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

对于数百万人而言，由于一种被称为年龄相关性黄斑变性的疾病，世界正在慢慢陷入黑暗。在最严重的阶段，位于眼睛最深处、被称为光感受器的光敏细胞会直接死亡。虽然接收这些光感受器信号的细胞通常会存活下来，但连接已经断裂，导致大脑失去了视觉输入。为了恢复视力，科学家们正在开发一种位于视网膜下方的微型电子植入物。这些设备充当人工眼睛，将光转化为电脉冲来刺激存活的神经细胞，希望以此“欺骗”大脑重新看见。然而，测试这些设备存在一个重大障碍。在人类患者体内，死去的光感受器与活着的神经之间通常会留下一层细胞碎屑和疤痕组织。这一层就像一个垫层，将植入物从目标细胞处推开。而在用于测试的动物（如大鼠）身上，这种垫层并不存在；植入物直接贴合在神经上。这种差异使得研究人员很难确定一种新的植入物在人类眼睛中是否能表现良好，因为在人类眼中距离更远，且电信号必须穿过那层额外的物质层。

斯坦福大学和中佛罗里达大学的研究人员针对这一测试问题开发了一种解决方案：一种能够模拟人类状况的微观三维支架。他们创造了一种微小的多孔网格，可以直接打印在植入物的表面上。这种网格旨在将活着的神经细胞保持在距离设备特定的距离，就像人类眼睛中的碎屑层一样，同时仍允许光线穿透到植入物并让电流流向神经。团队在实验大鼠身上测试了这些支架，通过调整网格孔径的大小来寻找完美的平衡点。他们发现，3微米的间隙是最理想的。这个尺寸既足够小，可以防止神经细胞向下迁移进入植入物内部（否则会破坏测试），又足够大，可以允许必要的生物液体和电流自由流动。

当这些支架被植入后，它们在设备与视网膜之间创造了一个稳定且受控的空间。随着时间的推移，支架内的空隙自然地充满了来自眼睛的生物物质，变得足够致密，以匹配人类患者体内的组织电学特性。这种转变至关重要。最初，空间内充满了液体，液体会导致导电过于容易并模糊视觉信号。随着空间被类组织物质填充，电信号的清晰度得到了提升，大鼠观察精细图案的能力也变得更加敏锐。研究人员发现，刺激神经所需的电阈值随距离增加而发生的变化，与自然人类眼睛中距离增加时的变化完全一致。这意味着该支架成功地在鼠类模型中重现了患病人类眼睛那种具有挑战性的环境。

该研究还解决了一个与新型、更先进植入物相关的问题，这类植入物使用微小的柱状结构深入视网膜。如果没有屏障，大鼠的神经细胞往往会沿着这些柱子向下生长，从而比预期更靠近设备。这种迁移会改变电流到达细胞的方式，使测试结果变得不可靠。这种新型支架起到了“围栏”的作用，将神经细胞挡在柱子的顶端，即研究人员希望它们停留的位置。通过阻止这种迁移，团队确保了电极与目标细胞之间的距离保持恒定且可预测。这使得他们能够精确测量植入物的像素大小以及到神经的距离如何影响视觉质量。

研究结果表明，这种仿生支架为测试下一代视觉恢复设备提供了一种更为准确的方法。通过重现人类患者体内的物理间隔和电阻特性，该模型弥合了动物研究与临床现实之间的鸿沟。研究人员证实，该支架既不会阻挡为植入物供电所需的光线，也不会干扰电流的流动。相反，它创造了一个现实的环境，使得植入物的性能可以得到公平的评判。这项工作建立了一个新的临床前测试标准，确保实验室开发的设备真正准备好应对人类眼睛中复杂的、充满碎屑的环境。