Naukowcom udało się częściowo przywrócić wzrok niewidomym osobom

Zaćma, uszkodzenie rogów­ki, aniridia, retinopatia barwnikowa, czyli grupa dziedzicznych zwyrodnień siatkówki prowadzących do ślepoty z powodu utraty fotoreceptorów – te przyczyny ślepoty możemy leczyć operacyjnie. Zobaczmy, co może ociemniałym zaofero­wać współczesna medycyna. 

Jak działa bioniczne oko Argus II i komu może pomóc?

Na retinopatię barwnikową nie ma lekarstwa ani zatwierdzonej terapii medycznej, która mogłaby spowolnić lub odwrócić bieg choro­by. Dlatego międzynarodowy zespół naukowców przeprowadził badanie kliniczne, którego celem była ocena bezpieczeństwa, niezawodności i korzyści stosowania systemu pro­tezy siatkówki Argus II w przywra­caniu części funkcji wzrokowych osobom całkowicie ociemniałym z powodu tego schorzenia. Sys­tem Argus II wszczepiano tylko w jedno oko.

W badaniu wzięło udział 30 pacjentów w 10 ośrod­kach w Stanach Zjednoczonych i Europie. Stanowili oni dla siebie grupę kontrolną, tj. oko z im­plantem porównywano do dru­giego oka tej samej osoby. 

Uczonym udało się częściowo przywrócić wzrok niewidomym osobom, dzięki implementacji specjalnego systemu – przymoco­wanej do okularów małej kamery i procesorowi wideo. Kamera prze­kazywała obraz o rozdzielczości 16 pikseli do procesora noszonego na pasku. Stamtąd biegnie on do umieszczonego w głowie implantu, który rzutuje obraz na siatkówkę. 

To zadziwiające, jak wiele osią­gnęliśmy dzięki 16 pikselom – mówi prof. Mark Humayun biorący udział w eksperymencie z ramienia Doheny Eye Institute na University of Southern California. – Dzięki symulacjom wie­dzieliśmy, że 16 pikseli pozwoli jedynie na rozróżnienie jasności od ciemno­ści i, być może, niektórych odcieni szarości. Całkowicie się myliliśmy.

Naukowcy pracują nad zwiększe­niem rozdzielczości kamer i takiego zmniejszenia implantu, by moż­na go było wszczepić w powiekę. Dzięki temu czas potrzebny do za­łożenia całego systemu uległby skró­ceniu z 8 godz. do 90 min, a koszt operacji spadłby. Ten system może pomóc osobom, które niegdyś widziały, a ich ner­wy wzrokowe są nienaruszone¹. 

Czy implant siatkówki może przywrócić naturalne widzenie?

Przełomowy projekt na wydziale Elec­trical Engineering, Mathematics and Computer Science Uniwersytetu Tech­nicznego w Delft (Holandia) przynosi nadzieję osobom z nieuleczalną ślepotą. Naukowcy pod kierownictwem dr. Dante Muratore’a, opracowują sztuczny im­plant siatkówki, który ma przywrócić wzrok poprzez bezpośrednią interak­cję z żywymi neuronami siatkówki. 

– Siatkówka składa się z 3 warstw tkanki nerwowej – wyjaśnia dr Dante. – Fotoreceptory, które przekształcają światło w sygnały elektryczne; inter­neurony, które przetwarzają te sygnały w sposób analogowy; oraz komórki zwo­jowe siatkówki, które przetwarzają cy­frowo i przesyłają informacje do mózgu za pośrednictwem nerwu wzrokowego. W chorobach takich jak zwyrodnienie plamki żółtej oraz retinopatia barwni­kowa fotoreceptory obumierają, co pro­wadzi do ślepoty. Oznacza to, że oczy nie mogą już przekształcać światła w sygnały elektryczne.

