Netzhautprothesen versprechen die Wiederherstellung des Sehvermögens bei völlig blinden Menschen. Ein Jahrzehnt klinischer Studien hat jedoch gezeigt, dass es quantitative Einschränkungen gibt, die das Erreichen dieses Ziels behindern. Eine an der EPFL entwickelte, hochauflösende photovoltaische Netzhautprothese ermöglicht nun empfindlichere Reaktionen auf Ein-Pixel-Stimulation in blinden Netzhäuten.
Eine hochauflösende photovoltaische Netzhautprothese
a) Bild der hochdichten POLYRETINA-Prothese mit 10.498 Photovoltaik-Pixeln. b) Vergrösserte Ansicht der Photovoltaik-Pixel mit einem Durchmesser von 80 µm und einem Abstand von 120 µm. c) Aufbau der POLYRETINA-Photovoltaik-Schnittstelle vor dem Aufkleben auf die Halbkugelkuppel. Die Schichtdicken sind wie folgt: Basis-PDMS-Schicht: 50 μm; SU-8-Plattformen: 6 μm; zweite PDMS-Schicht, die SU-8-Plattformen einbettet: 15 µm; PEDOT:PSS: 50 nm, P3HT:PCBM: 100 nm, Ti-TiN: 80-60 nm, abschließende PDMS-Schicht: 4 μm. PDMS Polydimethylsiloxan, PEDOT Poly(3,4-ethylendioxythiophen), PSS Poly(styrolsulfonat), P3HT regioreguläres Poly(3-hexylthiophen-2,5-diyl), PC60BM [6,6]-Phenyl-C61-buttersäuremethylester. Bildquelle: Autoren
Eine zentrale Herausforderung bei der retinalen Stimulation ist die unabhängige Aktivierung retinaler Neuronen über einen großen Teil des Gesichtsfeldes des Probanden. Das Erreichen eines solchen Ziels würde die Wahrnehmungsgenauigkeit der Benutzer von Retina-Implantaten signifikant verbessern, zusammen mit ihrer räumlichen Wahrnehmung, Aufmerksamkeit, Umgebungszuordnung und Interaktion mit der Umwelt. Die Autoren der Studie am Medtronic Chair in Neuroengineering der EPFL um Prof. Diego Ghezzi entwickelten nun auf Basis nanotechnologischer Dünnschichttechnik den Prototyp einer grossflächigen, hochdichten und hochauflösenden photovoltaische epiretinale Prothese für künstliches Sehen (POLYRETINA).
Hochauflösend auch unter realistischen Bedingungen
Sie schlugen eine gekrümmte epiretinale Prothese, basierend auf organischen photovoltaischen Elementen mit hoher Pixeldichte vor, um die oben genannten Einschränkungen zu beheben. Das POLYRETINA-Implantat mit hoher Pixeldichte wurde konzipiert, um einen grossen Blickwinkel zu realisieren, der nur ein minimales Drehen des Kopfes zum Erfassen der Umgebung erfordert. Eine hohe Pixeldichte der Prothese korreliert jedoch nicht notwendigerweise mit einer hohen visuellen Diskrimination, da die Antwortauflösung auf der Ebene der retinalen Ganglienzellen durch die hohe räumliche Interkonnektivität des retinalen Netzwerks verändert werden könnte. Daher untersuchten die Forscher ex vivo die Reaktionsauflösung, die durch diese hochdichte Netzhautprothese bereitgestellt wird. DieErgebnisse zeigten, dass die vorgeschlagene Lösung eine hohe räumliche Auflösung bei epiretinaler Stimulation erreichen kann, was einen wesentlichen Fortschritt für das künstliche Sehen darstellt.
Die Prothese enthält 10'498 physikalisch und funktionell unabhängige photovoltaische Pixel, die eine breite Netzhautabdeckung und hochauflösende Stimulation ermöglichen. Die Einzelpixel-Beleuchtung löste reproduzierbar netzwerkvermittelte Antworten von retinalen Ganglienzellen bei realistischen und für das Auge sicheren Beleuchtungsstärken aus. Darüber hinaus ermöglichte POLYRETINA dank des netzwerk-vermittelten Stimulationsmechanismus eine Antwortunterscheidung mit einer hohen räumlichen Auflösung, die dem Pixelabstand (120 µm) entsprach. Dieser Ansatz könnte ein künstliches Sehen im ganzen Sichtfeld, von der Mitte bis zur Peripherie, bei Patienten mit Retinitis pigmentosa ermöglichen.
Originalpublikation:
N.A.L. Chenais, M.J.I. Airaghi Leccardi und D. Ghezzi, «Photovoltaic retinal prosthesis restores high-resolution responses to single-pixel stimulation in blind retinas» Commun. Mater.2, 28 (2021), DOI: https://doi.org/10.1038/s43246-021-00133-2
