Neuer Chip stellt die Lesefähigkeit von Patienten mit Makuladegeneration wieder her

Ein winziger drahtloser Chip, der in den hinteren Teil des Auges implantiert wird, und eine High-Tech-Brille haben das Sehvermögen von Menschen mit einer fortgeschrittenen Form der altersbedingten Makuladegeneration teilweise wiederhergestellt. In einer klinischen Studie unter der Leitung von Forschern der Stanford Medicine und internationalen Kooperationspartnern konnten 27 von 32 Teilnehmern ein Jahr nach Erhalt des Geräts wieder lesen.

Mit den durch das Gerät ermöglichten digitalen Verbesserungen wie Zoom und höherem Kontrast konnten einige Teilnehmer mit einer Sehschärfe lesen, die einer Sehschärfe von 20/42 entsprach.

Die Ergebnisse der Studie werden am 20. Oktober im veröffentlicht New England Journal of Medicine.

Das bei Stanford Medicine entwickelte Gerät mit dem Namen PRIMA ist die erste Augenprothese, die Patienten mit unheilbarem Sehverlust das funktionelle Sehvermögen wiederherstellt und ihnen die Fähigkeit verleiht, Formen und Muster wahrzunehmen – auch Formsehen genannt.

„Alle früheren Versuche, Sehvermögen mit Prothesen zu ermöglichen, führten im Grunde genommen zu einer Lichtempfindlichkeit und nicht zu einer wirklichen Sehschwäche“, sagte Daniel Palanker, PhD, Professor für Augenheilkunde und Co-Senior-Autor der Studie. „Wir sind die Ersten, die Formvision bieten.“

Der andere leitende Autor ist José-Alain Sahel, MD, Professor für Augenheilkunde an der University of Pittsburgh School of Medicine. Der Hauptautor ist Dr. Frank Holz, Professor für Augenheilkunde an der Universität Bonn in Deutschland.

Das zweiteilige Gerät besteht aus einer kleinen Kamera, die auf einer Brille montiert ist, Bilder aufnimmt und diese in Echtzeit per Infrarotlicht auf einen drahtlosen Chip im Auge projiziert. Der Chip wandelt die Bilder in elektrische Stimulation um und ersetzt so effektiv natürliche Fotorezeptoren, die durch Krankheiten geschädigt wurden.

PRIMA ist der Höhepunkt jahrzehntelanger Entwicklung, Prototypen, Tierversuchen und eines kleinen ersten Versuchs am Menschen.

Palanker stellte sich ein solches Gerät zum ersten Mal vor 20 Jahren vor, als er mit Augenlasern zur Behandlung von Augenerkrankungen arbeitete. „Mir wurde klar, dass wir die Tatsache, dass das Auge transparent ist, nutzen und Informationen durch Licht liefern sollten“, sagte er.

Das Gerät, das wir uns 2005 vorgestellt haben, funktioniert jetzt bei Patienten bemerkenswert gut.“

Daniel Palanker, PhD, Professor, Augenheilkunde, Stanford Medicine

Ersetzen verlorener Fotorezeptoren

Die Teilnehmer der neuen Studie litten an einer fortgeschrittenen Form der altersbedingten Makuladegeneration, der sogenannten geografischen Atrophie, die das zentrale Sehvermögen allmählich beeinträchtigt. Weltweit sind über 5 Millionen Menschen von dieser Erkrankung betroffen und sie ist die häufigste Ursache für irreversible Erblindung bei älteren Menschen.

Die Makuladegeneration zerstört lichtempfindliche Photorezeptoren in der Mitte der Netzhaut, dem dünnen Nervengewebe im hinteren Teil des Auges, das Licht in elektrische Signale umwandelt, die dann zum Gehirn weitergeleitet werden. Die meisten Patienten behalten jedoch einige Photorezeptorzellen, die das periphere Sehen ermöglichen, sowie die Netzhautneuronen, die Informationen von Photorezeptoren weiterleiten.

Das neue Gerät macht sich das zunutze, was erhalten bleibt.

Der 2 x 2 Millimeter große Chip, der Bilder empfängt, wird in den Teil der Netzhaut implantiert, in dem Fotorezeptoren verloren gegangen sind. Der Chip reagiert empfindlich auf Infrarotlicht, das von der Brille projiziert wird, im Gegensatz zu echten Fotorezeptoren, die nur auf sichtbares Licht reagieren.

