告し、一部の患者の視覚機能は時間とともに著しく改善しました。 ARGUSデバイスの将来のバージョンは、より高密度の電極アレイを使用して開発されており、空間分解能を改善できます。最新のARGUS IIデバイスには60個の電極が含まれており、200個の電極デバイスがUSC Eye Instituteの眼科医とエンジニアによって開発中です。 ARGUS IIデバイスは、2011年2月に販売承認を取得し(安全性と性能を実証するCEマーク)、ドイツ、フランス、イタリア、英国で入手可能です。 30人の患者の長期試験の中間結果が2012年に眼科で発表されました。ArgusIIは2013年4月14日に米国FDAからFDAの承認を受けました。別の網膜上層デバイスであるLearning Retinal Implantは、IIP Technologies GmbHによって開発され、臨床試験で評価され始めています。 3番目の網膜上装置EPI-RETが開発され、6人の患者で臨床試験に進んでいます。 EPI-RETデバイスには25個の電極が含まれており、水晶体を受信チップに交換する必要があります。すべての被験者は、刺激の異なる空間的および時間的パターンを区別する能力を実証しています。

網膜下インプラント

設計原則

網膜下インプラントは、視細胞層と網膜色素上皮の間の網膜の外表面に位置し、網膜細胞を直接刺激し、内側および中間の網膜層の通常の処理に依存しています。網膜下インプラントを適所に接着することは、インプラントが外側網膜と網膜色素上皮の間の最小距離によって機械的に制約されるため、比較的簡単です。網膜下インプラントは、入射光から直接信号を生成する感光性マイクロフォトダイオードを含むシリコンウェーハで構成されています。網膜を通過する入射光は、マイクロフォトダイオード内で電流を生成します。この電流は、結果として生じる電流を、微小電極のアレイを介して下層の網膜細胞に直接注入します。したがって、入射光によって活性化されるマイクロフォトダイオードのパターンは、双極細胞、水平細胞、アマクリン細胞、および神経節細胞のパターンを刺激し、元の入射画像を代表する視覚認知につながります。原則として、網膜下インプラントは、埋め込まれたマイクロフォトダイオードアレイを超える外部ハードウェアを必要としません。ただし、一部の網膜下インプラントでは、画像信号を増強するために外部回路からの電力が必要です。

長所

網膜下インプラントは、その単純な設計のために、部分的に網膜上インプラントよりも有利です。光の取得、処理、および刺激はすべて、外部カメラ、処理チップ、および網膜上インプラントに関連付けられた埋め込み電極アレイとは対照的に、単一のチップに搭載されたマイクロフォトダイオードによって実行されます。網膜下の配置も、損傷した光受容体に直接隣接して刺激アレイを配置するため、より簡単です。残りの網膜層の機能に依存することにより、網膜下インプラントは増幅を含む通常の内側網膜処理を可能にし、その結果、視覚反応の全体的な閾値が低くなります。さらに、網膜下インプラントにより、被験者は通常の眼球運動を使用して視線を移動できます。マイクロフォトダイオードへの入射光のパターンは所望の画像の直接反射であるため、網膜下インプラントからの網膜刺激は本質的に正確です。網膜下スペースは機械的に拘束され、網膜色素上皮が網膜下スペース内に陰圧を作り出すため、網膜下インプラントは最小限の固定を必要とします。

欠点

網膜下インプラントの主な欠点は、マイクロフォトダイオードが適切な電流を生成できるようにするのに十分な入射光がないことです。したがって、網膜下インプラントは、入射光の効果を増幅するために外部電源を組み込むことがよくあります。網膜下腔のコンパクトな性質は、インプラントに大きなサイズの制約を課します。また、インプラントと網膜が近接しているため、インプラントが発生する熱により網膜が熱損傷を受ける可能性が高くなります。網膜下インプラントは無傷の内側および中間網膜層を必要とするため、外側視細胞層を超えて広がる網膜疾患には有益ではありません。さらに、視細胞の損失は、損傷した視細胞の境界に膜の形成をもたらす可能性があり、それが刺激を妨げ、刺激閾値を増加させる可能性がある。

