5 июня
Наука: Искусственный глаз - на подходе?
Александр Гончаров
Миллионы людей во всем мире страдают от различных заболеваний органов зрения. Научиться бороться с этими заболеваниями, исправить дефекты зрения - эти задачи требуют усилий не только врачей, но и физиков, и химиков, и технологов. Современное развитие высоких технологий дает надежду на исцеление многим из тех, кто сегодня не в состоянии воспринимать мир во всех его красках.
Глаз - один из самых сложно устроенных органов человека. Напомним кратко его строение. Оптическая система глаза образуют выпуклая роговая оболочка, служащая внешним слоем, зрачок, играющий роль диафрагмы, хрусталик и прозрачное стекловидное тело, заполняющее глазную камеру. Эта оптическая система дает изображение рассматриваемых предметов на внутренней поверхности глазной камеры, которую выстилает сетчатка. Сетчатка представляет собой сложную структуру, состоящую из нескольких слоев нервных клеток разного типа и разного назначения и играет роль приемника излучения. Непосредственно светочувствительными являются так называемые рецепторные клетки - колбочки и палочки, заложенные в последнем слое сетчатки. Именно в палочках и колбочках свет вызывает первичное раздражение, которое превращается в электрические импульсы, передающиеся в конечном итоге в кору головного мозга. В прошлом веке офтальмологи добились впечатляющих успехов, научившись пересаживать отдельные фрагменты глаза пациентам (либо от умерших людей, либо имплантируя искусственные материалы). Очень большое влияние на развитие офтальмологии оказали появившиеся 40 лет назад лазеры, а также создание новых синтетических полимерных материалов. В частности, лазеры используют для проведения различных разрезов и сшивания кровеносных сосудов. Другая распространенная операция - замена хрусталика, почти полностью утратившего прозрачность в результате развития катаракты, на искусственный полимерный протез, Существуют также материалы, заменяющие роговицу и стекловидное тело. Тем не менее, многие проблемы остаются до сих пор нерешенными. Здесь мы расскажем о самых последних достижениях и идеях, которые могут оказать неоценимую пользу в возвращении зрения тысячам людей.
Американские исследователи из штата Виргиния разрабатывают уникальный способ лечения поврежденной или отслоившейся сетчатки. При отслоении сетчатки разрывается связь между приемником излучения и нервными клетками, что в результате может привести к полной слепоте. Сейчас, чтобы вернуть сетчатку на место, используют силиконовую жидкость. Исследователи из университета штата Виргиния во главе с доктором Джуди Райфл (Judy Riffle) приступили к испытаниям на животных нового варианта терапии с силиконовой жидкостью, куда введены частицы ферромагнитных материалов. Получаемая таким способом жидкость с магнитными свойствами позволяет регулировать процесс приживления отслоившейся сетчатки, сделать его более точным, поскольку теперь появилась возможность направить жидкость в нужный участок глазного дна. Разработка магнитной жидкости заняла почти десять лет. Основу ее составляет полидиметилсилоксан, в котором находятся во взвешенном состоянии мельчайшие (масштаба нескольких нанометров) частицы металлического кобальта или магнетита (оксида железа). Под действием внешнего магнитного поля жидкость можно перемещать в нужном направлении. Ученым удалось добиться очень многого - созданы наночастицы контролируемого размера, сама жидкость является биосовместимой, получены первые положительные результаты, однако широкое применение магнитных жидкостей в офтальмологии может начаться лишь после дополнительного клинического испытания с участием реальных пациентов.
Еще одна группа американских исследователей, из штата Нью-Мексико, работает над другой проблемой - созданием искусственного мускула, сжимающего глазное яблоко и тем самым меняющего кривизну внешней поверхности глаза. Мускул пришивается к склере, белочной оболочке глаза, находящейся непосредственно за прозрачной роговицей. Сокращение искусственного мускула управляется внешним устройством размером со стандартный слуховой аппарат. Сокращение приводит к удлинению глазного яблока, сетчатка тем самым отодвигается, и лучи, ранее фокусировавшиеся за ней (случай дальнозоркости), теперь будут попадать точно на сетчатку. Расслабление мускула приводит к обратному эффекту. Насколько сложно осуществить присоединение мускула к склере? Доктор Мохсен Шахинпур (Mohsen Shahinpoor), руководитель разработки, говорит, что это процедура уже вполне реальна - аналогичные операции используют при лечении отслоившейся сетчатки. Шахинпур утверждает также, что метод коррекции дальнозоркости с использованием искусственных глазных мускулов будет более гибким и имеет более широкие возможности, чем например, метод лазерной хирургии, где лазер применяют для нанесения разрезов на поверхности роговицы, в результате чего она меняет свою кривизну в меньшую сторону (этот метод пригоден только для лечения близорукости). Как будет работать искусственный мускул? Человек, у которого сильно развита дальнозоркость (а это случается почти у всех пожилых людей), будет включать небольшой аппарат, размещаемый за ухом, при этом генерируется магнитное поле, воздействующее на искусственный глазной мускул и приводящее к его сокращению. Если нет необходимости читать или делать работу, требующую фокусировки зрения на близких расстояниях, аппарат выключается.
Самая интересная разработка, по-видимому, делается сейчас в космическом центре вакуумной эпитаксии в Хьюстоне. Руководит ей доктор Александр Игнатьев, профессор университета штата Хьюстон. Название центра, на первый взгляд, не имеет никакого отношения к офтальмологии, тем не менее, исследования в этом центре могут привести к созданию искусственной сетчатки. Ученые в Хьюстоне экспериментируют с тонкими светочувствительными керамическими пленками. Светочувствительная керамика предназначена для замены поврежденных палочек и колбочек, которые, напомним, являются фоторецепторами, обеспечивающими к тому же возможность цветоразличения. Ранее ученые пытались имплантировать фотодетекторы на основе кремния, но они сильно токсичны и биологически несовместимы с тканями и жидкостями внутри глаза. В то же время, испытания керамических фотодетекторов показали их полную безвредность. При создании керамических фотодетекторов используется процесс вакуумной эпитаксии - послойное осаждение из вакуума отдельных атомов с образованием пленок с высокой степенью упорядоченности. Полученные таким способом керамические пленки имеют наилучшие оптические характеристики.
Ученые по существу использовали тот же процесс, который применяется при создании компьютерных микросхем. В результате были получены детекторы, состоящие из нескольких слоев керамических пленок, причем каждый детектор имеет размер в 5 микрон (что точно соответствует размеру колбочки), а вся искусственная сетчатка содержит около 100 тыс. таких детекторов. Для введения всей сборки в глаз ее прикрепляют к полимерному носителю размеров 1 х 1 мм. Приблизительно через две недели полимерный носитель полностью растворяется в глазу. Первая имплантация в глаз такой биоконструкции запланирована на этот год, и ученые надеются на успех своей разработки, хотя до сих пор остается невыясненным, как мозг воспримет электрические сигналы искусственных палочек и колбочек, поскольку пока не ясны величины возникающих на них электрических потенциалов. Возможно, мозгу придется приспособиться и заново научиться интерпретировать сигналы от такого протеза сетчатки. У исследователей, конечно, остается и множество других нерешенных вопросов, среди которых самые главные - проблемы точности воспроизведения оптического изображения при помощи новой биоконструкции и долговечность протеза сетчатки. Ответить на них можно только после проведения клинических испытаний.