Biomimetic scaffolds mimic human subretinal debris for preclinical testing of prosthetic vision

Für Millionen von Menschen verblasst die Welt langsam in die Dunkelheit aufgrund einer Erkrankung namens altersbedingter Makuladegeneration. In ihrer schwersten Form sterben die lichtempfindlichen Zellen ganz hinten im Auge, die als Photorezeptoren bekannt sind, einfach ab. Während die Zellen, die Signale von diesen Photorezeptoren empfangen, oft überleben, ist die Verbindung unterbrochen, wodurch das Gehirn ohne visuellen Input bleibt. Um das Sehvermögen wiederherzustellen, entwickeln Wissenschaftler winzige elektronische Implantate, die unter der Netzhaut sitzen. Diese Geräte fungieren als künstliche Augen, indem sie Licht in elektrische Impulse umwandeln, die die überlebenden Nervenzellen stimulieren, in der Hoffnung, das Gehirn wieder sehen zu lassen. Es gibt jedoch eine erhebliche Hürde beim Testen dieser Geräte. Bei menschlichen Patienten verbleibt oft eine Schicht aus Zelltrümmern und Narbengewebe zwischen den abgestorbenen Photorezeptoren und den lebenden Nerven. Diese Schicht wirkt wie ein Kissen, das das Implantat von den Zielzellen wegdrückt. Bei den für Tests verwendeten Tieren, wie etwa Ratten, existiert dieses Kissen nicht; das Implantat sitzt direkt an den Nerven an. Dieser Unterschied macht es schwierig zu wissen, ob ein neues Implantat im menschlichen Auge gut funktionieren wird, wo der Abstand größer ist und die elektrischen Signale durch diese zusätzliche Materialschicht reisen müssen.

Forscher der Stanford University und der University of Central Florida haben eine Lösung für dieses Testproblem entwickelt: ein mikroskopisches, dreidimensionales Gerüst, das den menschlichen Zustand nachahmt. Sie erstellten ein winziges, poröses Netz, das direkt auf die Oberfläche des Implantats gedruckt werden kann. Dieses Netz ist darauf ausgelegt, die lebenden Nervenzellen in einem bestimmten Abstand zum Gerät zu halten, genau wie die Trümmerschicht im menschlichen Auge, während es dennoch Licht zum Implantat durchlassen und Elektrizität zu den Nerven fließen lassen kann. Das Team testete diese Gerüste in Ratten und passte die Größe der Löcher im Netz an, um das perfekte Gleichgewicht zu finden. Sie entdeckten, dass ein Spalt von 3 Mikrometern ideal war. Diese Größe war klein genug, um zu verhindern, dass die Nervenzellen in das Implantat hineinwandern, was den Test ruinieren würde, aber groß genug, um die notwendigen biologischen Flüssigkeiten und elektrischen Ströme frei fließen zu lassen.

Als diese Gerüste implantiert wurden, schufen sie einen stabilen, kontrollierten Raum zwischen dem Gerät und der Netzhaut. Im Laufe der Zeit füllte sich der leere Raum innerhalb des Gerüsts natürlich mit biologischem Material aus dem Auge und wurde dicht genug, um den elektrischen Eigenschaften des Gewebes zu finden, das bei menschlichen Patienten vorkommt. Dieser Übergang war entscheidend. Zu Beginn war der Raum mit Flüssigkeit gefüllt, die Elektrizität zu leicht leitet und das visuelle Signal verschwert. Als sich der Raum mit gewebeähnlichem Material füllte, verbesserte sich die Klarheit des elektrischen Signals und die Fähigkeit der Ratten, feine Muster zu sehen, wurde schärfer. Die Forscher fanden heraus, dass sich die elektrischen Schwellenwerte, die zur Stimulation der Nerven erforderlich sind, exakt so veränderten, wie es geschieht, wenn der Abstand im natürlichen menschlichen Auge zunimmt. Das bedeutet, dass das Gerüst die herausfordernde Umgebung eines erkrankten menschlichen Auges in einem Rattenmodell erfolgreich rekonstruiert hat.

Die Studie befasste sich auch mit einem spezifischen Problem neuerer, fortschrittlicherer Implantate, die winzige Säulen verwenden, um tiefer in die Netzhaut zu reichen. Ohne eine Barriere neigen die Nervenzellen in Ratten dazu, um diese Säulen herumzuwachsen und sich näher an das Gerät heranzubewegen als beabsichtigt. Diese Wanderung verändert, wie die Elektrizität die Zellen erreicht, was die Testergebnisse unzuverlässig macht. Die neuen Gerüste fungierten als Zaun, der die Nervenzellen oben an den Säulen hielt, wo die Forscher sie haben wollten. Durch das Verhindern dieser Wanderung stellte das Team sicher, dass der Abstand zwischen der Elektrode und der Zielzelle konstant und vorhersehbar blieb. Dies ermöglichte es ihnen, genau zu messen, wie die Größe der Pixel des Implantats und der Abstand zu den Nerven die Qualität des Sehens beeinflussen.

Die Ergebnisse legen nahe, dass dieses biomimetische Gerüst eine wesentlich genauere Methode darstellt, um die nächste Generation von visus-wiederherstellenden Geräten zu testen. Indem es die physische Trennung und den elektrischen Widerstand nachbildet, der bei menschlichen Patienten vorhanden ist, schließt das Modell die Lücke zwischen Tierstudien und klinischer Realität. Die Forscher bestätigten, dass das Gerüst weder das Licht blockierte, das zur Speisung des Implantats benötigt wird, noch den Fluss der Elektrizität störte. Stattdessen schuf es eine realistische Umgebung, in der die Leistung des Implantats fair beurteilt werden konnte. Diese Arbeit etabliert einen neuen Standard für die präklinische Testung und stellt sicher, dass die im Labor entwickelten Geräte wirklich bereit für die komplexe, trümmergefüllte Umgebung des menschlichen Auges sind.