DE102009061008B4

DE102009061008B4 - Verwendung einer Testvorrichtung und Verfahren zum Test von Zellen, Zellkulturen und/oder organotypischen Zellverbänden

Info

Publication number: DE102009061008B4
Application number: DE102009061008.1A
Authority: DE
Inventors: Dr. Wrobel Walter-G.; Prof. Dr. Rothermel Albrecht; Prof. Dr. med. Zrenner Eberhart
Original assignee: Retina Implant AG
Current assignee: Multi Channel Systems MCS GmbH
Priority date: 2009-03-20
Filing date: 2009-03-20
Publication date: 2014-09-25
Anticipated expiration: 2029-03-21
Also published as: DE102009061008A1; US9162060B2; US20120130302A1; DE102009015389A1

Abstract

Verwendung einer Testvorrichtung für Zellen, Zellkulturen und/oder organotypische Zellverbände (51), wobei die Testvorrichtung ein Array (52) von Mikroelektroden (53), auf dem die Zellen, Zellkulturen und/oder organotypische Zellverbände (51) kultiviert werden, ein Array (54) von strahlungsemittierenden Elementen (55), die die Zellen, Zellkulturen und/oder organotypischen Zellverbände (51) ortsaufgelöst mit elektromagnetischer Strahlung innerhalb und/oder außerhalb des sichtbaren Spektrums beleuchten, eine Ansteuervorrichtung (56), um das Array (54) von strahlungsemittierenden Elementen (55) zur Abgabe von ortsaufgelöster elektromagnetischer Strahlung anzusteuern, und eine Auswerteeinheit (58) aufweist, um Signale zu erfassen und auszuwerten, die von den Zellen, Zellkulturen und/oder organotypischen Zellverbänden (51) bei Beleuchtung durch das Array (54) von strahlungsemittierenden Elementen (55) an die Mikroelektroden (53) abgegeben werden, dadurch gekennzeichnet, dass Zellen, Zellkulturen und/oder organotypische Zellverbände (51 getestet werden, die mit lichtempfindlichen Kanälen ausgestattet wurden, beispielsweise durch Transfektion mit ggf. viralen Vektoren zur Expression von bspw. Channelrhodopsin-2.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft die Verwendung einer Testvorrichtung für Zellen, Zellkulturen und/oder organotypische Zellverbände, mit einem Array von Mikroelektroden, auf dem die Zellen, Zellkulturen und/oder organotypische Zellverbände kultiviert werden.
Derartige Arrays von Mikroelektroden sind an sich bekannt, sie werden als MEAs bezeichnet und sind kommerziell bspw. von der Firma Multichannel Systems MCS GmbH, Aspenhaustraße 21, 72770 Reutlingen, erhältlich.
MEAs sind bspw. beschrieben in der DE 195 29 371 A1 , der DE 197 12 309 A1 , der EP 1 309 856 A1 des Naturwissenschaftlichen und Medizinischen Institutes Reutlingen, deren jeweilige Offenbarung hiermit zum Gegenstand der vorliegenden Anmeldung gemacht wird.
Die Verwendung derartiger MEAs zur Bestimmung des QT-Intervals an Kulturen von schlagenden Herzzellen ist bspw. beschrieben in der WO 2004/067734 , deren Offenbarung hiermit zum Gegenstand der vorliegenden Anmeldung gemacht wird.
Auf diesen MEAs können Zellen kultiviert und manipuliert werden, wobei die von den Zellen abgegebenen elektrischen Signale über die Auswerteeinheit erfasst und ausgewertet werden können. Auf einem solchen MEA werden gemäß der vorliegenden Erfindung Zellen, Zellkulturen und/oder organotypische Zellverbände kultiviert, die mit lichtempfindlichen Kanälen ausgestattet wurden, und dabei über ein Array von strahlungsemittierenden Elementen mit ortsaufgelöster elektromagnetischer Strahlung beleuchtet.
Die Testvorrichtung findet Anwendung im Zusammenhang mit aktiven Retina-Implantat zur Implantation in ein Auge, mit einem Array von Stimulationselementen, die Stimulationssignale an Zellen der Retina abgeben.
Ein derartiges Retina-Implantat ist beispielsweise aus der WO 2005/000395 A1 bekannt.
Das bekannte Retina-Implantat dient dazu, einem Verlust des Sehvermögens aufgrund von Retina-Degenerationen entgegenzuwirken. Grundgedanke ist es dabei, einem Patienten einen mikroelektronischen Stimulationschip in das Auge zu implantieren, der durch elektrische Anregung von Nervenzellen das verloren gegangene Sehvermögen ersetzt.
Dabei gibt es zwei unterschiedliche Ansätze, wie derartige Retina-Prothesen ausgelegt sein können.
Der in der eingangs erwähnten WO 2005/000395 A1 sowie bspw. in der EP 0 460 320 A2 A2 beschriebene subretinale Ansatz verwendet einen in den subretinalen Raum zwischen die äußere Retina und das Pigmentepithel der Retina implantierten Stimulationschip, der auf ein in den Stimulationschip integriertes Array von Photodioden auffallendes Umgebungslicht in elektrische Stimulationssignale für Nervenzellen umsetzt. Diese Stimulationssignale steuern ein Array von Stimulationselektroden an, die die Neuronen der Retina mit ortsaufgelösten elektrischen Stimulationssignale stimulieren, die der von dem Array von Photodioden „gesehenen“ Bildinformation entsprechen.
