В исследовании, опубликованном в журнале ACS Nano и поддержанном Национальными институтами здравоохранения, исследовательская группа показала, что наночастицы, вводимые в сетчатку, могут успешно стимулировать зрительную систему и восстанавливать зрение у мышей с заболеваниями сетчатки. Полученные результаты свидетельствуют о том, что новый тип зрительных протезов, в которых наночастицы используются в сочетании с небольшим лазерным устройством, надеваемым в очки, может однажды помочь людям с заболеваниями сетчатки снова видеть.

"Это новый тип протеза сетчатки, который потенциально может восстановить зрение, утраченное из-за дегенерации сетчатки, не требуя какой-либо сложной операции или генетической модификации", - сказала Джиаруи Не, научный сотрудник Национального института здравоохранения, которая руководила исследованием во время получения степени доктора философии в Брауне. "Мы считаем, что этот метод потенциально может изменить парадигмы лечения дегенеративных заболеваний сетчатки".

Не выполнил эту работу, работая в лаборатории Джонгвана Ли, адъюнкт-профессора инженерной школы Брауна и филиала факультета в Институте наук о мозге Карни Брауна, который руководил работой и был старшим автором исследования.

Заболевания сетчатки, такие как дегенерация желтого пятна и пигментный ретинит, поражают миллионы людей в США и по всему миру. Эти состояния повреждают светочувствительные клетки сетчатки, называемые фоторецепторами - "палочки" и "колбочки", которые преобразуют свет в крошечные электрические импульсы. Эти импульсы стимулируют другие типы клеток, расположенных дальше по зрительной цепочке, называемые биполярными и ганглиозными клетками, которые обрабатывают сигналы фоторецепторов и отправляют их в мозг.

Этот новый подход использует наночастицы, вводимые непосредственно в сетчатку, чтобы обойти поврежденные фоторецепторы. Когда инфракрасный свет фокусируется на наночастицах, они генерируют небольшое количество тепла, которое активирует биполярные и ганглиозные клетки во многом таким же образом, как это делают импульсы фоторецепторов. Поскольку такие расстройства, как дегенерация желтого пятна, поражают в основном фоторецепторы, оставляя биполярные и ганглиозные клетки неповрежденными, эта стратегия потенциально может восстановить утраченное зрение.

В этом новом исследовании исследовательская группа протестировала подход с использованием наночастиц на сетчатке мыши и на живых мышах с заболеваниями сетчатки. После инъекции жидкого раствора наночастиц исследователи использовали узорчатый лазерный луч ближнего инфракрасного диапазона для проецирования форм на сетчатку. Используя кальциевый сигнал для обнаружения клеточной активности, команда подтвердила, что наночастицы возбуждают биполярные и ганглиозные клетки в узорах, соответствующих формам, проецируемым лазером.

Эксперименты показали, что ни раствор наночастиц, ни лазерная стимуляция не вызывали заметных неблагоприятных побочных эффектов, на что указывают метаболические маркеры воспаления и токсичности. Используя зонды, исследователи подтвердили, что лазерная стимуляция наночастицами вызывала повышенную активность в зрительной коре головного мозга мышей - признак того, что ранее отсутствовавшие зрительные сигналы передавались и обрабатывались мозгом. Это, по словам исследователей, является признаком того, что зрение было, по крайней мере, частично восстановлено, что является хорошим признаком для потенциального внедрения подобной технологии для людей.

Для использования человеком исследователи представляют себе систему, которая объединяет наночастицы с лазерной системой, установленной в паре очков. Камеры в очках будут собирать данные об изображении из внешнего мира и использовать их для формирования рисунка инфракрасным лазером. Затем лазерные импульсы будут стимулировать наночастицы в сетчатке людей, позволяя им видеть.

Этот подход аналогичен тому, который был одобрен Управлением по контролю за продуктами питания и лекарствами для использования человеком несколько лет назад. Более старый подход сочетал систему камер с небольшой электродной решеткой, которая хирургическим путем имплантировалась в глаз. По мнению Nie, подход с использованием наночастиц имеет несколько ключевых преимуществ.

Во-первых, это гораздо менее инвазивно. В отличие от хирургического вмешательства, "интравитреальная инъекция - одна из самых простых процедур в офтальмологии", - сказал Не.

Есть и функциональные преимущества. Разрешение предыдущего подхода было ограничено размером электродной матрицы - около 60 квадратных пикселей. Поскольку раствор наночастиц покрывает всю сетчатку, новый подход потенциально может охватить все поле зрения человека. А поскольку наночастицы реагируют на ближний инфракрасный свет в отличие от визуального, система не обязательно влияет на остаточное зрение, которое может сохраниться у человека.

По словам Ни, необходимо проделать больше работы, прежде чем этот подход можно будет опробовать в клинических условиях, но это раннее исследование предполагает, что это возможно.

"Мы показали, что наночастицы могут оставаться в сетчатке в течение нескольких месяцев без какой-либо серьезной токсичности", - сказал Не об исследовании. "И мы показали, что они могут успешно стимулировать зрительную систему. Это очень обнадеживает для будущих применений".

Исследование финансировалось Национальным глазным институтом Национального института здравоохранения (R01EY030569), стипендией Стипендиального совета Китая, стипендией Культурной миссии Саудовской Аравии и Южнокорейской программой проекта Alchemist (RS-2024-00422269). Соавторами также являются профессор Кюнгсик Эом из Национального университета Пусана, профессор Брауна Тао Луи, а также студенты Брауна Хафиз М. Аль Госейн, Александр Нейферт, Аарон Чериан, Гайя Мари Гербака и Кристина Ю. Ма.