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

Per milioni di persone, il mondo sta lentamente svanendo nell'oscurità a causa di una condizione chiamata degenerazione maculare senile. Nella sua forma più grave, le cellule fotosensibili nella parte posteriore dell'occhio, note come fotorecettori, semplicemente muoiono. Sebbene le cellule che ricevono i segnali da questi fotorecettori spesso sopravvivano, la connessione viene interrotta, lasciando il cervello senza input visivi. Per ripristinare la vista, gli scienziati stanno sviluppando minuscoli impianti elettronici che si posizionano sotto la retina. Questi dispositivi agiscono come occhi artificiali, convertendo la luce in impulsi elettrici che stimolano le cellule nervose sopravvissute, sperando di ingannare il cervello affinché veda di nuovo. Tuttavia, esiste un ostacolo significativo nel testare questi dispositivi. Nei pazienti umani, uno strato di detriti cellulari e tessuto cicatriziale rimane spesso tra i fotorecettori morti e i nervi viventi. Questo strato agisce come un cuscino, allontanando l'impianto dalle cellule bersaglio. Negli animali utilizzati per i test, come i ratti, questo cuscino non esiste; l'impianto si trova direttamente contro i nervi. Questa differenza rende difficile sapere se un nuovo impianto funzionerà bene in un occhio umano, dove la distanza è maggiore e i segnali elettrici devono viaggiare attraverso quell'ulteriore strato di materiale.

Ricercatori dell'Università di Stanford e dell'Università della Florida Centrale hanno sviluppato una soluzione a questo problema di test: uno scaffold microscopico tridimensionale che imita la condizione umana. Hanno creato una minuscola rete porosa che può essere stampata direttamente sulla superficie dell'impianto. Questa rete è progettata per mantenere le cellule nervose viventi a una distanza specifica dal dispositivo, proprio come fa lo strato di detriti in un occhio umano, consentendo al contempo alla luce di passare attraverso l'impianto e all'elettricità di fluire verso i nervi. Il team ha testato questi scaffold nei ratti, regolando la dimensione dei fori della rete per trovare l'equilibrio perfetto. Hanno scoperto che un gap di 3 micrometri era l'ideale. Questa dimensione era abbastanza piccola da impedire alle cellule nervose di migrare verso il basso nell'impianto, il che rovinerebbe il test, ma abbastanza grande da permettere ai necessari fluidi biologici e alle correnti elettriche di muoversi liberamente.

Quando questi scaffold venivano impiantati, creavano uno spazio stabile e controllato tra il dispositivo e la retina. Con il passare del tempo, lo spazio vuoto all'interno dello scaffold si riempiva naturalmente di materiale biologico proveniente dall'occhio, diventando abbastanza denso da corrispondere alle proprietà elettriche del tessuto presente nei pazienti umani. Questa transizione era cruciala. Inizialmente, lo spazio era riempito di fluido, che conduce l'elettricità troppo facilmente e sfoca il segnale visivo. Man mano che lo spazio si riempiva di materiale simile al tessuto, la chiarezza del segnale elettrico migliorava e la capacità dei ratti di vedere schemi fini diventava più nitida. I ricercatori hanno scoperto che le soglie elettriche necessarie per stimolare i nervi cambiavano esattamente nello stesso modo in cui accade quando la distanza aumenta in un occhio umano naturale. Ciò significa che lo scaffold ha ricreato con successo l'ambiente impegnativo di un occhio umano malato all'interno di un modello di ratto.

Lo studio ha anche affrontato un problema specifico relativo ai nuovi impianti più avanzati che utilizzano minuscole colonne per raggiungere la parte più profonda della retina. Senza una barriera, le cellule nervose nei ratti tendono a crescere intorno a queste colonne, avvicinandosi al dispositivo più di quanto previsto. Questa migrazione altera il modo in cui l'elettricità raggiunge le cellule, rendendo i risultati del test inattendibili. I nuovi scaffold hanno agito come una recinzione, mantenendo le cellule nervose in cima alle colonne, dove i ricercatori volevano che fossero. Impedendo questa migrazione, il team ha garantito che la distanza tra l'elettrodo e la cella bersaglio rimanesse costante e prevedibile. Ciò ha permesso loro di misurare esattamente come la dimensione dei pixel dell'impianto e la distanza dai nervi influenzassero la qualità della visione.

I risultati suggeriscono che questo scaffold biomimetico fornisce un modo molto più accurato per testare la prossima generazione di dispositivi di ripristino della vista. Riproducendo la separazione fisica e la resistenza elettrica trovate nei pazienti umani, il modello colma il divario tra gli studi sugli animali e la realtà clinica. I ricercatori hanno confermato che lo scaffold non bloccava la luce necessaria per alimentare l'impianto, né interferiva con il flusso di elettricità. Invece, ha creato un ambiente realistico in cui le prestazioni dell'impianto potessero essere giudicate equamente. Questo lavoro stabilisce un nuovo standard per i test preclinici, garantendo che i dispositivi sviluppati in laboratorio siano davvero pronti per il complesso ambiente pieno di detriti dell'occhio umano.