Бионические глаза и оптогенетика. Как скоро ученые найдут способ возвращать зрение?

До 75% информации о мире мы получаем через глаза. В то же время это едва ли не самые хрупкие органы нашего тела. И если проблемы с хрусталиком или роговицей можно устранить или компенсировать, то разрушение сетчатки — чаще всего приговор. Сетчатку нельзя просто “одолжить” у донора, как сердце или легкие. Это настоящий биологический компьютер, который преобразует свет в электрический сигнал и посылает в мозг.

Бионические глаза и оптогенетика. Как скоро ученые найдут способ возвращать зрение?

Сетчатка состоит из множества слоев клеток, каждый из которых по-своему важен. Наружный — пигментный эпителий — фильтрует свет, который должен поступить на светочувствительные элементы. Они, в свою очередь, преобразуют отраженный от предметов свет в сигналы для нервных клеток. Они находятся в самой глубине и непосредственно “общаются” с мозгом.

ТАСС рассказывает о том, какие технологии восстановления зрения были разработаны за последние несколько лет — от протезов до выращенных в пробирке клеток — находятся в активной разработке. Какие-то из них пока опробованы на животных, а какие-то — уже одобрены для применения в клинике. Так что у людей с прогрессирующей слепотой появляется все больше надежд на светлое (в прямом смысле) будущее.

Бионические глаза

Почти 30 лет назад Марк Хумаюн, биомедицинский инженер из Университета Южной Калифорнии, начал опыты по электрической стимуляции сетчатки незрячих людей. Он обнаружил, что эта процедура вызывает ощущение световых вспышек, которые получили название фосфенов. Постепенно команда Хумаюна выяснила, что клетки обрабатывают разные сигналы по-разному. Но главное: им удалось добиться более точной стимуляции, в результате которой нейроны генерировали не просто вспышки, а очертания предметов.

Бионические глаза и оптогенетика. Как скоро ученые найдут способ возвращать зрение?

C 2002 по 2004 год исследователи имплантировали шести добровольцам с полной или частичной слепотой на один глаз бионические протезы. Первые пользователи устройства, известного как Argus I (от греческого слова “всевидящий”), сообщили, что способны воспринимать фосфены, формы объектов и даже чувствовать движение. Сегодня около 300 человек знакомятся с миром с помощью этого устройства. Усовершенствованная модель — Argus II — была одобрена европейскими регулирующими органами в 2011 году для людей с пигментным ретинитом — группой редких генетических заболеваний, при которой отмирают светочувствительные клетки. Два года спустя то же сделали США.

Чтобы установить Argus II, пациентам в глаз вживляют чип, внутри которого находится решетка из электродов. Миниатюрная видеокамера на очках посылает сигналы на специальный процессор. Он преобразует их в инструкции, которые затем передаются на имплантированное устройство по беспроводной сети. Затем электроды стимулируют нервные клетки в передней части сетчатки. В результате люди могут различать объекты с высококонтрастными краями, такие как двери или окна. А кто-то — даже расшифровывать крупные буквы на стендах.

Бионические глаза и оптогенетика. Как скоро ученые найдут способ возвращать зрение?
Мужчина с установленным имплантатом сетчатки Argus II. В течение двух десятилетий он был полностью слеп, а теперь может отличить тротуар от проезжей части

Ориентироваться с помощью протеза удается не сразу. Пользователи должны натренировать свой мозг, чтобы он научился интерпретировать информацию с чипа. Они также должны привыкнуть к тому, что придется поворачивать голову из стороны в сторону, — ведь протез сам не обеспечивает движение глаз. К тому же он работает только при хорошем освещении, и может “глючить”. Но даже в таком виде, по отзывам, он уже радикально меняет жизнь ослепших пациентов.

Следующие поколения имплантов уже могут стимулировать клетки, которые находятся в глубине сетчатки. Картинка получается точнее и богаче. Немецкая компания Retina Implant создала имплант на основе полупроводников, которые непосредственно улавливают свет, попадающий в глаз. Питание подается от портативного устройства через катушку, которая вживляется под кожу над ухом. Alpha AMS, текущая версия системы, получила одобрение регулирующих органов в Европе все для того же ретинита.

