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

수백만 명의 사람들에게 있어, 세상은 연령 관련 황반변성이라는 질환으로 인해 서서히 어둠 속으로 사라지고 있습니다. 가장 심각한 형태의 경우, 광수용체라고 알려진 눈의 맨 뒷부분에 있는 빛에 민감한 세포들이 단순히 사멸합니다. 이 광수용체로부터 신호를 받는 세포들은 종종 살아남지만, 연결이 끊어져 뇌는 시각적 입력 없이 남겨지게 됩니다. 시력을 회복하기 위해, 과학자들은 망막 아래에 위치하는 아주 작은 전자 임플란트를 개발하고 있습니다. 이 장치들은 인공 눈 역할을 하며, 빛을 전기 펄스로 변 converted 하여 살아있는 신경 세포를 자극함으로써 뇌가 다시 볼 수 있도록 속이는 것을 목표로 합니다. 그러나 이러한 장치를 테스트하는 데에는 상당한 장애물이 있습니다. 인간 환자의 경우, 죽은 광수용체와 살아있는 신경 사이에 세포 잔해와 흉터 조직의 층이 흔히 남아 있습니다. 이 층은 쿠션처럼 작용하여 임플란트를 표적 세포로부터 밀어냅니다. 실험에 사용되는 쥐와 같은 동물들의 경우, 이러한 쿠션이 존재하지 않으며 임플란트가 신경에 직접 맞닿아 있습니다. 이러한 차이 때문에 새로운 임플란트가 거리가 더 멀고 전기 신호가 그 추가적인 물질 층을 통과해야 하는 인간의 눈에서도 잘 작동할지 알기가 어렵습니다.

스탠퍼드 대학교와 센트럴 플로리다 대학교의 연구진은 이 테스트 문제를 해결할 솔루션을 개발했습니다: 인간의 상태를 모방한 미세한 3차원 스캐폴드(지지체)입니다. 그들은 임플란트 표면에 직접 인쇄할 수 있는 아주 작은 다공성 메쉬(그물망)를 만들었습니다. 이 메쉬는 인간의 눈에서 발생하는 잔해 층과 마찬가지로, 살아있는 신경 세포를 장치로부터 특정 거리만큼 떨어져 있게 유지하도록 설계되었으며, 동시에 임플란트로 전달되는 빛과 신경으로 흐르는 전기가 통할 수 있도록 제작되었습니다. 연구팀은 쥐에게 이 스캐폴드를 이식하여 테스트하며, 메쉬의 구멍 크기를 조절하여 완벽한 균형을 찾았습니다. 그들은 3 마이크로미터의 간격이 이상적이라는 것을 발견했습니다. 이 크기는 신경 세포가 임플란트 안으로 이동하여 테스트를 망치는 것을 막을 만큼 충분히 작으면서도, 필요한 생물학적 액체와 전류가 자유롭게 이동할 수 있을 만큼 충분히 컸습니다.

이 스캐폴드들을 이식했을 때, 그것들은 장치와 망막 사이에 안정적이고 통제된 공간을 만들어냈습니다. 시간이 지나면서 스캐폴드 내부의 빈 공간은 자연스럽게 눈의 생물학적 물질로 채워졌고, 인간 환자에게서 발견되는 조직의 전기적 특성과 일치할 만큼 밀도가 높아졌습니다. 이 변화는 매우 중요했습니다. 처음에 공간은 전기를 너무 쉽게 전도하여 시각 신호를 흐리게 만드는 액체로 채워져 있었습니다. 공간이 조직 같은 물질으로 채워짐에 따라 전기 신호의 선명도가 향상되었고, 쥐의 미세한 패턴을 보는 능력도 더 날카로워졌습니다. 연구진은 신경을 자극하는 데 필요한 전기적 임계값이 거리가 멀어질 때 자연적인 인간의 눈에서 나타나는 방식과 정확히 동일하게 변화한다는 것을 발견했습니다. 이는 스캐폴드가 질병이 있는 인간의 눈이 가진 도전적인 환경을 쥐 모델 내에서 성공적으로 재현했음을 의미합니다.

이 연구는 또한 더 작고 정교한 픽셀을 사용하여 망막 깊숙이 도달하는 최신 고급 임플란트의 특정 문제를 다루었습니다. 장벽이 없다면 쥐의 신경 세포는 이 기둥들을 따라 아래로 자라나 의도한 것보다 장치에 더 가깝게 이동하게 됩니다. 이러한 이동은 전기가 세포에 도달하는 방식을 변화시켜 테스트 결과를 신뢰할 수 없게 만듭니다. 새로운 스캐폴드는 울타리 역할을 하여, 신경 세포를 연구자들이 원하는 대로 기둥의 상단에 머물게 했습니다. 이러한 이동을 방지함으로써, 연구팀은 전극과 표적 세포 사이의 거리가 일정하고 예측 가능하게 유지되도록 보장했습니다. 이를 통해 그들은 임플란트의 픽셀 크기와 신경까지의 거리가 시력의 질에 어떤 영향을 미치는지 정확하게 측정할 수 있었습니다.

연구 결과는 이 생체 모방 스캐폴드가 차세대 시력 회복 장치를 테스트하는 훨씬 더 정확한 방법을 제공한다는 것을 시사합니다. 물리적 분리와 전기적 저항을 환자에게서 나타나는 것과 똑같이 재현함으로써, 이 모델은 동물 연구와 임상 현실 사이의 간극을 메워줍니다. 연구진은 스캐폴드가 임플란트에 전력을 공급하는 데 필요한 빛을 차단하지 않으며, 전기의 흐름을 방해하지도 않는다는 것을 확인했습니다. 대신, 그것은 임플란트의 성능을 공정하게 판단할 수 있는 현실적인 환경을 조성했습니다. 이 연구는 실험실에서 개발된 장치들이 복잡하고 잔해가 가득한 인간의 눈 환경에 진정으로 준비되었는지 확인함으로써, 전임상 테스트의 새로운 표준을 확립하고 있습니다.