„Die Projektion erfolgt per Infrarot, weil wir sicherstellen wollen, dass sie für die verbleibenden Fotorezeptoren außerhalb des Implantats unsichtbar ist“, sagte Palanker.

Das Design bedeutet, dass Patienten ihr natürliches peripheres Sehvermögen zusammen mit dem prothetischen zentralen Sehvermögen nutzen können, was bei der Orientierung und Navigation hilft.

„Die Tatsache, dass sie gleichzeitig prothetisches und peripheres Sehen sehen, ist wichtig, weil sie das Sehvermögen verschmelzen und in vollem Umfang nutzen können“, sagte Palanker.

Da der Chip photovoltaisch ist, also nur Licht benötigt, um elektrischen Strom zu erzeugen, kann er drahtlos arbeiten und unter der Netzhaut implantiert werden. Bisherige Augenprothesen erforderten eine externe Stromquelle und ein aus dem Auge verlaufendes Kabel.

Noch einmal lesen

Die neue Studie umfasste 38 Patienten über 60, die aufgrund einer altersbedingten Makuladegeneration eine geografische Atrophie hatten und auf mindestens einem Auge eine Sehschwäche von mehr als 20/320 hatten.

Vier bis fünf Wochen nach der Implantation des Chips in ein Auge begannen die Patienten, die Brille zu tragen. Obwohl einige Patienten Muster sofort erkennen konnten, verbesserte sich die Sehschärfe aller Patienten im Laufe der Monate des Trainings.

„Es kann mehrere Monate dauern, bis man Spitzenleistungen erbringt – das ist vergleichbar mit dem, was Cochlea-Implantate erfordern, um das prothetische Hören zu meistern“, sagte Palanker.

Von den 32 Patienten, die die einjährige Studie abschlossen, konnten 27 lesen und 26 zeigten eine klinisch bedeutsame Verbesserung der Sehschärfe, die als die Fähigkeit definiert wurde, mindestens zwei zusätzliche Zeilen auf einer Standard-Sehtafel zu lesen. Im Durchschnitt verbesserte sich die Sehschärfe der Teilnehmer um 5 Zeilen; eine um 12 Zeilen verbessert.

Die Teilnehmer nutzten die Prothese im Alltag zum Lesen von Büchern, Lebensmitteletiketten und U-Bahn-Schildern. Mit der Brille konnten Kontrast und Helligkeit angepasst und bis zu 12-fach vergrößert werden. Zwei Drittel berichteten von einer mittleren bis hohen Benutzerzufriedenheit mit dem Gerät.

Bei neunzehn Teilnehmern traten Nebenwirkungen auf, darunter Augenhypertonie (hoher Druck im Auge), Tränen in der peripheren Netzhaut und subretinale Blutungen (Blut, das sich unter der Netzhaut ansammelt). Keiner war lebensbedrohlich und fast alle verschwanden innerhalb von zwei Monaten.

Zukunftsvisionen

Derzeit bietet das PRIMA-Gerät nur Schwarz-Weiß-Sicht ohne dazwischen liegende Schattierungen. Palanker entwickelt jedoch eine Software, die bald den gesamten Graustufenbereich ermöglichen wird.

„Die Nummer eins auf der Wunschliste der Patienten ist das Lesen, aber Nummer zwei, ganz dicht dahinter, ist die Gesichtserkennung“, sagte er. „Und Gesichtserkennung erfordert Graustufen.“

Er entwickelt auch Chips, die eine höhere Auflösung ermöglichen. Die Auflösung wird durch die Pixelgröße auf dem Chip begrenzt. Derzeit sind die Pixel 100 Mikrometer breit, wobei sich auf jedem Chip 378 Pixel befinden. Die neue Version, die bereits an Ratten getestet wurde, könnte Pixel mit einer Breite von bis zu 20 Mikrometern haben, wobei sich auf jedem Chip 10.000 Pixel befinden.

Palanker möchte das Gerät auch auf andere Arten von Blindheit testen, die durch verlorene Fotorezeptoren verursacht werden.

„Dies ist die erste Version des Chips und die Auflösung ist relativ niedrig“, sagte er. „Die nächste Generation des Chips mit kleineren Pixeln wird eine bessere Auflösung haben und mit schlanker aussehenden Brillen kombiniert werden.“

Ein Chip mit 20-Mikrometer-Pixeln könnte einem Patienten eine 20/80-Sicht ermöglichen, sagte Palanker. „Aber mit elektronischem Zoom könnten sie annähernd 20/20 erreichen.“

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