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

加齢黄斑変性と呼ばれる疾患により、何百万人もの人々にとって、世界がゆっくりと暗闇へと消え去ろうとしています。最も深刻な形態では、網膜の最背面にある光感受性細胞、いわゆる光受容体が単に死滅してしまいます。これらの光受容体から信号を受け取る細胞は生き残ることが多いのですが、その接続が断たれてしまうため、脳には視覚的な入力が届かなくなります。視力を回復させるために、科学者たちは網膜の下に配置される極小の電子インプラントを開発しています。これらの装置は人工の目の役割を果たし、光を電気パルスに変換して生存している神経細胞を刺激することで、脳を再び「見える」ように欺こうとするものです。しかし、これらの装置をテストする際には大きな障害があります。ヒトの患者においては、死滅した光受容体と生存している神経との間に、細胞の残骸や瘢痕組織の層がしばしば残ります。この層はクッションのような役割を果たし、インプラントを標的となる細胞から遠ざけてしまいます。テストに使用されるラットなどの動物では、このクッションが存在せず、インプラントは神経に直接接しています。この違いにより、距離がより長く、電気信号がその追加の層を通過しなければならないヒトの目において、新しいインプラントがうまく機能するかどうかを知ることは困難になっています。

スタンフォード大学とセントラルフロリダ大学の研究者たちは、このテストの問題に対する解決策を開発しました。それは、ヒトの状態を模倣した微細な三次元スキャフォールド（足場構造体）です。彼らは、インプラントの表面に直接プリントできる、微細な多孔質メッシュを作成しました。このメッシュは、ヒトの目における残骸層と同じように、生きた神経細胞をデバイスから特定の距離に保持するように設計されていますが、同時に光がインプラントへと透過し、電気が神経へと流れることも可能にしています。チームはラットを用いてこれらのスキャフォールドをテストし、メッシュの穴のサイズを調整して完璧なバランスを見つけ出しました。彼らは、3マイクロメートルの隙間が理想的であることを発見しました。このサイズは、神経細胞がインプラント内へ移動してくるのを防ぐには十分に小さく、一方で、必要な生物学的流体や電流が自由に移動するには十分に大きいものでした。

これらのスキャフォールドを移植したところ、デバイスと網膜の間に安定した制御された空間が形成されました。時間の経過とともに、スキャフォールド内の空隙は自然に目の生物学的物質で満たされ、ヒトの患者に見られる組織の電気的特性に一致するほど高密度になりました。この移行は極めて重要でした。当初、空間は液体で満たされており、これは電気を伝導しすぎるため視覚信号をぼやけさせてしまいます。空間が組織のような物質で満たされるにつれ、電気信号の明瞭さが向上し、ラットの細かい模様に対する識別能力が鋭くなりました。研究者たちは、神経を刺激するために必要な電気的閾値が、自然なヒトの目において距離が増したときと全く同じように変化することを確認しました。これは、スキャフォールドが、疾患を抱えたヒトの目の困難な環境をラットモデルの中で見事に再現したことを意味します。

この研究は、さらに、微細な柱（ピラー）を用いて網膜の深部まで到達する、より高度な最新型インプラントに関する特定の問題にも対処しました。障壁がないと、ラットの神経細胞はこれらの柱の周囲を通り抜けて下に成長し、意図したよりもデバイスに近づいてしまいます。この移動は電気の伝わり方を変えてしまい、テスト結果を信頼できないものにします。新しいスキャフォールドは、フェンスのような役割を果たし、神経細胞を研究者が望む場所である柱の頂部に留め置きました。この移動を防ぐことで、チームは電極と標的細胞の間の距離を一定かつ予測可能なものにすることに成功しました。これにより、インプラントの画素（ピクセル）のサイズと神経までの距離が、視覚の質にどのように影響するかを正確に測定することが可能になりました。

研究結果は、このバイオミメティック（生体模倣）スキャフォールドが、次世代の視力回復デバイスをテストするための、より正確な方法を提供することを示唆しています。物理的な分離と電気的抵抗を再現することで、このモデルは動物実験と臨床現場の間の溝を埋めています。研究者たちは、スキャフォールドがインプラントの駆動に必要な光を遮ることなく、また電気の流れを妨げることもないことを確認しました。むしろ、インプラントの性能を公正に判断できる、現実的な環境を作り出したのです。この研究は、ラボで開発されたデバイスが、複雑で残骸の詰まったヒトの目の環境に対して真に準備ができているかどうかを保証する、前臨床試験の新たな標準を確立するものです。