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近期,團(tuán)隊(duì)計(jì)劃完成7例病人的臨床實(shí)驗(yàn),獲得更加令人信服的結(jié)果。但目前,臨床實(shí)驗(yàn)結(jié)果距離完全恢復(fù)復(fù)雜視覺仍有較大空間,團(tuán)隊(duì)將持續(xù)研發(fā),實(shí)現(xiàn)技術(shù)和材料的迭代,逐步縮小與正常視覺功能的差距。
“如何使視網(wǎng)膜恢復(fù)視覺功能,是一個(gè)明確而迫切的研究方向?!痹趶?fù)旦大學(xué)腦科學(xué)研究院研究員、腦功能與腦疾病全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任張嘉漪看來,把研究焦點(diǎn)放在視覺通路的最前端,關(guān)注感覺信息的初始轉(zhuǎn)化與重建,在需求度和可行性上都更為樂觀。
視覺是人類最重要的感覺,約占人類接收信息總量的80%。不幸的是,全世界視覺損傷的人口大約有1.6億,在中國,有500萬人喪失視覺,完全生活在黑暗之中。其中,光感受器退化是一個(gè)非常重要的致盲原因。
該研究受到國家自然科學(xué)基金委、科技創(chuàng)新2030“腦科學(xué)與類腦研究”重大項(xiàng)目、上海市基礎(chǔ)研究特區(qū)和上海市重大專項(xiàng)等基金的支持,楊入祎、趙鵬、王歷陽、馮琛莉、彭陳為論文的共同第一作者,張嘉漪、顏彪、袁源智、姜春暉為該論文的通訊作者。
“有一對印度夫婦,女兒也是視網(wǎng)膜色素變性的患者。他們專程來中國,到我們的實(shí)驗(yàn)室來和我們交流,想要了解能夠幫助他們的女兒恢復(fù)視覺的一切可能?!睆埣武艋貞浀?。
實(shí)際上,為了讓失明者重見光明,科學(xué)家們已進(jìn)行長期探索。起初,研究人員試圖將特制電線穿過眼球,通過外部供電刺激視網(wǎng)膜細(xì)胞的方式來恢復(fù)視覺。顯然,這種方式存在創(chuàng)傷較大、患者生活便利度低的弊端,可以實(shí)現(xiàn)的視覺時(shí)空分辨率也很低。
為確保從動(dòng)物實(shí)驗(yàn)到人體應(yīng)用的安全性與穩(wěn)定性,團(tuán)隊(duì)向倫理委員會(huì)提交了詳實(shí)的前期研究數(shù)據(jù),其中包括在7只獼猴眼內(nèi)植入人工光感受器超過一年的觀察記錄。這些猴眼實(shí)驗(yàn)表明,植入物位置穩(wěn)定,未引發(fā)任何不良反應(yīng),為研究提供了人體臨床前的證據(jù)支持。
為模擬并評估材料的長期性能,團(tuán)隊(duì)還實(shí)施了加速老化實(shí)驗(yàn)。在高溫、高壓、高濕度及高強(qiáng)度光照等極端環(huán)境條件下,材料的穩(wěn)定性和耐用性均達(dá)到臨床應(yīng)用的要求。
如何制作出滿足需求的感光材料?一次學(xué)術(shù)會(huì)議的契機(jī),讓張嘉漪與先進(jìn)材料實(shí)驗(yàn)室教授鄭耿鋒結(jié)識并萌生了合作想法。雙方一拍即合——先進(jìn)材料實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)材料研發(fā),腦科學(xué)研究院團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)生物實(shí)驗(yàn),共同努力讓研究成果走向臨床應(yīng)用。
通過聯(lián)系患者社群、舉辦科普講座、發(fā)布招募公告等方式,團(tuán)隊(duì)尋找并篩選到了合適的受試者。2023年5月,在復(fù)旦大學(xué)附屬眼耳鼻喉科醫(yī)院,姜春暉率先在一名光感受器變性患者身上實(shí)施了納米線人工光感受器植入手術(shù)。
多發(fā)于青少年的遺傳性光感受器退化,叫視網(wǎng)膜色素變性?;颊叽_診后,視力往往會(huì)在十幾年間逐漸衰弱直至失明;而多發(fā)于老年人的退行性光感受器退化,叫黃斑變性。黃斑是視網(wǎng)膜中光感受器密度最高的區(qū)域,當(dāng)它退化后,人就會(huì)逐漸看不清東西。
“你可以把它看作是一個(gè)小型的太陽能電池,它能在光線照射下直接將光能轉(zhuǎn)換為電能,從而激活視網(wǎng)膜神經(jīng)細(xì)胞,并通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)將視覺信息傳遞至大腦,幫助恢復(fù)患者的視覺功能?!眻F(tuán)隊(duì)成員、腦科學(xué)研究院副研究員顏彪介紹。
