Retina artificiale: possibilità e sviluppi futuri

Stanislao RizzoStanislao Rizzo, Laurea in Medicina e Chirurgia nel 1981 e nel 1986 si specializza in Oftalmologia presso l’Università degli Studi di Firenze. È Direttore del Reparto di Oculistica, Azienda Ospedaliero-Universitaria Careggi, Firenze. È conosciuto per la terapia dei disturbi vitreoretinici e l’impianto di protesi retiniche in caso di perdita visiva nelle malattie ereditarie della retina

Laura Cinelli, Medico Oculista della SOD di Oculistica dell’Azienda Ospedaliero-Universitaria Careggi e Dottorando in Ricerca presso l’Università degli Studi di Firenze

La retina umana è quanto di più complesso e sofisticato noi abbiamo nel nostro organismo. Permette di trasformare stimoli visivi in segnali elettrici che attraverso il nervo ottico arrivano alla corteccia cerebrale. Vi sono alcune malattie ereditarie retiniche in cui i fotorecettori, cellule responsabili del meccanismo della visione, sono completamente distrutti. Negli ultimi anni sistemi di protesi elettroniche sostituiscono i fotorecettori assenti permettendo a pazienti non vedenti il recupero di una utile anche se rudimentale visione.

 

Parole chiave: malattie ereditarie retiniche, retina artificiale

La visione è una elaborazione complessa di informazioni eseguita da un potentissimo neuro-processore: la retina umana.
Le informazioni visive dalla retina (circa 130 milioni di fotorecettori) sono compresse 100 volte e trasformate in segnali elettrici da circa 1,2 milioni di neuroni, le cellule ganglionari, i cui assoni formano il nervo ottico.
La cecità può risultare da una disfunzione a qualsiasi livello del percorso visivo: dai mezzi diottrici (cornea, cristallino, vitreo) attraverso la retina al nervo ottico fino alla corteccia visiva.
La retinite pigmentosa (RP) è un gruppo di degenerazioni retiniche ereditarie che porta progressivamente alla cecità a causa della progressiva perdita dei fotorecettori. È tra le degenerazioni visive più frequenti, affliggendo approssimativamente 15 milioni di persone in tutto il mondo di cui 100.000 negli Stati Uniti e 30.000 solo in Italia.
Nei pazienti affetti da retinite pigmentosa, la primaria e progressiva degenerazione dei fotorecettori periferici (bastoncelli) causa in una prima fase una riduzione del campo visivo periferico, mentre l’acuità visiva centrale (garantita dalla componente fotorecettoriale dei coni) viene mantenuta per qualche tempo. Alla fine tuttavia anche i coni possono degenerare, causando una completa cecità dei pazienti affetti da tale patologia.
Diversi sono gli approcci in fase di studio per restituire la vista a pazienti rimasti ciechi a causa di patologie degenerative degli strati retinici profondi: tra gli altri, la terapia con cellule staminali e la terapia genica.
Mentre la terapia genica e l’applicazione di fattori neuroprotettivi possono aiutare a mantenere la visione negli stadi iniziali di degenerazione, la sopravvivenza delle cellule nervose della retina interna (come le cellule bipolari, orizzontali, amacrine e ganglionari) che si ha anche in stadi avanzati di queste patologie ha incoraggiato i ricercatori a tentare un parziale ripristino della visione utilizzando la stimolazione elettrica della rimanente rete interna della retina.

Fig1 rizzo
A questo scopo sono state analizzate e studiate differenti protesi visive tra cui impianti corticali, del nervo ottico, epiretinici e sottoretinici.
Sebbene molti approcci siano promettenti, a oggi le protesi retiniche sono l’unica terapia ad aver ottenuto l’autorizzazione di utilizzo negli Stati Uniti d’America e in Europa.
Due sono i fondamentali approcci per gli impianti di protesi retinica che vengono attualmente studiati: quello epiretinico e quello sottoretinico.
Il primo (epiretinico) prevede il posizionamento di una matrice di elettrodi al di sopra della regione maculare della retina, in comunicazione diretta con le cellule ganglionari che formano il percorso di uscita della retina. Questo tipo di approccio richiede un’ulteriore apparecchiatura extraoculare come una microcamera esterna che possa elaborare l’immagine così da aggirare l’elaborazione delle immagini da parte della retina stessa.
Il secondo (sottoretinico) è invece posizionato al di sotto della regione maculare della retina, al posto dello strato dei fotorecettori degenerato, e mira a rimpiazzare direttamente la funzione dello strato dei fotorecettori degenerato traducendo, attraverso una matrice di microfotodiodi, la luce dell’immagine che cade sulla retina punto per punto in piccole correnti che sono proporzionali allo stimolo luminoso