Сейчас у таких устройств есть ограничение: нужно, чтобы в сетчатке все же оставались работающие нервные клетки. При заболеваниях, которые поражают в основном фоточувствительные клетки, как пигментный ретинит, обычно так и происходит. Но когда умирает слишком много клеток сетчатки, как при запущенной диабетической ретинопатии и глаукоме, такие импланты не могут помочь.

Сейчас Хумаюн и его коллеги работают над системой, которая посылает сигналы прямо в мозг, в обход глаза. Идея не нова: в 1970-х годах американский биомедицинский инженер Уильям Добелль показал, что фосфены появляются и после прямой стимуляции зрительной коры мозга. Но практически этот механизм удалось реализовать только в последние годы. Он тоже использует видеокамеру и процессор для передачи данных. Только чип устанавливается не на сетчатку, а прямо на кору мозга.

Пока устройство Orion протестировали на шести добровольцах с ограниченным или отсутствующим восприятием света из-за травмы глаза, повреждения сетчатки или зрительного нерва. “Результаты хорошие”, — считает Хумаюн. Впрочем, подробных научных публикаций пока нет. Зато риски при операции на мозге гораздо выше: имплант может не прижиться и даже вызвать воспаление.

Генная терапия

Если слепота вызвана мутацией в каком-то гене, можно попробовать воздействовать конкретно на него: “выключить” его дефектную копию в организме и заменить ее на здоровую, которая будет выполнять нужные функции. Сейчас такие операции совершаются с помощью вируса. Его изменяют в лаборатории таким образом, чтобы он доставлял нужный ген прямо в клетки, не принося им вреда, и вводят в орган.

Здесь есть два главных препятствия: своенравность самого вируса, который может действовать не так, как нужно ученым, и активность иммунитета, который свяжет вирусные частицы до того, как они выполнят свою миссию. Но в этом отношении глаз — идеальная мишень. Во-первых, он небольшой и почти не контактирует с другими органами. А во-вторых, его иммунная система редко атакует чужаков.

Впервые генную терапию опробовали на людях с наследственной атрофией зрительного нерва из-за мутации в гене RPE65. Эта болезнь развивается в первые годы жизни, часто проявляясь в виде куриной слепоты, а затем прогрессирует до обширной потери зрения, которая начинается на периферии поля зрения. От нее страдает примерно один из 40 000 детей. Клинические испытания III фазы в 2017 году увенчались успехом: люди с почти полной потерей зрения после лечения могли лучше видеть препятствия и обходить их. В декабре того же года терапия получила одобрение американского регуляторного органа.

Бионические глаза и оптогенетика. Как скоро ученые найдут способ возвращать зрение?
Восьмилетний мальчик, прошедший курс генной терапии для лечения слепоты по технологии Luxturna, 2017 год. Фото: © AP Photo/Bill West

Luxturna стала первой генной терапией, получившей зеленый свет для клинического использования. Но пока это достижение на уровне приготовления яичницы, а цель — освоить всю “кулинарную книгу”. Дело в том, что для развития болезни человек должен получить две дефектные копии гена RPE65 — по одной от каждого родителя. Значит, для излечения нужно заменить только одну. Но в большинстве случаев простое добавление нормальной копии гена не поможет; необходимо “выключить” мутировавший ген.

У генной терапии есть и другие серьезные ограничения. Она перспективна только для наследственных мутаций и может развиваться по принципу “одно лекарство — одна мишень”. Поскольку в развитие слепоты так или иначе вовлечены более 250 генов, число возможных терапевтических мишеней огромно. Например, более 100 мутаций в гене RHO приводят к пигментному ретиниту — самому распространенному наследственному заболеванию сетчатки. Генная терапия также бесполезна на поздних стадиях болезни, при которой сетчатка почти уничтожена.

Оптогенетика

В отличие от генной терапии, подход, основанный на оптогенетике, можно использовать на разных стадиях развития болезни. В оптогенетике вирус доставляет в клетки глаза гены, которые позволяют им производить светочувствительные белки — опсины. Рост опсинов может восстановить некоторую светочувствительность поврежденных фоторецепторов или даже сделать чувствительными к свету те клетки, которым обычно эта функция не свойственна.

