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

Voor miljoenen mensen vervaagt de wereld langzaam in duisternis door een aandoening genaamd leeftjesdegeneratie (age-related macular degeneration). In de meest ernstige vorm sterven de lichtgevoelige cellen aan de uiterste achterkant van het oog, de zogenaamde fotoreceptoren, simpelweg weg. Hoewel de cellen die signalen van deze fotoreceptoren ontvangen vaak overleven, is de verbinding verbroken, waardoor de hersenen zonder visuele input komen te zitten. Om het zicht te herstellen, ontwikkelen wetenschappers minuscule elektronische implantaten die onder het netvlies worden geplaatst. Deze apparaten fungeren als kunstmatige ogen, waarbij ze licht omzetten in elektrische pulsen die de overlevende zenuwcellen stimuleren, in de hoop de hersenen te misleiden om weer te kunnen zien. Er is echter een aanzienlijke hindernis bij het testen van deze apparaten. Bij menselijke patiënten blijft er vaak een laag cellulair afval en littekenweefsel tussen de dode fotoreceptoren en de levende zenuwen aanwezig. Deze laag werkt als een kussen dat het implantaat wegduwt van de doelcellen. Bij de dieren die voor tests worden gebruikt, zoals ratten, bestaat dit kussen niet; het implantaat zit direct tegen de zenuwen aan. Dit verschil maakt het moeilijk om te weten of een nieuw implantaat goed zal werken in een menselijk oog, waar de afstand groter is en de elektrische signalen door die extra laag materiaal moeten reizen.

Onderzoekers aan Stanford University en de University of Central Florida hebben een oplossing ontwikkeld voor dit testprobleem: een microscopisch, driedimensionaal steigerwerk (scaffold) dat de menselijke conditie nabootst. Ze creëerden een minuscuul, poreus gaasje dat direct op het oppervlak van het implantaat geprint kan worden. Dit gaasje is ontworig om de levende zenuwcellen op een specifieke afstand van het apparaat te houden, precies zoals de afvallaag in een menselijk oog dat doet, terwijl het nog steeds licht doorlaat naar het implantaat en elektriciteit naar de zenuwen laat stromen. Het team testte deze steigers in ratten en paste de grootte van de gaatjes in het gaas aan om de perfecte balans te vinden. Ze ontdekten dat een opening van 3 micrometer ideaal was. Deze grootte was klein genoeg om te voorkomen dat de zenuwcellen naar beneden migreerden in het implantaat, wat de test zou verpesten, maar groot genoeg om de noodzakelijke biologische vloeistoffen en elektrische stromen vrij te laten bewegen.

Wanneer deze steigers werden geïmplanteerd, creëerden ze een stabiele, gecontroleerde ruimte tussen het apparaat en het netvlies. Na verloop van tijd vulde de lege ruimte in de steiger zich op natuurlijke wijze met biologisch materiaal uit het oog, waardoor het dicht genoeg werd om overeen te komen met de elektrische eigenschappen van het weefsel dat bij menselijke patiënten wordt aangetroffen. Deze transitie was cruciaal. Aanvankelijk was de ruimte gevuld met vloeistof, die elektriciteit te gemakkelijk geleidt en het visuele signaal vertroebelt. Naarmate de ruimte zich vulde met weefselachtig materiaal, verbeterde de helderheid van het elektrische signaal en werd het vermogen van de ratten om fijne patronen te zien scherper. De onderzoekers ontdekten dat de elektrische drempelwaarden die nodig zijn om de zenuwen te stimuleren, op exact dezelfde manier veranderden als wanneer de afstand toeneemt in een natuurlijk menselijk oog. Dit betekent dat de steiger succesvol de uitdagende omgeving van een ziek menselijk oog heeft nagebootst binnen een ratmodel.

De studie pakte ook een specifiek probleem aan bij nieuwere, meer geavanceerde implantaten die gebruikmaken van minuscule pilaren om dieper in het netvlies te reiken. Zonder een barrière hebben de zenuwcellen in ratten de neiging om rond deze pilaren naar beneden te groeien, waardoor ze dichter bij het apparaat komen dan bedoeld. Deze migratie verandert hoe de elektriciteit de cellen bereikt, wat de testresultaten onbetrouwbaar maakt. De nieuwe steigers fungeerden als een hek dat de zenuwcellen aan de bovenkant van de pilaren hield, waar de onderzoekers ze wilden hebben. Door deze migratie te voorkomen, zorgde het team ervoor dat de afstand tussen de elektrode en de doelcel constant en voorspelbaar bleef. Dit stelde hen in staat om exact te meten hoe de grootte van de pixels van het implantaat en de afstand tot de zenuwen de kwaliteit van het zicht beïnvloedden.

De resultaten suggereren dat dit biomimetische steigerwerk een veel nauwkeurigere manier biedt om de volgende generatie visieherstellende apparaten te testen. Door de fysieke scheiding en elektrische weerstand die bij menselijke patiënten worden gevonden te reproduceren, overbrugt het model de kloof tussen dierstudies en de klinische realiteit. De onderzoekers bevestigden dat de steiger het licht dat nodig is om het implantaat van stroom te voorzien niet blokkeerde, noch het de stroom van elektriciteit verstoorde. In plaats daarvan creëerde het een realistische omgeving waarin de prestaties van het implantaat eerlijk beoordeeld konden worden. Dit werk vestigt een nieuwe standaard voor preklinische tests, waardoor wordt gegarandeerd dat de apparaten die in het laboratorium worden ontwikkeld, werkelijk klaar zijn voor de complexe, door afval gevulde omgeving van het menselijk oog.