Fig2 rizzo

Sistema di protesi visiva Argus II
La nostra esperienza si basa sull’utilizzo del sistema di protesi retinica Argus II.
Questo è la seconda generazione di dispositivi impiantabili di Second Sight (Sylmar, California, USA), progettato per trattare le persone non vedenti che soffrono di disturbi degenerativi della retina come la retinite pigmentosa (Figure 1, 2).
Il suo scopo è quello di fornire una percezione visiva inducendo una stimolazione elettrica della parte di retina neuronale residua, bypassando lo strato dei fotorecettori danneggiato.
Il sistema funziona convertendo immagini (informazioni luminose) video-catturate da una microcamera alloggiata negli occhiali del paziente, in una serie di piccoli impulsi elettrici che vengono prima elaborati e trasformati in impulsi elettrici da un videoprocessore (VPU) esterno (indossato dal paziente e collegato tramite un cavo all’occhiale) e poi trasmessi via wireless a un cuore di 60 elettrodi (microchip) appoggiato e fissato in regione maculare, sulla superficie della retina (epiretinale). Questi impulsi hanno lo scopo di stimolare le cellule residue della retina (bipolari e ganglionari) provocando la corrispondente percezione di pattern di luce da parte del cervello (area visiva primaria e associative). Il cervello può quindi percepire spot di luce e ombra corrispondenti agli elettrodi stimolati (Figura 3).

Fig3 rizzo


Benché la visione ripristinata artificialmente non sia normale, i pazienti imparano, grazie a una specifica riabilitazione ortottica, a interpretare le forme prodotte come immagini significative guadagnando così una certa visione funzionale.
Nelle persone che vedono normalmente i fotorecettori convertono la luce in segnali elettrici inviati al resto della retina, mentre nei pazienti con retinite pigmentosa in cui i fotorecettori sono distrutti la retina artificiale fornisce direttamente i segnali elettrici, basati su quello che la telecamera sta vedendo.
Il maggior vantaggio della protesi epiretinica è che l’approccio chirurgico è molto sicuro. Inoltre dal momento che i video-segnali vengono catturati da una telecamera, noi possiamo elaborare le immagini per migliorare il risultato visivo. Per esempio è possibile effettuare inversioni di sfondo (bianco/nero), rilevamento dei margini, miglioramento del contrasto e molti altri complessi algoritmi grazie alla presenza di specifici filtri regolabili dal paziente.
Nel 2002 Second Sight ha lanciato un trial sulle protesi di prima generazione, Argus I. Questo sistema era stato impiantato in 6 pazienti fra il 2002 e il 2004. La protesi consentiva ai pazienti di capire quando la luce era accesa o spenta, discriminare gli oggetti in movimento e localizzare gli oggetti principali nell’ambiente. Cinque o sei pazienti erano riusciti a usare la protesi a casa propria.
Nel 2006 Second Sight ha iniziato lo studio su Argus II, la protesi di seconda generazione con 60 elettrodi. Sono stati arruolati 32 pazienti in 5 Paesi (14 negli USA e il resto fra Messico, Francia, Svizzera e Gran Bretagna). È l’unico studio su una protesi impiantata cronicamente attiva, che viene usata di routine anche fuori dall’ospedale, cioè a casa o sul posto di lavoro. Tutti gli altri studi riguardavano un uso occasionale e di breve durata.
I risultati ad interim hanno dimostrato un significativo miglioramento nell’orientamento e nella mobilità nello spazio dei pazienti arruolati. Le persone erano frequentemente in grado di localizzare una porta a 10 metri ed erano in grado di camminare fino alla fine di una linea di 10 metri tracciata sul pavimento. I dati più recenti indicano che con l’aiuto della protesi Argus II la maggior parte dei pazienti è in grado di identificare lettere grandi e talvolta di leggere intere parole.
Forse la cosa più importante è che la protesi ha un impatto sulla vita dei pazienti che non era immaginabile prima dello studio e che è difficile da quantificare. Ci sono stati pazienti che hanno potuto guardare le luci di Natale e la sagoma dei loro figli fare sport. Qualche paziente usa la protesi per camminare nel parco, trovare la fermata dell’autobus ed evitare di scontrarsi con persone e oggetti.
Nel settembre 2011 l’UO Chirurgia Oftalmica dell’Azienda Ospedaliero-Universitaria Pisana, diretta dal dottor Stanislao Rizzo, è stata riconosciuta come unico centro in Italia idoneo a impiantare la protesi epiretinica sia per i personali rapporti intercorrenti fra il dottor Stanislao Rizzo e lo sperimentatore americano Mark S Humayun (professore di Biomedical Engineering and Cell and Neurobiology e Associate Director of Research al Doheny Retina Institute, USC, Los Angeles), inventore dell’impianto, sia per l’elevato numero e standard qualitativo degli interventi di vitreoretina eseguiti. Durante i 4 anni di esperienza pisana in ambito di protesi, il dottor Rizzo ha impiantato 13 pazienti.
Nel novembre 2014 il professor Stanislao Rizzo ha proseguito il progetto di protesi retinica Argus II presso la SOD di Oculistica dell’Azienda Ospedaliero-Universitaria Careggi di cui è diventato direttore, ottenendo un finanziamento dalla Regione Toscana per l’impianto di 12 protesi/anno per 3 anni. Attualmente le protesi impiantate in questo centro ammontano a un numero di 27.
Attualmente il numero totale d’impianti effettuato in Italia dal professor Rizzo è di 40 e rappresenta il primato mondiale effettuato da un unico chirurgo.