Jednak pozostała część struktury, interneurony i komór­ki zwojowe, wciąż żyją, a połączenie z mózgiem również jest nadal obecne. Naukowcy pracują nad implantem, który może bezpośrednio oddziaływać z tymi neuronami, omijając uszko­dzone fotoreceptory. Siatkówka prze­twarza informacje wzrokowe z dużą precyzją i działa jak wiele kamer jednocześnie, z których każda reje­struje różne cechy obrazu. Celem jest odtworzenie naturalnego kodu neu­ronalnego siatkówki, aby zapewnić, że sygnały wysyłane do mózgu będą naśladować sygnały ze zdrowego oka. 

I tu właśnie pojawia się szalony aspekt projektu – mówi dr Dante. Wy­zwanie polega na stworzeniu urządze­nia, które będzie w stanie rejestrować impulsy neuronowe z wysoką rozdziel­czością czasoprzestrzenną, rejestrując sygnały milisekundowe z precyzją 50 mikrosekund, aby odróżnić ak­tywność poszczególnych neuronów.

Naszym celem jest odtworzenie natu­ralnego kodu neuronowego komórka po komórce i impuls po impulsie, czego nigdy wcześniej nie próbowa­no. Kiedy zaczynaliśmy, prawie 10 lat temu, wydawało się to prawie niemoż­liwe, ale zespół udowodnił, że choć trudna, technologia jest wykonalna. 

Uczeni w tej chwili testują chip w laboratorium i mogą go wykorzystać do interakcji z tkanką siatkówki ex vivo. Kolejnym ważnym krokiem będzie opracowanie technologii dla pierwsze­go urządzenia in vivo. Badacze mają nadzieję, że w ciągu 4 lat rozpoczną badania kliniczne z udziałem ludzi². 

Jak komórki macierzyste mogą pomóc w leczeniu ślepoty?

Badania nad komórkami macierzy­stymi oferują obiecujące możliwości przywracania wzroku poprzez za­stępowanie uszkodzonych komórek w oku lub wspomaganie regeneracji tkanek. Naukowcy badają różne podej­ścia, w tym przeszczepianie komórek macierzystych rąbka rogówki w przy­padku uszkodzeń oraz wykorzystanie komórek macierzystych siatkówki w leczeniu chorób tej struktury³. 

Niedobór komórek macierzystych rąb­ka rogówki (LSCD) jest spowodowany uszkodzeniem lub wyczerpaniem ko­mórek macierzystych w rąbku rogówki (granicy między rogówką a twardówką), może prowadzić do bliznowacenia ro­gówki i utraty wzroku.

Badania klinicz­ne potwierdziły skuteczność przywra­cania wzroku poprzez przeszczepianie laboratoryjnie wyhodowanych komórek macierzystych rąbka rogówki w celu naprawy uszkodzonej rogówki. Wyniki eksperymentu opublikowane w czaso­piśmie "The Lancet" wykazało znaczną poprawę wzroku u osób z poważnymi uszkodzeniami rogówki po przesz­czepie komórek macierzystych⁴. 

W kontekście terapii komórkowych, do przeszczepów można wykorzystać różne źródła komórek, takie jak embrio­nalne komórki macierzyste, indukowane pluripotentne komórki macierzyste lub multipotencjalne komórki macierzyste. Ich zadaniem jest regeneracja uszkodzo­nej siatkówki u chorych na zwyrodnie­nie plamki żółtej związane z wiekiem (AMD) oraz dziedziczne dystrofie siat­kówki.

W tym przypadku najistotniejsze jest zastąpienie utraconych fotorecepto­rów (komórek światłoczułych) i komó­rek nabłonka barwnikowego siatkówki (które wspomagają fotoreceptory) oraz uwolnienie czynników troficznych, które przyczyniają się do efektu ratunkowego⁵. 