有沒有一種辦法,讓失明者既恢復(fù)視覺,又盡可能像正常人一樣生活?張嘉漪團(tuán)隊(duì)致力于研發(fā)新一代的人工光感受器,具體而言就是制作一種通過太陽能自主發(fā)電的人工感光材料,將其植入眼底。
不同于第一代視覺恢復(fù)技術(shù),新一代人工光感受器是一種無源醫(yī)療器械,無需任何供電設(shè)備,只要有光就能自動(dòng)運(yùn)行。在無光環(huán)境中,使用者可借助外部發(fā)光設(shè)備“看見”外界,比如佩戴VR眼鏡等。其內(nèi)置的攝像頭可捕捉周圍景象,實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換并在用戶眼前的微型屏幕上展示,圖像光線直接投射至眼部的接收芯片上。
如今,研究進(jìn)展已證實(shí)兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn):其一,該裝置在人體內(nèi)的安全性得到充分驗(yàn)證;其二,它能顯著促進(jìn)光感的恢復(fù),并在一定程度上實(shí)現(xiàn)視覺功能的恢復(fù)。
研制過程中,團(tuán)隊(duì)遇到的關(guān)鍵難題,在于光電材料的低效轉(zhuǎn)換率。初期,盡管光線刺激已相當(dāng)強(qiáng)烈,但材料只能產(chǎn)生微弱電流,遠(yuǎn)不足以激活目標(biāo)細(xì)胞。歷經(jīng)約兩年的不懈努力,團(tuán)隊(duì)不斷優(yōu)化材料工藝與結(jié)構(gòu),終于成功將光電轉(zhuǎn)換效率提升了8至10倍。
“我們的研究仍處于早期階段,僅僅是漫漫征途的起點(diǎn)?!痹趶埣武艨磥恚獙⑦@項(xiàng)技術(shù)發(fā)展成為標(biāo)準(zhǔn)化醫(yī)療器械,用來廣泛治療視障患者,無疑還有相當(dāng)長的路要走。
人眼每秒鐘能接收10億比特信息,為人工視覺修復(fù)研究的交叉合作帶來了無限可能。張嘉漪認(rèn)為,未來還需深入理解視網(wǎng)膜與視覺系統(tǒng)的處理機(jī)制,尤其是在病變狀態(tài)下的運(yùn)作,從而精準(zhǔn)定位科學(xué)問題;同時(shí)推動(dòng)與光電轉(zhuǎn)換、成像技術(shù)、信息科學(xué)、微電子、人工智能算法等領(lǐng)域的交叉融合,探索智能化感光元件的臨床應(yīng)用。
开云中国官网登录入口為了幫助他重見光明,復(fù)旦大學(xué)腦科學(xué)研究院研究員張嘉漪聯(lián)合附屬眼耳鼻喉科醫(yī)院姜春暉教授、附屬中山醫(yī)院袁源智教授、先進(jìn)材料實(shí)驗(yàn)室鄭耿鋒教授,在國際上首次基于納米材料成功開發(fā)新一代人工光感受器,能夠有效修復(fù)人體視覺功能。相關(guān)成果發(fā)表于《自然·生物醫(yī)學(xué)工程》,獲批發(fā)明專利2項(xiàng),日前入選2023年度復(fù)旦大學(xué)“十大科技進(jìn)展”。
這名受試者患有原發(fā)性視網(wǎng)膜色素變性,隨著年齡增長,視力逐漸減退,在55至57歲期間完全失去視力。而當(dāng)團(tuán)隊(duì)回訪時(shí),患者不僅能說出自己在地上看到的東西,還能沿著地面白色導(dǎo)引線索完成行走任務(wù),并正確說出地面光導(dǎo)引的數(shù)量。
與復(fù)旦大學(xué)附屬眼耳鼻喉科醫(yī)院姜春暉主任的合作則為項(xiàng)目注入另一維度的動(dòng)力。姜春暉直接面對病人,深刻理解失明者的醫(yī)療需求,不僅為材料研制提供關(guān)鍵建議,也樂于探索疑難疾病的全新療法,將前沿成果應(yīng)用于診療一線。
“我們團(tuán)隊(duì)的核心成員,就是由這三個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域的專家組成?!睆埣武粽f,視覺修復(fù)是團(tuán)隊(duì)的共同目標(biāo),持續(xù)激發(fā)大家跨越學(xué)科界限的熱情與決心。
實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示,貼合人工光感受器的離體盲小鼠視網(wǎng)膜具有77.5微米的空間分辨率和3.92赫茲的時(shí)間分辨率。這一結(jié)果雖和正常人眼的視覺功能相比存在一定差距,但在目前國內(nèi)外同類產(chǎn)品中已處于領(lǐng)先水平。
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