Nuove strategie di stimolazione nel sistema Argus II
I risultati della sperimentazione clinica hanno dimostrato che il sistema Argus II attualmente in commercio ha fornito un vantaggio probabile con un basso rischio per i pazienti.
A oggi però la visione fornita dal sistema non riesce a raggiungere livelli di discriminazione tali da consentire al paziente di riconoscere i dettagli degli oggetti o i lineamenti del volto di una persona cara. Attualmente infatti la matrice dell’impianto è dotata di soli 60 elettrodi che, quando stimolati elettricamente, producono un’immagine in bianco e nero composta da 60 quadrati (pixel) dove ogni quadrato corrisponde a un elettrodo della matrice che ha come risultato la visione, da parte del paziente utilizzatore di protesi Argus II, di una sagoma luminosa che nella pratica quotidiana si traduce nella visione di persone, oggetti oppure ostacoli in modo mal definito.
Al fine di migliorare la definizione dell’immagine negli utilizzatori di Argus II, i ricercatori di Second Sight, aiutati da studi già in essere sul direzionamento della corrente utilizzato negli impianti cocleari per migliorare la risoluzione spettrale dell’udito, hanno ipotizzato che la risoluzione spaziale del sistema Argus II possa essere migliorata senza modificare la matrice di 60 elettrodi presente (hardware) ma semplicemente modificando il firmware grazie all’utilizzo di nuove strategie di stimolazione.
Le due strategie di stimolazione attualmente sotto studio sono: la Current Steering e la Current Focusing.
La prima prevede la creazione di “elettrodi virtuali” con il solo direzionamento della corrente.
È stato notato che, stimolando due elettrodi contemporaneamente, si è in grado di creare elettrodi virtuali, percepibili dal paziente come fosfeni, che vanno ad aggiungersi numericamente ai 60 elettrodi fisici di cui è dotata la matrice Argus II e che il paziente già percepisce.
In questo modo, la risoluzione dell’immagine percepita migliorerebbe passando dai 60 pixel attuali a 209 pixel.
La seconda prevede di limitare (o “mettere a fuoco”) la distribuzione spaziale della corrente cambiando la forma dell’onda dello stimolo applicato agli elettrodi.
È stato notato che alcune forme d’onda degli impulsi (“impulsi asimmetrici”: si stimola un elettrodo con una certa corrente e i due vicini con una corrente opposta) attivano preferenzialmente i corpi delle cellule gangliari piuttosto che gli assoni sottostanti, creando in tal modo, si presume, più fosfeni puntiformi anziché cunei, striature o archi come talvolta riportato dagli utilizzatori di protesi retiniche. La limitazione spaziale della diffusione della corrente può consentire la creazione di percezioni potenzialmente meglio definite e più piccole. Può inoltre influenzare la persistenza del fosfene percepito dall’utilizzatore.
I risultati di questa ricerca forniranno un importante primo passo nella comprensione del potenziale di queste strategie di migliorare la risoluzione dell’immagine o la persistenza dei fosfeni.
Se i risultati di un simile lavoro di fattibilità saranno positivi, potrebbero emergere ulteriori attività di ricerca e lo sviluppo di una nuova generazione di firmware/software Argus II che consentirebbe di utilizzare le nuove tecniche di stimolazione al fine di migliorare la performance visiva degli utilizzatori del sistema Argus II apportando così un beneficio nella vita quotidiana dei pazienti.
Nel frattempo i ricercatori di Second Sight hanno iniziato un nuovo programma di ricerca, sviluppando un impianto corticale (Orion) che vada a stimolare direttamente le aree visive della corteccia occipitale, al fine di ridare vista a pazienti non vedenti per altre cause al di fuori delle degenerazioni retiniche, come ad esempio alterazioni gravi dell’occhio e del nervo ottico.
La sperimentazione è stata già eseguita con successo sull’animale e la FDA (Food and Drug Administration americana) ha dato l’approvazione per cominciare il trial sull’uomo a novembre 2017. Il primo paziente è stato impiantato a febbraio 2018.

Questo indirizzo email è protetto dagli spambots. È necessario abilitare JavaScript per vederlo.

Il nostro sito utilizza i cookies per offrirti un servizio migliore.

Se vuoi saperne di più o avere istruzioni dettagliate su come disabilitare l'uso dei cookies puoi leggere l'informativa estesa

Cliccando in un punto qualsiasi dello schermo, effettuando un’azione di scroll o cliccando su Accetto, presti il consenso all’uso di tutti i cookies.