臨床試験

オプトバイオニクスは、網膜下インプラントを開発し、臨床試験で設計を評価した最初の企業です。最初の報告では、移植手順は安全であることが示され、すべての被験者が視覚機能の軽度および軽度の改善についてある程度の知覚を報告した。このデバイスの現在のバージョンは、10人の患者に移植されており、それぞれの患者は、コントラスト、形状、動きなどの視覚的詳細の知覚の改善を報告しています。 9人の患者で。失敗が繰り返されたため、試験は保留されました。 Retina Implant AGデバイスには1500個のマイクロフォトダイオードが含まれており、空間分解能を高めることができますが、外部電源が必要です。 RetinaインプラントAGは、2013年2月のAlpha IMS研究で12ヶ月の結果を報告し、9人の患者のうち6人がインプラント後9ヶ月で王室協会の議事録Bにデバイス障害があり、8人の被験者のうち5人が様々なインプラントを報告したことを示しました-日常生活における視覚の媒介。 1人は視神経損傷があり、刺激を知覚しませんでした。 Boston Subretinal Implant Projectは、機能的網膜下インプラントのいくつかの反復を開発し、インプラント機能の短期分析に焦点を合わせています。これまでのすべての臨床試験の結果は、網膜下インプラントを受けた患者が閃光の知覚を報告し、一部の患者は形状認識や動き検出などの基本的な視覚タスクを実行できることを示しています。

空間分解能

網膜インプラントに期待される視力の質は、主にインプラントの最大空間解像度に基づいています。現在の網膜インプラントのプロトタイプは、低解像度のピクセル化された画像を提供できます。

「最先端の」網膜インプラントには、基本的な物体の識別と認識タスクに十分な60〜100のチャネルが組み込まれています。ただし、結果のピクセル化された画像のシミュレーションでは、インプラント上のすべての電極が目的の網膜細胞と接触していると想定しています。実際には、いくつかの電極が最適に機能しない可能性があるため、予想される空間分解能は低くなります。読書パフォーマンスのテストでは、60チャンネルのインプラントである程度の読書能力を回復するのに十分であることが示されましたが、テキストが大幅に拡大されています。ピクセル化された画像を使用したルームナビゲーション機能を評価する同様の実験では、経験のある被験者には60チャンネルで十分であるのに対し、ナイーブな被験者には256チャンネルが必要であることが示されました。したがって、この実験では、低解像度の視覚フィードバックによって提供される機能だけでなく、被験者が時間の経過とともに適応して改善する能力も実証しました。ただし、これらの実験は、移植された被験者の臨床試験ではなく、正常な被験者の低解像度視力のシミュレーションにのみ基づいています。読書や部屋のナビゲーションに必要な電極の数は、移植された被験者によって異なる場合があり、特定の視覚タスクに必要な空間解像度を決定するために、この臨床集団内でさらにテストを行う必要があります。

シミュレーション結果は、被験者が読書、顔認識、部屋の周りを移動するなど、さまざまなタスクを実行できるようにするために600〜1000個の電極が必要であることを示しています。したがって、網膜インプラントの利用可能な空間分解能は、それらのタスクに十分な視覚機能を回復するために、インプラントするのに十分小さいままで、10倍に増加する必要があります。

現状と今後の展開

これまでの臨床報告では、すべての患者が電極からの光の少なくともいくらかの感覚を報告し、明るい部分と暗い部分のパターンを特定するなど、より詳細な視覚機能を獲得した小さな報告で、混合成功を実証しています。臨床報告は、低解像度であっても、網膜インプラントは、そうでなければ視覚を持たない個人に粗視力を提供するのに潜在的に有用であることを示しています。ただし、移植された被験者の臨床試験はある程度制限されており、空間分解能シミュレーション実験の大部分は正常な対照で実施されています。現在の網膜インプラントによって提供される低レベルの視力が、特に無傷の周辺視力を有する被験者にとって、外科的処置に関連するリスクのバランスをとるのに十分であるかどうかは不明のままです。網膜インプラントのいくつかの他の側面は、インプラントの長期安定性や長時間の刺激に対する網膜神経可塑性の可能性など、今後の研究で対処する必要があります。

マンチェスター王立診療所とPaulo E Stanga教授は、2015年7月22日に、重度の加齢黄斑変性に苦しむ患者にSecond SightのArgus IIを最初に移植したことを発表しました。患者が残留視力と人工視力を統合しているように見えるため、これらの結果は非常に印象的です。 AMDに苦しむ何百万人もの患者に網膜インプラントの使用を可能にする可能性があります。

動物モデルに視力を回復するいくつかの新しい前臨床研究は、網膜の上に移植された人工光起電力層の見込みを示しています。これらの層は、光受容体と同様の方法で光を電気に変換します。