Prótesis fotovoltaicas de retina: una nueva esperanza para los pacientes ciegos

Publicado el

mones, 23 Marzo 2015

Argomento

Retina

Nuestra entrevista sobre las características y perspectivas de desarrollo de las prótesis fotovoltaicas de retina, que Daniel Palanker y su grupo de investigación han desarrollado en los laboratorios de la Universidad de Stanford (California, EE.UU.).

¿Cómo podría ayudar una prótesis de retina a restablecer la función visual en un paciente con una enfermedad degenerativa de la retina?
Las enfermedades degenerativas de la retina provocan la pérdida progresiva de los fotorreceptores que "captan las imágenes", mientras que las neuronas internas de la retina, que "procesan las imágenes", permanecen prácticamente intactas [1]. La estimulación eléctrica de estas neuronas puede generar sensaciones visuales. Así pues, se puede plantear la hipótesis de una vía alternativa para la percepción visual, lo que permite albergar nuevas esperanzas de devolver la vista a los pacientes ciegos.
En algunos ensayos clínicos recientes, se han implantado haces de electrodos, tanto en el epiretinal (es decir, frente a las células ganglionares) que en posición subretiniano (dirigido, en cambio, hacia los fotorreceptores) y lograron restablecer la agudeza visual del orden de 20/1200 en pacientes ciegos por enfermedades degenerativas de la retina [2, 3].

¿Cuáles son las principales diferencias entre las prótesis fotovoltaicas de retina, en las que trabaja su grupo de investigación, y otras prótesis, como Argus II, que ya se implantaron en humanos en Pisa el año pasado?
Los resultados, obtenidos mediante la implantación en pacientes de las prótesis actualmente disponibles, constituyen una prueba importante de la validez de esta hipótesis experimental, con importantes implicaciones clínicas; sin embargo, tales dispositivos requieren cables que deben penetrar en el ojo para llevar la energía a las placas retinianas que contienen los electrodos.
Nuestro diseño supera estos problemas utilizando placas prefabricadas que contienen fotodiodos estimulados fotovoltaicamente. El sistema protésico de retina, representado en la figura 1 A-B, consta de una cámara de vídeo miniaturizada que capta imágenes del escenario visual. El flujo de vídeo, procesado por un ordenador de bolsillo, se muestra en una pantalla muy próxima al ojo, similar a las gafas estereoscópicas habituales.

A continuación, estas imágenes se proyectan sobre el implante subretiniano mediante luz infrarroja cercana pulsada (NIR: 880-915 nm) [4]. Los fotodiodos de cada píxel de la placa convierten esta luz en una corriente eléctrica pulsada que atraviesa la retina y estimula las neuronas retinianas internas.
La activación directa de cada píxel del implante subretiniano elimina la necesidad de complejos patrones, formados por electrodos y cables de conexión, y preserva la conexión natural entre la percepción de la imagen y los movimientos oculares.
Este sistema inalámbrico puede modular hasta una estructura con miles de electrodos.
De este modo, la cirugía de implante se simplifica considerablemente. Le invitamos a ver el vídeo, colgado en YouTube por el equipo del Dr. Palanker, en el que se ilustra la técnica de implantación.

La estructura modular del sistema permite ampliar el campo de visión colocando las placas una al lado de la otra.

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¿Cómo son posibles estos resultados con los implantes fotovoltaicos de retina?
Los fotopíxeles convierten la luz infrarroja cercana pulsada en impulsos de corriente eléctrica capaces de estimular las neuronas retinianas internas más próximas. Para maximizar la estimulación sin sobrepasar los límites de seguridad electroquímica, cada píxel está equipado con tres fotodiodos conectados en serie entre el electrodo central activo y el electrodo de retorno de la circunferencia, ambos recubiertos con SIROF. El tamaño más pequeño que puede realizarse en los sistemas actuales es de 70 ?m, con un electrodo en forma de disco de 20 ?m en el centro, como se ilustra en la Figura 2.

Un electrodo de retorno, situado en cada píxel, ayuda a limitar el campo eléctrico y reduce los flujos de intercomunicación entre los múltiples píxeles activados simultáneamente en esa placa. Este es un aspecto clave para lograr una alta resolución de estimulación.
Sin embargo, una contención lateral más pronunciada del campo eléctrico reduce su profundidad de penetración en la retina, lo que hace que la eficacia del sistema sea más susceptible a las variaciones cerca de las neuronas diana.
Nuestro grupo de investigación demostró la funcionalidad de este dispositivo estimulando con éxito las retinas de ratones sanos y degenerados. Con píxeles de 140 ?m, el umbral de estimulación in vitro con pulsos de 4 ms fue de 0,3 mW/mm² para la retina normal es de 0,8 mW/mm² para la retina degenerada.
Estos picos de radiación son unas 1.000 veces superiores a la luz ambiente más intensa que puede llegar a la retina.
Dado que la mayoría de los pacientes con ceguera legal mantienen una ligera sensibilidad a la luz, no es posible utilizar luz sensible a niveles de intensidad más altos. De hecho, nuestro grupo de investigación utilizó luz infrarroja cercana con una longitud de onda en el rango de 880-915 nm, que es invisible para los fotorreceptores pero aún puede activar los fotodiodos de silicio. Con una frecuencia de repetición de impulsos de 15 Hz, la irradiancia media es de 0,05 mW/mm.²dos órdenes de magnitud por debajo del límite de seguridad para esta gama de longitudes de onda [5].
Las placas PV con un tamaño de 0,8×1,2 mm y un grosor de 30 ?m fueron bien toleradas en el espacio subretiniano de los ratones durante los seis meses de seguimiento. Los registros de potenciales visuales evocados in vivo mostraron que se inducía actividad cerebral, con umbrales de estimulación similares a los correspondientes valores in vitro para retinas normales y degeneradas.

¿Cómo podrían modularse las respuestas de la retina?
Las respuestas inducidas podían modularse tanto por la intensidad de la luz como por la amplitud del pulso.
El sistema óptico descrito utiliza una pantalla de cristal líquido (LCD) iluminada por un rayo láser para formar patrones de luz infrarroja cercana, lo que permite modular la intensidad dentro de cada fotograma de vídeo.
Tecnología DLP^TMbasado en una serie de microespejos activados a gran velocidad, puede utilizarse para modificar la respuesta retiniana variando la amplitud del pulso en cada píxel. Este dispositivo permitiría un control preciso tanto de la duración como del momento de las exposiciones, posibilitando la activación secuencial de los píxeles más cercanos para reducir aún más la comunicación entre píxeles. Además, un patrón de proyección holográfica que utilice moduladores espaciales de luz puede manejar un mayor volumen de datos y permitir un control preciso de la temporización en cada píxel.

Lo que sigue puede resumirse en pocas palabras ventajas de las prótesis fotovoltaicas de retina?
La activación óptica hace que la prótesis fotovoltaica de retina sea completamente diferente de otros implantes de alambre. La implantación es bastante sencilla desde el punto de vista quirúrgico, mientras que los módulos múltiples permiten crear una estructura escalar con hasta miles de electrodos y pueden proporcionar un campo visual más amplio. Esta prótesis preserva la conexión natural entre los movimientos oculares y la percepción de la imagen y puede funcionar en todas las condiciones de iluminación ambiental.
Este sistema es muy versátil y, por lo tanto, podría utilizarse para satisfacer las necesidades muy diversas de los pacientes que sufren las distintas formas de degeneración de la retina.
Futuras investigaciones definirán los límites de la resolución en la estimulación retiniana con placas fotovoltaicas in vitro y la agudeza visual correspondiente in vivo.

Para más información:
Daniel Palanker, Doctor
Profesor asociado
Departamento de Oftalmología y
Laboratorio Hansen de Física Experimental
StanfordUniversidad
Correo electrónico: palanker@stanford.edu
http://www.stanford.edu/~palanker/

Bibliografía
1. Kim, S.Y., et al, Análisis morfométrico de la mácula en ojos con degeneración macular asociada a la edad disciforme. Retina, 2002. 22(4): p. 471-7.
2. Zrenner, E., et al, Los chips electrónicos subretinianos permiten a los pacientes ciegos leer letras y combinarlas para formar palabras. Proc Biol Sci, 2011. 278 (1711): p. 1489-97.
3. Ahuja, A.K., et al, Los sujetos ciegos implantados con la prótesis de retina Argus II son capaces de mejorar su rendimiento en una tarea espacio-motora. Br J Ophthalmol, 2011. 95(4): p. 539-43.
4. Mathieson, K., et al, Prótesis de retina fotovoltaica con alta densidad de píxeles. Nature Photonics, 2012. 6(6): p. 391-397.
5. Loudin, J.D., et al, Circuitos de fotodiodos para prótesis de retina. Circuitos y sistemas biomédicos, IEEE Transactions on, 2011. 5(5): p. 468-480.