Несколько лет назад ученым удалось восстановить светочувствительность клеток (колбочек), пораженных пигментным ретинитом, у мышей. Конечно, сами мыши не могли сообщить о результатах, но исследователи смогли определить его косвенным путем — измерив активность нервных клеток сетчатки, которые стимулируются колбочками при попадании на них света.

Слабым местом этого подхода было то, что опсины хорошо работают только при ярком свете. Но таких условий удается достичь не всегда. Но ученым удалось найти решение: приспособить специальные очки, которые дополнительно стимулируют клетки сетчатки. Это усиливает их чувствительность. В результате пациент может видеть силуэты крупных предметов и объектов. В прошлом месяце результаты испытаний этой двойной системы на одном пациенте были опубликованы в ведущем научном журнале Nature Medicine.

Бионические глаза и оптогенетика. Как скоро ученые найдут способ возвращать зрение?Остается одна проблема: лечение опсинами плохо работает в тандеме с естественным зрением. Если разрушены только некоторые части сетчатки, но зрение сохраняется в других областях, опсины могут “засвечивать” их и мешать естественному зрению. В будущем ученые надеются модифицировать опсины таким образом, чтобы управлять их параметрами.

Регенерация клеток

Более сложный, но в каком-то смысле и самый естественный путь — вырастить клетки органа из собственных тканей пациента. Для этого биоинженеры обычно берут немного живых клеток кожи и превращают их в стволовые — клетки-предшественники, из которых формируются все остальные. В биореакторе из них выращивают необходимые клетки глаза: светочувствительные или нервные, в зависимости от болезни.

Стволовыми клетками потенциально может вылечить слепоту даже на поздних стадиях. Однако на практике “уговорить” новые клетки стать частью органа не так просто. Пересаженные нервные клетки должны соединиться с соседями и начать передавать сигнал. Исследования на животных показали, что только небольшая часть из них способна правильно встроиться в сетчатку.

Проще обстоит дело с клетками пигментного эпителия. Это наружный слой, который питает глаз и защищает его от повреждений. Один из самых частых диагнозов нарушения работы этих клеток — возрастная макулярная дистрофия. Сегодня их уже научились неплохо воссоздавать на животных моделях. Для этого ученые создают специальные клеточные каркасы, которые затем переносят в глаз в составе биогеля. Гель растворяется, а клеточная “заплатка” врастает в глаз и начинает работать. В 2018 году в Америке выращенный в пробирке пигментный эпителий успешно имплантировали четырем пациентам. У всех четырех прекратилось ухудшение зрения, обусловленное болезнью.

Еще один вариант пока звучит довольно экзотически — попробовать возбудить процессы регенерации в уже имеющихся клетках. У большинства животных такой способности нет, но есть у рептилий и некоторых рыб. Томас Рех, нейробиолог из Вашингтонского университета в Сиэтле, пытается подобрать ключ к этой способности у людей. И первые результаты он уже получил.

В начале 2000-х Рех выделил клетки, которые обеспечивают структуру сетчатки и поддерживают ее функцию. Именно они, как он утверждает, и являются “фабриками” по производству новых нейронов у рыб и рептилий. В 2015 году он и его команда вырастили генетически измененных мышей, которым ввели ген для производства белка Ascl1, — он необходим для производства тех самых нейронов у рыб. Затем мышам повредили сетчатку и стали ждать, что Ascl1 запустит процесс регенерации.

Эксперимент не удался в полной мере. Новые нейроны не появились у взрослых мышей. Зато они появились у молодых! Впоследствии Николас Йорстад — биохимик и аспирант в команде Реха — обнаружил, что во взрослых клетках присутствует особый фермент, который блокирует их доступ к гену Ascl1. Группа Реха взялась за работу с удвоенной силой. В 2017 году они смогли заблокировать фермент и добиться того, чтобы регенерация началась и у взрослых мышей. Хотя их строение отличалось от естественных клеток, тесты показали, что новые нейроны чувствительны к свету.

Потребуются еще годы, чтобы отшлифовать все методы и обойти подводные камни. Но сегодня мы уже находимся на стадии “гонки вооружений”. Вопрос не в том, возможно ли восстановить зрение даже при полной потере. Вопрос, кто сделает это качественнее, быстрее и дешевле.

Поделиться ссылкой: