高校成果 | 复旦大学视网膜假体研究新进展

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临床背景

视网膜假体使用多电极刺激装置将外部世界的光信号转化为图案化电流，并刺激剩余的视网膜细胞，从而为患有晚期光感受器退化性疾病的失明患者建立视觉感知，帮助严重视力丧失的人恢复基本视力。需要相对完整的后视觉通路（视神经、外侧膝状核和视觉皮层）。视网膜植入物是患有严重视网膜退行性疾病（例如视网膜色素变性RP和年龄相关性黄斑变性AMD）患者的选择。最初视网膜假体针对的是视网膜色素变性(RP)导致的失明患者，2015年AMD患者首次被应用，AMD的人群显著大于RP患者。根据最新《中国年龄相关性黄斑变性临床诊疗指南（2023年）》显示，我国 AMD 的患病率从 45—49 岁人群的 2.44%逐渐提升至85—89岁人群的18.98%；患者数量从1990年的1201万例增加至2015 年的2665万例，预计到2050年将增加至5519万例。根据《视网膜色素变性指南2019版》，RP 是最常见的遗传性致盲眼病，世界范围内患病率为 1/7000～1/3000，在我国约为 1/3784。

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市场

根据R&M报告分析，2022 年全球视网膜植入物市场估计为 4780 万美元，预计到 2030 年将达到 1.193 亿美元的市场规模。根据分析，2022-2030 年期间复合年增长率为 12.1% 。到 2022 年，美国的视网膜植入市场预计将达到 1,420 万美元。中国作为世界第二大经济体，预计到 2030 年市场规模将达到 2,010 万美元，复合年增长率为 11.2%。

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现状

目前已有3种获得监管部门批准的视网膜假体。包括Retina Implant Alpha IMS（德国/Retina Implant AG），Argus II Retinal Prosthesis System（美国/Second Sight Medical Products），IRIS II（法国/Pixium Vision）。视网膜前植入物Argus II是迄今为止使用最广泛的设备，已获得 FDA / CE 批准，并已被植入全球 350 多名患者体内。Argus II 使盲人患者不仅能够感知光，而且能够执行某些视觉任务，但仍存在视力有限和安全性问题。2019 年 5 月，Second Sight 宣布不再生产 Argus II 备，并将这些资源重新分配给他们的皮质植入物Orion，该技术相对更具侵入性，目前也在临床试验阶段。同样为视网膜前植入物的 IRIS II 获得了 CE 标志批准，但它2018年起不再在商业上销售。视网膜下植入物 Alpha AMS 也出现了类似Argus II 的问题，Alpha AMS（及其前身 Alpha IMS）获得 CE 批准，但2019 年 3 月公司解散。过去全球已有 500 多名患者接受了视网膜假体植入设备。总的来看，不良事件包括结膜糜烂、视网膜脱离、光感丧失以及需要进行修复手术，但很少见。还存在特定的设备风险，包括过度刺激（可能导致视网膜损伤）或植入组件分层，但这些发生概率也很小。 虽然视网膜假体的临床之路并不顺利，但来自我国、澳大利亚、日本、韩国、比利时等科学家团队仍为此难题作坚持不懈的努力攻坚。 最近来自斯坦福大学的技术-PRIMA 植入物（法国/Pixium Vision）在2023年11月14日该公司宣布了一项人体试验的数据，该试验旨在评估PRIMA光伏视网膜刺激微芯片在植入后48个月改善视力的疗效和安全性，用于治疗因干性AMD引起的严重中心视力障碍患者。试验数据显示，患者能够可靠地识别字母和字母序列，视力测试显示改善效果最高达到了8行，具有临床意义。目前相关数据正在进行同行评审，预计在2024年第二季度发表全部研究数据。 这个积极的研究结果也为同样致力于视网膜假体的我国研究团队带来了信心和希望。

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挑战

下一代设备需要提供改进的视觉效果，以便它们可以用于具有更多残余视力、对视网膜假体有更高功能要求的人。硬件开发的重点是制造更小的材料电极，以降低感知阈值，还包括使用仿生材料的工作，生物相容性的改进，以便电子设备可以在物理和生理上嵌入视网膜内；软件改进的重点是使用先进的视觉处理算法，特别是视网膜工作原理的发现与最先进的计算机视觉模型的结合，改善视觉感知。总之，安全性（刺激阈值、热能损伤、组织相容性等）和有效性（视敏度、空间分辨率、电解质环境下的性能稳定等）问题还有很大的进步空间。

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复旦大学新研究成果

2023年11月23日，「Nature Biomedical Engineering」（IF=26）发表了一篇来自我国复旦大学张嘉漪、姜春晖、颜彪、袁源智等研究团队的「Assessment of visual function in blind mice and monkeys with subretinally implanted nanowire arrays as artificial photoreceptors」即「视网膜下植入纳米线阵列作为人工光感受器来评估失明小鼠和猴子的视觉功能」。

该研究团队之前已开发了金纳米颗粒装饰的二氧化钛纳米线阵列（Au-TiO 2 NW阵列），并于2020年将研究成果发表在「Nature Communications」（IF=16.6）。

在之前的研究中， 研究团队展示了Au-TiO 2 NW阵列作为人工光感受器，它吸收光并产生光电压，从而触发接口神经元的尖峰活动并恢复光感受器退化的视网膜中的光反应。其中每个NW的直径约为100 nm，长度为2 μm，具有与光感受器相似的物理尺寸。NW 阵列将紫外线 (UV)、蓝光和绿光转化为光电流，激活视网膜变性敲除/锥体白喉毒素亚基 A ( rd1 / cDTA ) 盲鼠的视网膜神经节细胞 (RGC)，光强度阈值低至10 μW mm -2和离体100 μm 的空间分辨率。感知范围的大小与野生型小鼠相当。谷氨酸能拮抗剂对光反应的抑制表明 NW 阵列接口的视网膜能够通过先天视网膜回路处理视觉信息。此外，在盲鼠视网膜下植入Au-TiO 2 NW阵列已证明光敏感度的功能和行为恢复，这表明使用NW阵列作为视网膜假体的可能性。NW 阵列在体内恢复主要视觉功能方面的性能仍有待评估。 3年后的本研究中， 在改进之前的研究的 NW 阵列的制造工艺后，团队开发了 AuTiO 2- x NW 阵列（简称为“NW 阵列”）。在该文中报告了在诱导光感受器变性的小鼠和猴子中，视网膜下植入 AuTiO 2- x NW 阵列的性能，在离体视网膜中提供 77.5 μm 的空间分辨率和 3.92 Hz 的时间分辨率。在盲鼠实验中中，该阵列可以在 15.70–18.09 μW mm –2的光强度阈值下检测漂移光栅和闪烁物体，并提供每0.3–0.4度 周期的视敏度。在猴子实验中，该阵列稳定运行了长达 54 周，在视觉引导扫视实验中检测 到10 μW mm –2光束，通过长期体内钙成像显示出对诱导大脑主要视觉皮层的塑性变化。这种纳米材料作为人工光感受器可以改善光感受器退化患者的视觉缺陷，在视网膜假体治疗的实现之路上又前进了一步。 5.1 AuTiO2-x NW阵列的增强光电流 与之前发布的Au-TiO 2 NW 阵列相比，其UV、蓝光和绿光的光电流增强5-7 倍。盲鼠（这些小鼠在P50时光感受器已完全退化）实验中，在附着了NW阵列的盲视网膜中，观察到对光刺激有响应的视网膜神经节细胞（RGCs）占比高达97.12%。盲视网膜中的RGCs对UV、蓝光或绿光光刺激均产生反应。研究团队还进行了一系列的安全性评估实验，结果显示在特定光强和持续时间条件下，NW阵列对盲视网膜的刺激具有一定的安全性。通过测量光脉冲持续时间和强度对RGCs响应的影响，研究者推测出光刺激的阈值和作用机制，这对未来的实际应用具有重要的指导意义。 5.2 植入NW阵列的盲鼠的光源识别 结果显示，植入NW阵列的盲鼠能够正确地定位光源，但其正确率略低于正常小鼠。此外，研究人员还发现，植入NW阵列时间较长的盲鼠在定位LED光源方面的正确率更高。他们还进行了其他测试，如闪光光源检测和对静态物体的识别测试，发现植入NW阵列的盲鼠在这些测试中表现出一定的光感知和认知能力，尽管在某些情况下正确率略低于正常小鼠。这些结果表明，NW阵列植入的时间长短和持续时间对盲鼠的行为表现有一定的影响。

图：RGC对光刺激的离体反应以及体内光定位测试

5.3 植入NW阵列的盲鼠对闪烁光的感知 结果显示，随着闪烁频率的增加，NW阵列植入的盲鼠视网膜和正常视网膜中RGCs的反应分数和归一化值下降。在特定频率的闪烁光源测试中，发现盲鼠在特定频率下对闪烁光的正确率相对较高，尤其在高于5 Hz或低于1 Hz时，植入NW阵列的盲鼠的表现虽然略低于正常小鼠，但仍然显著高于未植入NW阵列的盲鼠。

图 ：RGC 对闪烁光的离体反应以及体内闪烁检测测试

5.4 植入NW阵列的盲鼠的空间分辨率

光栅刺激外体实验评估显示植入NW阵列的盲鼠和正常视网膜中RGCs的反应分数随着光栅宽度的增加而增加。通过视觉诱发电位（VEP）记录和钙成像在V1皮层进行分析，发现植入NW阵列的盲鼠显示出类似于正常小鼠的视觉锐度和感受野大小。在行为层面上的视觉反应测试表明，植入NW阵列的盲鼠对对比度和空间频率的视觉敏感度有所提高，但其视觉锐度为与正常小鼠相比仍存在一定差距。这些结果表明NW阵列植入对于盲鼠的视觉能力带来了改善，但其空间分辨率仍然略低于正常小鼠水平。

图 ：植入 NW 阵列的失明小鼠的空间分辨率和感知范围 5.5 植入NW阵列的盲鼠的运动感知 交替光栅刺激测试植入NW阵列的盲鼠视网膜中RGC的方向选择性，发现其中约21.05%的RGC表现出了取向选择性。在V1神经元中，28.47%-26.87%显示出方向选择性。基于盒式的方向辨别行为测试显示植入NW阵列的盲鼠能够辨别水平和垂直移动的光栅。移动光条行为测试中，植入NW阵列的盲鼠和正常小鼠在检测移动光条方面表现相似，正确率分别为76.92%和84.79%。以上表明，植入NW阵列的盲鼠在实验条件下展现出了对运动物体的感知能力，这对于视觉修复设备的研发具有重要意义。 图：方向选择性和体内方向辨别测试

5.6 植入 NW 阵列的盲鼠 V1 中的光诱发反应

研究者在植入了NW阵列的盲鼠的视皮层V1区进行长期双光子记录实验的结果，记录了植入后12周内V1中的光响应神经元，发现其中有4个神经元持续对光做出反应，其中2个神经元在植入后1个月开始对光做出反应并保持响应，表明响应能力持久。而另外两个在植入后1个月停止了对光的反应，显示出新产生的光敏性。84天内，V1中对光刺激产生反应的神经元比例为15.81%，高于植入前的9.25%。这些神经元在植入后的第5天和第7天显示出最高的反应比例。此外，对自然场景的响应显示出了一定的差异，表明对刺激条件具有不同的响应选择性。光响应神经元的比例在 NW 阵列植入后 1 周左右达到峰值。钙信号的平均振幅随着时间的推移逐渐增加，而光反应的潜伏期随着时间的推移而减少表明V1中的神经元在视觉刺激的可靠编码方面表现出改善。这些观察结果与之前的研究一致，表明视觉系统在失明后的关键时期之后可以保持相当大的可塑性。

图 ：植入 NW 阵列的失明小鼠 V1 神经元对光的长期反应

5.7 NW阵列表现出良好的生物相容性和稳定性

在盲鼠实验中，经过2周以上的植入，NW阵列与视网膜的界面良好，免疫染色和三维重建模型表明植入物与视网膜具有一致性。在猴子实验中，经光凝技术诱导局灶性光感受器变性的猴子A，OCT显示NW 阵列植入植入后8周内视网膜和NW阵列紧密接触，自发荧光图像中RPE细胞没有显著变化，无红眼底照相显示NW阵列植入后视网膜及周围组织未见血管异常。而在 NW 阵列植入之前没有进行光凝的猴子E，OCT结果显示植入后54周内视网膜和NW阵列紧密接触。（由于 COVID-19 大流行造成的实验室访问限制，无法使用同一仪器收集彩色眼底摄影和 OCT 数据）。以上表明 NW 阵列在视网膜下空间中稳定，并且在猴子中表现出良好的生物相容性。

图 ：植入 NW 阵列的猴子 A 和 E 的眼科特征

5.8 植入NW阵列的猴子的光诱发眼球运动

采用了单眼垂直目标性的眼球运动（VGS）测试，使用不同波长的光刺激来评估NW阵列植入区域的光敏感性。实验中使用红光LED作为对照光源，因为NW阵列对紫外、蓝光和绿光有光电流产生，但对红光无反应。实验结果显示，在两只猴子中，使用红光刺激NW阵列植入区域后，猴子的命中率逐渐降低，暗示着感光细胞的退化。红光刺激下的命中率分别下降到12%和22.03%，而在使用紫外光和蓝光刺激时，命中率分别为72.5%和74%。这意味着在NW阵列植入区域，猴子对紫外和蓝光刺激表现出了明显的眼球运动反应，而对红光刺激未显示出显著反应。

图 ：植入 NW 阵列的猴子 A 和 E 的 VGS 行为。

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结语

以终为始，与其他新兴的替代疗法比如基因治疗、干细胞疗法、光遗传学等解决方案相比，视网膜假体在恢复晚期RP或AMD导致的光感受器变性引起的失明具有优势。期待复旦大学研究团队开发的这款新型纳米材料视网膜假体有更新一步的进展，以早日惠及患者。

本文完。

参考：

1. Yang, R., Zhao, P., Wang, L. et al. Assessment of visual function in blind mice and monkeys with subretinally implanted nanowire arrays as artificial photoreceptors. Nat. Biomed. Eng (2023). https://doi.org/10.1038/s41551-023-01137-8；

2. Tang, J., Qin, N., Chong, Y. et al. Nanowire arrays restore vision in blind mice. Nat Commun 9, 786 (2018). https://doi.org/10.1038/s41467-018-03212-0。

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