Przywrócenie wzroku za pomocą jed­nego typu komórek siatkówki wydaje się uproszczone i nazbyt optymistyczne. Struktura siatkówki jest bardzo złożona – składa się ona bowiem aż z 10 warstw histologicznych (w tym 3 warstw tkanki nerwowej). W jej chorobach zazwyczaj uczestniczy więcej niż jeden typ ko­mórek, ze względu na wysoki stopień połączeń komórkowych.

Na przykład, w przebiegu AMD, postępujące obumie­ranie komórek nabłonka barwnikowego siatkówki (RPE) prowadzi do degene­racji pręcików i czopków. Wiele badań wykazało, że komórki macierzyste mogą ewoluować w kierunku trójwy­miarowej tkanki siatkówki, w której główne populacje komórek siatkówki są zorganizowane w różne warstwy⁶. 

Na czym polega przeszczep rogówki i jakie daje efekty?

Ślepota rogówkowa jest jedną z głów­nych przyczyn odwracalnej ślepoty, którą można leczyć poprzez przeszczep zdrowej rogówki dawcy. Jest to naj­skuteczniejszy przeszczep narządu w organizmie człowieka, ponieważ rogówka jest pozbawiona naczyń krwio­nośnych, co minimalizuje ryzyko od­rzucenia przeszczepu.

Keratoplastyka przeszła długą drogę od pierwszych operacji, w których wymieniano całą rogówkę, do czasów współczesnych, w których można wymienić jedynie wybraną, chorą warstwę. Te nowsze procedury zachowują integralność strukturalną i pozwalają uniknąć ka­tastrofalnych powikłań związanych z chirurgią otwartą gałki ocznej⁷. 

Co więcej, obecny rozwój technologii pozwolił na opracowanie bioinżynieryj­nych implantów rogówki wykonanych z kolagenu. W pilotażowym badaniu przeprowadzonym w Indiach i Iranie uczeni wszczepili takie implanty 20 pa­cjentom z zaawansowanym stożkiem rogówki, aby zmienić kształt naturalnego zrębu rogówki bez usuwania istnie­jącej tkanki i bez stosowania szwów.

W ciągu 24 miesięcy obserwacji nie odnotowano żadnych działań niepożą­danych. Nastąpiła natomiast poprawa grubości rogówki oraz ostrości wzro­ku. Wszyscy pacjenci, którzy wzięli udział w tym eksperymencie, popra­wiło średnią końcową ostrość wzroku. Przywrócono im również tolerancję na noszenie soczewek kontaktowych⁸. 

Czym jest problem Molyneux i jak naukowcy próbują go rozwiązać?

300 lat temu irlandzki filozof, pisarz i polityk William Molyneux postawił interesujące pytanie: „czy człowiek nie­widomy od urodzenia, który za pomocą dotyku potrafi rozróżnić kształty, rozpo­znałby je, gdyby nagle odzyskał wzrok?”. 

Tzw. problem Molyneux odnosi się do tego, w jaki sposób w mózgu tworzą się reprezentacje. Czy różne zmysły tworzą tę samą reprezenta­cję, czy też istnieją różne niezależ­ne reprezentacje, z których każda jest niedostępna dla zmysłu, który jej nie stworzył?

Mówiąc prościej, czy niewidomy, który nagle zaczął widzieć po raz pierwszy, połączy swoje wyobrażenia kształtu z jego obrazem, czyli czy gdy zapytamy go, co jest sześcianem, a co kulą bez dotykania, czy będzie to w stanie prawidłowo wskazać, bazując jedy­nie na nowo pozyskanym zmyśle?

Dotychczas nie potrafiono prze­prowadzić odpowiedniego ekspery­mentu. Aby mógł się udać, powinna w nim brać udział osoba niewidoma od urodzenia, która odzyskała wzrok dopiero wówczas, gdy była na tyle dojrzała, by wziąć udział w wiarygod­nych testach. Tymczasem w krajach rozwiniętych większość uleczalnych przypadków ślepoty jest diagnozo­wana i leczona w niemowlęctwie. 

Dlatego też naukowcy z Massachusetts Institute of Technology, we współpracy z Shroff Charity Eye Hospital z New Delhi zaczęli szukać odpowiednich kandydatów do eksperymentów w In­diach. Wśród wielu leczonych osób znaleziono 4 chłopców i 1 dziew­czynkę w wieku 8-17 lat, u których była szansa, że dzięki operacji nie­mal natychmiast odzyskają wzrok. Po przeprowadzeniu zabiegów i usu­nięciu bandaży najpierw upewniono się, że badani rzeczywiście widzą.

Pokazywano im różne klocki, by sprawdzić, czy są w stanie odróż­niać podobne do siebie kształty. Eks­peryment pokazał, że liczba dobrych odpowiedzi wynosiła niemal 100%. Uzyskany wynik był niemal tak dobry, jak wówczas, gdy badani odróżniali obiekty za pomocą samego dotyku.

Wówczas przeprowadzono test sprawdzający problem Molynoux. Ba­danym najpierw pozwolono dotykać przedmiot, którego nie mogli zobaczyć, a następnie kazano im odróżnić go za pomocą wzroku od podobnego obiektu. Okazało się, że prawdopodobieństwo otrzymania dobrej odpowiedzi było w takim przypadku niewiele większe od całkowicie losowego odgadnięcia⁹.

Pacjenci nie byli w stanie utwo­rzyć połączenia pomiędzy tym, co dotykali, a co widzieli. Wydaje się zatem, że nie istnieje uniwersalna reprezentacja – mówi Yuri Ostro­vsky – jeden z autorów badania. Okazujesię zatem, że odpo­wiedź na postawione przez Moly­neux pytanie brzmi „nie”. 

Jednak przy okazji tego eksperymentu uczeni zaobserwowali coś niesamo­witego. Otóż po odzyskaniu wzroku w mózgach badanych dzieci nastąpiła błyskawiczna kompensacja. – Wystar­czył zaledwie tydzień, by radzili sobie z opisanym zadaniem tak, jakby od za­wsze widzieli. To sugeruje, że mózg jest znacznie bardziej plastycznym niż dotychczas sądzono – mówi głów­ny autor badań, prof. Richard Held. 

Stawia to pod znakiem zapytania obecnie obowiązujący dogmat o „okre­sach krytycznych”, wedle którego, jeśli dziecko nie będzie widziało przez pierwszy 3-4 lata swojego życia, to gdy później odzyska wzrok, jego umiejęt­ności wizualne nie będą się zwiększały – dodaje współautor badań Pawan Sinha.

Wydają się temu przeczyć badania przeprowadzone przez niemiecko-hin­duski zespół, który za pomocą struktu­ralnego obrazowania metodą rezonansu magnetycznego oceniał powierzchnię i grubość kory wzrokowej w grupie 21 osób, które urodziły się niewidome i odzyskały wzrok po kilku miesiącach lub latach w wyniku operacji usunięcia zaćmy¹⁰, bądź u osób, które miały ka­taraktę w późniejszym wieku 11. Grupą kontrolną było 27 osób mających prawi­dłową ostrość wzroku.

Jak się okazało, osoby z wrodzoną zaćmą miały mniejszą powierzchnię i większą grubość kory wzrokowej niż badani z późną zaćmą. Co istotne, zmiany strukturalne mózgu u osób z wrodzoną odwróconą zaćmą wiązały się z gorszą ostrością wzroku po operacji. Nie zaobserwowano na­tomiast istotnych zmian w strukturze kory wzrokowej u osób z późną zaćmą, którym przywrócono wzrok. Te wyniki sugerują, że zaburzenia strukturalnego rozwoju mózgu spowodowane deprywa­cją wzrokową od urodzenia nie są w peł­ni odwracalne i ograniczają powrót do pełnej sprawności funkcjonalnej¹⁰.