Dieses Retina-Implantat stimuliert also die verbleibenden, intakten Neuronen der degenerierten Retina, also Horizontalzellen, Bipolarzellen, Amakrinzellen und möglicherweise auch Ganglienzellen. Das auf das Array von Photodioden oder komplexeren Elementen auftreffende visuelle Bild wird dabei auf dem Stimulationschip in ein elektrisches Stimulationsmuster umgewandelt. Dieses Stimulationsmuster führt dann zur elektrischen Stimulation von Neuronen, von denen die Stimulation dann zu den Ganglionzellen der inneren Retina geleitet und von dort über den Sehnerv in den visuellen Cortex geführt wird. Mit anderen Worten, der subretinale Ansatz nutzt die natürliche Verschaltung der ehemals vorhandenen und jetzt degenerierten oder verloren gegangenen Photorezeptoren mit den Ganglionzellen aus, um dem visuellen Cortex in gewohnter Weise Nervenimpulse zuzuführen, die dem gesehenen Bild entsprechen. Das bekannte Implantat ist also ein Ersatz für die verloren gegangenen Photorezeptoren, er wandelt wie sie Bildinformation in elektrische Stimulationsmuster um.
Im Gegensatz dazu nutzt der epiretinale Ansatz eine aus einem extra-okularen und einem intra-okularen Teil bestehende Vorrichtung, die auf geeignete Weise miteinander kommunizieren. Das extra-okulare Teil umfasst eine Kamera und eine mikroelektronische Schaltung, um aufgefangenes Licht, also die Bildinformation, zu kodieren und als Stimulationsmuster an das intra-okulare Teil zu übertragen. Das intra-okulare Teil enthält ein Array von Stimulationselektroden, das Neuronen der inneren Retina kontaktiert und so die dort befindlichen Ganglionzellen unmittelbar elektrisch stimuliert.
Aus vielerlei Veröffentlichungen ist es bekannt, dass die bei diesen Implantaten erforderliche Übertragung der elektrischen Stimulationssignale von den Stimulationselektroden zu den kontaktierten Zellen besonderer Aufmerksamkeit bedarf. Die Kopplung zwischen einer Stimulationselektrode und dem kontaktierten Gewebe ist nämlich kapazitiver Natur, so dass zur elektrischen Stimulation nur transiente Signale verwendet werden können. Diese kapazitive Kopplung beruht darauf, dass sich an der Grenzfläche zwischen Elektrode und Elektrolyt im Auge eine Kapazität (Helmholtz-Doppelschicht) infolge der Elektrodenpolarisation ausbildet. Vor diesem Hintergrund werden die Stimulationssignale als Pulse übertragen.
Bei dem subretinalen Implantat gemäß der eingangs erwähnten WO 2005/000395 wird das auffallende Licht daher in Spannungspulse mit einer Pulslänge von ca. 500 Mikrosekunden und einem Pulsabstand von vorzugsweise 50 Millisekunden umgewandelt, so dass sich eine Wiederholfrequenz von 20 Hz ergibt, die sich als ausreichend für flimmerfreies Sehen herausgestellt hat. Der Pulsabstand ist dabei ferner ausreichend, um die Elektrodenpolarisation vollständig zurückzuführen.
Die WO 2007/128404 A1 beschäftigt sich mit der Frage, wie die Wahrnehmung durch geeignete Wahl von Pulslänge und Wiederholfrequenz der elektrischen Stimulationssignale weiter verbessert werden kann. Ausgehend von experimentellen Befunden mit implantierten subretinalen Implantaten schlägt sie vor, die Vielzahl von Stimulationselektroden in zumindest zwei Gruppen von Stimulationselektroden zu unterteilen, die zeitlich nacheinander zur Abgabe von Stimulationssignalen angesteuert werden.
Das gesehene Bild wird also nicht im Ganzen mit einer hohen Wiederholfrequenz auf die Stimulationselektroden abgebildet, vielmehr wird das Bild sozusagen in zumindest zwei Teilbilder zerlegt, die alternierend mit einer geringeren Wiederholfrequenz auf die Stimulationselektroden "durchgeschaltet" werden.
Werden beispielsweise vier Teilbilder jeweils mit einer Wiederholfrequenz von 5 Hz als Stimulationssignale von jeweils einem Viertel der Stimulationselektroden abgegeben, so wird dennoch jeweils mit einer Teilbildfrequenz von 20 Hz ein neues (Teil)Bild in Form von Stimulationssignalen, also Pulsen, von den Stimulationselektroden an die Zellen der Retina abgegeben.
Damit wird die örtliche Auflösung möglicherweise etwas reduziert, die für physiologisch flimmerfreies Sehen erforderliche Bildwiederholfrequenz von 20 Hz wird jedoch erreicht.
Je nach Anzahl und örtlicher "Dichte" der Stimulationselektroden ist es dabei möglich, auch eine größere Anzahl von Teilbildern zu verwenden, sofern die gewünschte örtliche Auflösung dadurch erreicht wird. Bei einer höheren Anzahl von Teilbildern kann dann die Wiederholfrequenz des einzelnen Teilbildes noch weiter reduziert werden, wobei dennoch alle 50 Millisekunden, also mit einer Bildwiederholfrequenz von 20 Hz, ein neues Teilbild in Form eines Musters von Stimulationsimpulsen abgegeben wird.
Ein weiteres Problem bei den bekannten Retina-Implantaten ist die Energieversorgung des Stimulationschips.
Die Energie zur Erzeugung der elektrischen Stimulationssignale kann nämlich auch bei subretinalen Implantaten nicht aus dem einfallenden Nutzlicht selbst gewonnen werden, so dass zusätzlich Fremdenergie benötigt wird. Diese Fremdenergie wird dabei entweder aus zusätzlich in das Auge eingestrahltem nicht-sichtbarem Licht gewonnen, extern beispielsweise über eine Spule eingekoppelt, oder über ein in das Auge geführte Kabel geleitet.
Das aus der WO 2005/000395 A1 bekannte Implantat wird über eingestrahltes IR-Licht oder über induktiv eingekoppelte HF-Energie kabellos mit elektrischer Energie versorgt, wobei in dieser extern zugeführten Fremdenergie Informationen zur Steuerung des Implantates enthalten sein können.
Da kabellose Retina-Implantate für Anwendungen am Menschen jedoch noch nicht mit einer zufriedenstellenden Qualität zur Verfügung stehen, werden zurzeit nicht nur epiretinale sondern auch subretinale Implantate verwendet, denen die erforderliche Fremdenergie über Kabel zugeführt wird.
Die WO 2007/121901 A1 beschreibt bspw. ein subretinales Retina-Implantat, bei dem die Fremdenergie und Steuersignale kabelgebunden zu dem in das Auge implantierten Stimulationschip geleitet werden. Das Kabel wird dabei an der Sklera des Auges angelegt und fixiert, um Kräfte auf das Implantat zu vermeiden.
Da zum einen auf den Implantaten in der Regel integrierte Schaltkreise vorhanden sind, die mit Gleichspannung betrieben werden, und zum anderen auf den Implantaten selbst wenig Platz zur Verfügung steht, werden die meisten bekannten Implantate unmittelbar mit Gleichspannung versorgt. Bei einer Versorgung mit Wechselspannung würden die auf dem Implantat erforderlichen Gleichrichter insbesondere wegen der benötigten Glättungskondensatoren nämlich zu viel Platz beanspruchen bzw. sich in integrierten Schaltungen auch technisch nicht sinnvoll realisieren lassen.
Die kabelgebundene Übertragung von Gleichspannung führt jedoch langfristig zu elektrolytischen Zersetzungsprozessen in dem die Kabel umgebenden Gewebe, so dass auch diese Art der Versorgung von Implantaten mit Fremdenergie nicht zufriedenstellend ist.
Die WO 2008/037362 A2 schlägt daher vor, das Implantat mit zumindest einer im Wesentlichen rechteckförmigen elektrischen Wechselspannung zu vorsorgen, die gegenüber der Gewebemasse im zeitlichen Mittel zumindest nahezu gleichspannungsfrei ist. Dabei kann die Potentiallage so gewählt werden, dass die Versorgungsspannung im zeitlichen Mittel zumindest nahezu gleichspannungsfrei ist. Auf diese Weise werden die störenden elektrolytischen Zersetzungsprozesse zumindest größtenteils vermieden.
Trotz der oben beschriebenen, vielversprechenden Ansätze für die Lösung der wesentlichen technologischen Probleme im Zusammenhang mit epi- und vor allem subretinalen Retina-Implantaten, genügen die aktuell verfügbaren Retina-Implantate ggf. noch nicht allen Anforderungen für eine umfassende und zufriedenstellende Patientenversorgung.
Es bleibt ferner noch zu untersuchen, ob der epi- bzw. subretinale Ansatz für alle Patienten geeignet ist, die an einer Sehbehinderung infolge Verlustes der natürlichen Photorezeptoren leiden, wie dies bei der Retinitis pigmentosa oder der altersbedingten Makuladegeneration der Fall ist.
Eine sich seit kurzem eröffnende Alternative zur Implantation eines Retina-Implantates der insoweit beschrieben Art besteht in einer gentechnischen Behandlung von Patienten, die an einem Verlust der natürlichen Photorezeptoren leiden. Bei diesem Ansatz werden in die bei Blinden oder Sehbehinderten noch vorhandenen Neuronen durch gentechnische Maßnahmen lichtempfindliche zytoplasmatische Kanäle eingebaut, so dass die Neuronen durch Bestrahlung mit Licht in ihrer elektrischen Aktivität moduliert werden können, was eine Lichtwahrnehmung hervorruft.
Dieser Ansatz geht von Berichten verschiedener Wissenschaftlergruppen aus, die verschiedene, zumeist in Bakterien gefundene Abkömmlinge des Rhodopsin eingesetzt haben, um damit Ionenkanäle in der zytoplasmatischen Membran von Neuronen durch Bestrahlung mit Licht bezüglich ihrer Öffnungswahrscheinlichkeit zu steuern. Die so modifizierten transmembranen Ionenkanäle konnten in verschiedene Zelltypen der Netzhaut, wie Ganglienzellen und Bipolarzellen, eingebaut werden, bei denen die Modulation der elektrischen Aktivität zu einer Lichtwahrnehmung in den Sehzentren führt.
Dabei wurden auch Rhodopsin-Abkömmlinge mit unterschiedlicher spektraler Empfindlichkeit verwendet, um Kanäle zu generieren, die, durch transgene Techniken in On-Bipolarzellen bzw. Off-Bipolarzellen eingebaut, durch unterschiedliche spektrale Lichtreizung eine getrennte Ansteuerung der helligkeitskodierenden On-Bipolarzellen und der dunkelheitkodierenden Off-Bipolarzellen ermöglichen.
Die Lichtstärke, die erforderlich ist, um Neuronen, die mit diesen Rhodopsingesteuerten Kanälen ausgestattet sind, durch Licht in ihrer elektrischen Aktivität modulieren zu können, liegt jedoch um mehrere Größenordnungen oberhalb der für die Aktivierung der natürlichen Photorezeptoren, also der Stäbchen und Zapfen, notwendigen Lichtintensität; siehe Lagali et al.: „Light-activated channels targeted to ON bipolar cells restore visual function in retinal degeneration“, Nature Neuroscience, Vol. 11, No. 6, Juni 2008, Seiten 667–675, mit weiteren Nachweisen.
Lagali et al. berichten, dass mit derart genetisch kodierten Neuromodulatoren in On-Bipolarzellen bei einer Lichtintensität von mindestens 10¹⁵Photonen cm^–2 s^–1 in Abwesenheit von Photorezeptoren eine Lichtwahrnehmung im ON-Pfad der Retina zu verzeichnen war. Hier sei erwähnt, dass 2,5 × 10¹⁵Photonen cm^–2 s^–1 bei 500 nm etwa 1 mW cm^–2 entsprechen.
Für Ganglienzellen wurden vergleichbare Werte ermittelt. Für Stäbchen und Zapfen liegen die minimalen Intensitäten dagegen lediglich bei 10⁶Photonen cm^–2 s^–1bzw. bei 10¹⁰Photonen cm^–2 s^–1.
Auch wenn es möglich erscheint, die Lichtempfindlichkeit von Rhodopsingesteuerten Kanälen um bis zu drei Größenordnungen zu steigern, so wird die Empfindlichkeit der Stäbchen und Zapfen auf keinen Fall auch nur annähernd zu erreichen sein, da den durch Rhodopsin lichtempfindlich gemachten anderen Zellen der Netzhaut die besonderen Verstärkungsmechanismen der Stäbchen und Zapfen fehlen.
Wie die Erfinder der vorliegenden Anmeldung erkannt haben, reicht vor diesem Hintergrund das normale Tageslicht nicht aus, um die lichtempfindlich gemachten Neuronen ortsaufgelöst mit Lichtmustern derart stimulieren zu können, dass im Sehzentrum eine entsprechende optische Wahrnehmung hervorgerufen wird.
Vor diesem Hintergrund haben die Erfinder der vorliegenden Anmeldung ein Retina-Implantat bereitgestellt, das diesen Beobachtungen Rechnung trägt und Nachteile aus dem Stand der Technik vermeidet bzw. verringert, indem die Stimulationselemente als strahlungsemittierende Elemente ausgebildet sind.
Dieses Implantat ist für Patienten vorgesehen, bei denen zuvor Neuronen der Retina mit lichtempfindlichen Kanälen ausgestattet wurden, beispielsweise durch Transfektion mit (viralen) Vektoren zur Expression von Channelrhodopsin-2, wie dies Lagali et al., a.a.O. berichten.
Das neue Implantat wird bei derartigen Patienten epi- oder subretinal eingesetzt, um sozusagen vor Ort die lichtempfindlich gemachten Zellen ortsaufgelöst in unmittelbarer Nähe sozusagen auf „optische Weise“ mit Bildinformation zu stimulieren.
Wegen der verglichen mit dem normalen Sehvorgang relativ geringen Absorption von Lichtstrahlung in den lichtempfindlich gemachten Neuronen würde sich ausgehend von der Publikation von Lagali et al zunächst anbieten, nach Art eines Nachtsichtgerätes außen am Auge Vorrichtungen vorzusehen, die einfallende Lichtmuster zu Lichtmustern ausreichender Helligkeit verstärken und diese dann auf natürlichem Wege durch Abbildung über die Linse auf die Zellpopulationen am Augenhintergrund werfen. Die Verstärkungsleistung dieser externen Vorrichtung ließe sich nahezu beliebig hoch auslegen.
Die Erfinder sind aber gerade nicht diesen Weg gegangen, denn die Verwendung von externen „Lichtverstärkern“ hätte nach Erkenntnis der Erfinder prinzipielle Nachteile, die bei der neuen Lösung nicht auftreten.
Vorrangig ist bei externen Lichtverstärkern von Nachteil, dass die für die externe Stimulation der lichtempfindlich gemachten Neuronen erforderliche Lichtenergie so hoch ist, dass sie zu Schädigungen des Auges führen kann, sei es direkt durch phototoxische Reaktionen oder indirekt durch Wärmeentwicklung.
Wie die Erfinder zeigen konnten, führen die optischen Gegebenheiten am Auge, insbesondere die Verluste durch die Begrenzung des Raumwinkels, dazu, dass von der von einem externen Array von strahlungsemittierenden Elementen, bspw. einem Feld von LEDs, abgegebenen Strahlung nicht einmal 0,02% die Retina erreicht.
Wenn man von einer zulässigen Bestrahlungsstärke der Retina von max. 200 mW/cm² im sichtbaren Spektrum und einer Bestrahlungsfläche von 3 mm × 3 mm ausgeht, was einer Bestrahlungsleistung von 18 mW entspricht, so würde das LED-Array eine Strahlungsleistung von 120 W abgeben müssen. Obwohl dies technisch möglich erscheint, besteht hier die Gefahr einer nicht vorhersehbaren Schädigung des Auges, insbesondere der letzten, vielleicht noch vorhandenen Photorezeptoren. Ferner würde eine solche Vorrichtung wegen ihrer Größe und ihres Energieverbrauchs auf nur geringe Akzeptanz stoßen.
Bei einem implantierten LED-Array wird dagegen die gesamte in den Halbraum abgestrahlte Lichtleistung der einzelnen LEDs tatsächlich genutzt, um die Retina auszuleuchten. Es treten also keine „optischen“ Verluste auf.
Bei der in situ Umwandlung von Strom in Licht treten allerdings Verluste auf, die zur thermischen Belastung der Retina beitragen und je nach eingesetzter Technologie und Wellenlänge der abgegebenen Strahlung unterschiedlich sind. Diese Verluste können 90% bis 95%, bei heute auch schon verfügbaren hocheffizienten LED oder OLED ggf. auch nur 50% betragen.
Geht man von einer zulässigen thermischen Belastung der Retina von max. 200 mW/cm² aus, so dürfte ein LED-Array mit einer Abstrahlfläche von 3 mm × 3 mm mit maximal 1 bis 2 mW leuchten. Dieser Wert kann deutlich erhöht werden, wenn die thermische Verlustleistung durch geeignete Wärmeleitflächen im Auge verteilt wird.
Eine Abstrahlfläche von 3 mm × 3 mm mit einer optischen Leistung von 1 mW entspricht bei 500 nm ca. 27 × 10¹⁵Photonen cm^–2 s^–1. Dies ist ca. 27 mal höher als die von Lagali et al. berichte Lichtintensität von mindestens 10¹⁵Photonen cm^–2 s^–1, bei der in Abwesenheit von Photorezeptoren eine Lichtwahrnehmung mit modifizierten Neuronen im ON-Pfad der Retina zu verzeichnen ist. Dies bietet einen großen Sicherheitsabstand.
Die erforderliche Lichtintensität kann damit durch das neue Implantat problemlos bereitgestellt werden, ohne dass die Gefahr besteht, dass die Retina oder verbliebene Photorezeptoren (weiter) geschädigt werden.
Damit bietet das neue Implantat wesentliche Vorteile gegenüber einem externen Lichtverstärker, erlaubt aber eine gleich gute, wenn nicht bessere Stimulation.
Zudem erlaubt ein subretinales Implantat kleine Bestrahlungsflächen in engem Kontakt mit der Retina, so dass einem nicht-linearen Verhalten, bspw. einer Reizschwelle der lichtempfindlich gemachten – im Folgenden auch: modifizierten – Neuronen Rechnung getragen werden kann. Hier können auch zeitlich versetzte, überlagerte Teilbilder eingesetzt werden, wie dies für die rein elektrische Stimulation aus der eingangs diskutierten WO 2007/128404 A1 bekannt ist, deren Offenbarung hiermit durch Bezugnahme zum Gegenstand der vorliegenden Anmeldung gemacht wird.
Diese Teilbilder können jeweils eine höhere Lichtintensität pro Fläche aufweisen, so dass die einzelnen modifizierten Neuronen mit einer hinreichenden Lichtintensität stimuliert werden, ohne dass die maximal zulässige thermische Belastung der Retina überschritten wird. Dies wäre mit einem externen Lichtverstärker nicht möglich.
Ein weiterer Vorteil des neuen Implantats besteht darin, dass beim praktischen Einsatz am Menschen letzte, eventuelle noch intakte Photorezeptoren nicht geschädigt werden. Wegen der hohen eingestrahlten Lichtleistung bei Verwendung von externen Lichtverstärkern besteht dagegen die Gefahr, dass diese letzten Photorezeptoren geschädigt werden, was aus medizinischen und vor allem ethischen Gründen nicht akzeptabel ist.
Da das neue Implantat unmittelbar an der Retina anliegt, lassen sich zudem weitere Vorteile erzielen, wie dies nachstehend noch erläutert wird.
In einer Weiterbildung ist es bevorzugt, wenn ein Bildempfänger vorgesehen ist, der einfallendes Umgebungslicht in ortsaufgelöste elektrische Signale umwandelt, die das Array von strahlungsemittierenden Elementen steuern.
Diese ortsaufgelösten elektrischen Signale enthalten damit die erforderliche Bildinformation, mit denen das Array so angesteuert wird, dass es das von dem Bildempfänger „gesehene“ Bild als optisches Bild wieder abgibt und damit die modifizierten Neuronen stimuliert.
Der Bildempfänger kann dabei als externer Bildempfänger ausgebildet sein, der außerhalb des Auges angeordnet wird.
Die extern aufgenommene und weiterverarbeitete Bildinformation wird dabei wie bei den bekannten epiretinalen Implantaten in Form von elektrischen Signalen über Kabel oder drahtlos auf das Implantat übertragen. Dort werden diese Signale ggf. weiterverarbeitet und von dem Array von strahlungsemittierenden Elementen als „internes Bild“ wieder abgegeben, das die modifizierten Neuronen beleuchtet.
Von den bekannten epiretinalen Implantaten können dabei die konstruktiven Details der externen Bildempfänger, der Verarbeitungselektronik sowie der „Datenübertragung“ in das Auge – ggf. mit entsprechender Anpassung – übernommen werden.
Alternativ kann der Bildempfänger auch als implantierbarer Bildverstärker ausgebildet sein, der ebenfalls in das Auge implantiert wird.
Hier werden in das Auge also ein Bildempfänger und ein Array von „Bildsendern“ implantiert. Durch diese auf den ersten Blick ungewöhnliche Konstruktion kann erstaunlicher Weise die erforderliche Strahlungsenergie zur Anregung der modifizierten Neuronen bereitgestellt werden, ohne dass die Gefahr besteht, dass das Auge durch eingestrahltes Licht geschädigt wird, wie dies bei einem externen Lichtverstärker der Fall wäre.
Mit dieser Alternative ist aber noch ein weiterer, wesentlicher Vorteil verbunden. Bei einem außen am Auge angebrachten Lichtverstärker oder Bildempfänger kann nämlich die Augenbewegung nicht genutzt werden, die eine wichtige Funktion bei der Objektfindung erfüllt. Der Patient würde also trotz unterschiedlicher Augenstellungen immer dasselbe Bild sehen, solang er den Kopf stillhält. Das ist für ihn verwirrend und würde nach Erkenntnis der Erfinder den Nutzen des Implantates verringern. Es wurde zwar schon vorgeschlagen, bei außen angebrachten Bildempfängern eine sog. eye-tracking Steuerung zu verwenden, mit der die Augenbewegung erfasst und genutzt werden soll. Dieser Ansatz erweist sich jedoch als sehr aufwändig, wobei noch keine Erfahrungen vorliegen, ob dies mit hinreichender Genauigkeit möglich sein wird.
Wenn jedoch auch der Bildempfänger in das Auge implantiert wird, kann der Patient die natürliche Augenbewegung und die Kopfbewegung in der üblichen Weise verwenden, um Bilder zu sehen und nach Objekten abzusuchen.
Von den eingangs erwähnten subretinalen Implantaten können dabei die konstruktiven Details der implantierten Arrays von Photodioden, der Steuer- und Verarbeitungselektronik sowie der Energieübertragung in das Auge – ggf. mit entsprechender Anpassung – übernommen werden, weshalb die Offenbarung der eingangs erwähnten Schutzrechte hiermit durch Bezugnahme zum Gegenstand der vorliegenden Anmeldung gemacht wird.
Dabei ist es bevorzugt, wenn der Bildempfänger und das Array von strahlungsemittierenden Elementen getrennte Bauteile sind.
Hier ist von Vorteil, dass die Bauteile so im Auge platziert werden können, dass von dem Array von strahlungsemittierenden Elementen ausgehendes Streulicht nicht direkt auf den Bildempfänger fällt und dort in Strom umgewandelt werden kann, was zu einer positiven Rückkopplung führen würde. Dieses Problem gibt es übrigens bei einem externen Lichtverstärker oder Bildempfänger nicht.
Bei dem implantierten Bildempfänger kann das Streulichtproblem also bspw. gelöst werden, wenn Bildempfänger und Bildsender räumlich getrennte Bauelemente sind, die gesondert implantiert werden. Dies ermöglicht eine geometrische Anordnung im Auge, die dem Streulichtproblem Rechnung trägt.
Dabei ist es bevorzugt, wenn beide Bauteile an/auf einem vorzugsweise flexiblen Träger angeordnet sind.
Der Bildempfänger kann dann bspw. epiretinal angeordnet werden kann. Der Träger wird dann am Rand der Retina subretinal geführt, so dass der Bildsender unter oder auch neben dem Bildempfänger angeordnet werden kann.
Andererseits ist es bevorzugt, wenn der Bildempfänger und das Array von strahlungsemittierenden Elementen nebeneinander an/auf dem Träger angeordnet sind.
Hier ist von Vorteil, dass wegen der geometrischen Nähe kein Streulicht vom Bildsender direkt auf den Bildempfänger gelangen kann, was das Streulichtproblem verringert.
Der Träger, vorzugsweise eine Folie, wird subretinal platziert, so dass Bildsender und Bildempfänger nebeneinander im subretinalen Raum liegen. Dies führt zu einer Trennung von Bildsender und Bildempfänger um ca. 10°, was der Patient wie einen Prismenfehler wahrnehmen würde, der ggf. durch eine Prismenbrille oder eine einfache Strabismus-Operation korrigiert werden kann.
Andererseits ist es bevorzugt, wenn der Bildempfänger und das Array von strahlungsemittierenden Elementen übereinander angeordnet sind.
Hier ist es möglich, auf einem größeren Chip einen kleineren Chip anzuordnen, bspw. durch flip-chip-bonding. Da beide Bauelemente übereinander angeordnet sind, tritt das Problem des Prismenfehlers hier nicht oder in geringerem Maße auf als bei den anderen insoweit diskutierten Alternativen.
Dieses Implantat kann sub- oder epiretinal eingesetzt werden. Bei einem epiretinalen Implantat sind auf der Oberseite eines Siliziums-Chips die Bildempfänger/Fotodioden sowie die Elektronik angeordnet, und an der Unterseite ein weiterer Chip z.B. aus GaAlAs angeordnet sein, der die Bildsender enthält. Die beiden Chips sind mittels Durchkontaktierung miteinander verbunden.
Hier ist weiter von Vorteil, dass das abgestrahlte Licht, nachdem es die Retina durchdrungen hat, von der natürlichen Pigmentschicht teilweise absorbiert wird und nur wenig zum Streulicht beitragen kann.
Bei diesen Alternativen ist jeweils insgesamt von Vorteil, dass Bildsender und Bildempfänger als getrennte Chips in der jeweils optimalen Technologie für Lichterzeugung (GaAS, InP, GaP) bzw. Umwandlung von Licht in Strom und dessen elektronische Weiterverarbeitung (Si) ausgelegt werden können.
Andererseits ist es bevorzugt, wenn der Bildempfänger und das Array von strahlungsemittierenden Elementen integriert in einem Chip angeordnet sind.
Diese Integration ist bspw. mit sogenannten OLEDs möglich, die die Integration einer hocheffizienten und stabilen Lichtquelle in Silizium ermöglichen, siehe Vogel und Amelung: „OLED on CMOS“, in Elektronik 1/2009, Seiten 54 bis 58.
Hier ist von Vorteil, dass der neue Chip sich einfacher implantieren lässt als ein Implantat aus zwei Chips bzw. Bauteilen, wobei hier auch das Problem des Prismenfehlers nicht mehr auftritt, denn die zugeordneten Pixel von Bildsender und Bildempfänger können unmittelbar nebeneinander/übereinander liegen.
Das neue Implantat vereinigt in dieser Ausgestaltung auf besonders vorteilhafte Weise zwei an sich entgegengesetzte Funktionen. Es nimmt wie ein Kamerachip ein Bild auf und strahlt gleichzeitig ein entsprechendes Bild an gleichem Ort pixelgenau mit hoher Intensität wieder ab.
Allgemein ist es bevorzugt, wenn die strahlungsemittierenden Elementen elektromagnetische Strahlung innerhalb und/oder außerhalb des sichtbaren Spektrums abgeben, insbesondere wenn der Bildempfänger und das Array von strahlungsemittierenden Elementen in unterschiedlichen Bereichen des elektromagnetischen Spektrums arbeiten.
Dies ermöglicht eine spektrale Trennung des „gesehenen“ und des „abgegebenen“ Bildes, was das oben bereits diskutierte Streulichtproblem weiter verringert.
Dabei ist es besonders bevorzugt, wenn der Bildempfänger elektromagnetische Strahlung im sichtbaren Bereichen des Spektrums verarbeitet und das Array von strahlungsemittierenden Elementen elektromagnetische Strahlung außerhalb des sichtbaren Bereichen des Spektrums abstrahlt, vorzugsweise im nahen Infrarotbereich.
Hier ist von Vorteil, das der Bildempfänger normales Umgebungslicht aufnimmt und verarbeitet, während das von dem Bildsender abgegebene Licht nicht sichtbar ist, so dass die Augen des Patienten nicht von außen wahrnehmbar „leuchten“.
Die strahlungsemittierenden Elementen sind dabei vorzugsweise lichtemittierende Dioden, bspw. infrarotemittierende LEDs auf GaAlAs-Basis, oder solche auf organischer Basis (OLEDs).
Allgemein ist es noch bevorzugt, wenn der Bildempfänger mit einem optischen Filter versehen ist, das für das von dem Array von strahlungsemittierenden Elementen abgegebene Spektrum elektromagnetischer Strahlung blockierend wirkt.
Auch diese Maßnahme reduziert das Streulichtproblem, denn die spektrale Trennung von gesehenem und angegebenem Bild wird erhöht.
Weiter ist es bevorzugt, wenn Array von strahlungsemittierenden Elementen zueinander einen Abstand aufweisen, in dem unterschiedliche Populationen von Nervenzellen separat reagieren.
Das Array hat dabei bspw. eine Größe von 3 mm × 3 mm und trägt eine matrixförmige Anordnung von bspw. 40 × 40 oder 100 × 100 LEDs in der Bildempfänger und das Array von strahlungsemittierenden Elementen zeitlich versetzt arbeiten.
Auch diese Maßnahme reduziert das Streulichtproblem, indem die Bildaufnahme zeitlich von der Bildabgabe entkoppelt wird. Diese Entkopplung kann pixelweise, zeilenweise oder Bildweise erfolgen. Zunächst wird ein optisches Bild aufgenommen und verarbeitet, dann wird der Bildempfänger „blind“ geschaltet und das verarbeitete Bild von dem Bildsender abgegeben.
Ferner ist es bevorzugt, wenn das Array von strahlungsemittierenden Elementen Elemente mit unterschiedlicher spektrale Abstrahlung umfasst.
Hier ist von Vorteil, dass unmittelbar benachbarte Zellpopulationen, die mit Rhodopsin unterschiedlicher spektraler Empfindlichkeit modifiziert wurden, getrennt angesteuert werden können, was die Auflösung und/oder den Kontrast des gesehenen Bildes erhöht.
Weiter ist es bevorzugt, wenn die Elemente in dem Array von strahlungsemittierenden Elementen in definierter geometrischer Anordnung vorgesehen sind.
Diese Anordnung kann matrixförmig mit Reihen und Spalten oder strahlförmig sein, um unterschiedliche Muster erzeugen zu können, die für eine optimale Erkennung sorgen.
Allgemein ist es bevorzugt, wenn die Elemente in einem Abstand zueinander von bspw. 50 nm angeordnet sind.
Wie oben erwähnt, ist das neue Retina-Implantat für Patienten vorgesehen, bei denen Neuronen der Retina mit lichtempfindlichen Kanälen ausgestattet wurden, beispielsweise durch Transfektion mit (viralen) Vektoren zur Expression von Channelrhodopsin-2, wie dies Lagali et al., a.a.O. berichten. Das neue Retina-Implantat und die modifizierten Neuronen müssen dabei natürlich insbesondere bezüglich der spektralen Empfindlichkeit aufeinander abgestimmt sein.
Um die Eigenschaften der modifizierten Neuronen testen und verbessern zu können, wird erfindungsgemäß eine Testvorrichtung für Zellen, Zellkulturen und/oder organotypische Zellverbände verwendet, die mit lichtempfindlichen Kanälen ausgestattet wurden, beispielsweise durch Transfektion mit ggf. viralen Vektoren zur Expression von bspw. Channelrhodopsin-2, wobei die Testvorrichtung mit einem Array von Mikroelektroden, auf dem die Zellen, Zellkulturen und/oder organotypische Zellverbände kultiviert werden, einem Array von strahlungsemittierenden Elementen, die die Zellen, Zellkulturen und/oder organotypische Zellverbände ortsaufgelöst mit elektromagnetischer Strahlung innerhalb und/oder außerhalb des sichtbaren Spektrums beleuchten, einer Ansteuervorrichtung, um das Array von strahlungsemittierenden Elementen zur Abgabe von ortsaufgelöster elektromagnetischer Strahlung anzusteuern, und einer Auswerteeinheit versehen ist, um Signale zu erfassen und auszuwerten, die von den Zellen, Zellkulturen und/oder organotypischen Zellverbänden bei Beleuchtung durch das Array von strahlungsemittierenden Elementen an die Mikroelektroden abgegeben werden.
Eine derartige Testvorrichtung ist prinzipiell aus der DE 103 15 074 A1 und der WO 01/02094 A1 bekannt. Die bekannten Testvorrichtungen dienen zur Vervielfältigung und zum Nachweis von Nukleinsäuren.
Die DE 102 01 463 A1 erwähnt die Möglichkeit, elektrische Messungen an biologischem Material über Leitfähigkeitsmessungen mittels Mikroelektrodenarray-Anordnungen durchführen zu können.
Das erfindungsgemäß verwendete Array kann mittels der Ansteuervorrichtung elektrisch angesteuert werden, wobei auch das Array von strahlungsemittierenden Elementen aus dem neuen Retina-Implantat verwendet werden kann. Als Ansteuervorrichtung kann dabei auch der Bildempfänger aus dem neuen Retina-Implantat eingesetzt werden.
Anhand der gemessenen Signale kann die Funktion und/oder die Effizienz der lichtempfindlichen Kanäle und/oder des Arrays von strahlungsemittierenden Elementen ggf. im Zusammenspiel mit dem Bildempfänger ermittelt und überprüft werden.
Die neue Testvorrichtung ermöglicht es damit, die Modifizierung von Zellen und/der das neue Retina-Implantat bzw. ihre wesentlichen Baugruppen ex vivo zu testen und ohne Versuche an Lebewesen zu optimieren.
Das Array von strahlungsemittierenden Elementen kann dabei oberhalb der Zellen, Zellkulturen und/oder organotypischen Zellverbände angeordnet oder in das Array von Mikroelektroden integriert sein.
Vor diesem Hintergrund betrifft die vorliegende Erfindung ferner ein Verfahren zum Testen von Zellen Zellkulturen und/oder organotypischen Zellverbänden, die mit lichtempfindlichen Kanälen ausgestattet wurden, beispielsweise durch Transfektion mit ggf. viralen Vektoren zur Expression von bspw. Channelrhodopsin-2, mit den Schritten:
die Zellen, Zellkulturen und/oder organotypischen Zellverbände werden auf einem Array von Mikroelektroden kultiviert,
die Zellen, Zellkulturen und/oder organotypischen Zellverbände werden durch ein Array von strahlungsemittierenden Elementen ortsaufgelöst mit elektromagnetischer Strahlung innerhalb und/oder außerhalb des sichtbaren Spektrums beleuchtet,
das Array von strahlungsemittierenden Elementen wird mit einer Ansteuervorrichtung zur Abgabe von ortsaufgelöster elektromagnetischer Strahlung angesteuert, und
mit einer Auswerteeinheit werden Signale erfasst und ausgewertet, die von den Zellen, Zellkulturen und/oder organotypischen Zellverbänden bei Beleuchtung durch das Array von strahlungsemittierenden Elementen an die Mikroelektroden abgegeben werden.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung und der beigefügten Zeichnung.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines Retina-Implantates in nicht maßstabsgetreuer Darstellung;
2 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispieles eines Retina-Implantates in nicht maßstabsgetreuer Darstellung;
3 eine schematische Darstellung eines menschlichen Auges, in das das Retina-Implantat gemäß 2 eingesetzt ist, ebenfalls nicht maßstabgetreu;
4 eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispieles eines Retina-Implantates in nicht maßstabsgetreuer Darstellung;
5 eine schematische Darstellung eines menschlichen Auges, in das das Retina-Implantat gemäß 4 eingesetzt ist, ebenfalls nicht maßstabgetreu;
6 zwei weitere Ausführungsbeispiele für die Anordnung von Bildempfänger und Array von Stimulationselementen;
7 ein erstes Ausführungsbeispiel der neuen Testvorrichtung für Zellen, Zellkulturen und/oder organotypische Zellverbände, die mit lichtempfindlichen Kanälen ausgestattet wurden;
8 ein zweites Ausführungsbeispiel der neuen Testvorrichtung für Zellen, Zellkulturen und/oder organotypische Zellverbände, die mit lichtempfindlichen Kanälen ausgestattet wurden; und
9 ein Ausführungsbeispiel einer Testvorrichtung für ein Retina-Implantat.
In 1 ist schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel eines aktiven Retina-Implantat 10 dargestellt, wobei die Abmaße nicht maßstabgetreu wiedergegeben sind.
Das Retina-Implantat 10 ist über ein Kabel 11 mit einer Versorgungseinheit 12 und mit einem Bildempfänger 13 verbunden, auf dem ein Array 14 von Bildzellen 15 angeordnet ist, die bspw. als Photodioden ausgebildet sind. Auf dem Retina-Implantat 10 ist ein Array 16 von strahlungsemittierenden Stimulationselementen 17 zur Abgabe von optischen Stimulationssignalen angeordnet. Die Stimulationselemente 17 sind bspw. als lichtemittierende Dioden (LEDs) ausgebildet.
Die Versorgungseinheit 12 versorgt das Retina-Implantat 10 mit elektrischer Energie und ggf. mit Steuersignalen, über die verschiedene Funktionen des Retina-Implantates beeinflusst oder eingestellt werden können.
Der Bildempfänger 13 wandelt über seine Bildzellen 14 einfallendes Umgebungslicht in ortsaufgelöste elektrische Signale um, die zu dem Retina-Implantat 10 geleitet und dort über die strahlungsemittierenden Stimulationselemente 17 wieder in optische Signale umgewandelt werden, über die modifizierte Zellen der Retina stimuliert werden.
Das Retina-Implantat 10 ist somit für Patienten vorgesehen, bei denen zuvor Neuronen der Retina mit lichtempfindlichen Kanälen ausgestattet wurden, beispielsweise durch Transfektion mit (viralen) Vektoren zur Expression von Channelrhodopsin-2, wie dies Lagali et al., a.a.O. berichten.
Das Retina-Implantat 10 wird bei derartigen Patienten epi- oder subretinal eingesetzt, um sozusagen vor Ort die lichtempfindlich gemachten Zellen ortsaufgelöst in unmittelbarer Nähe sozusagen auf „optische Weise“ mit Bildinformation zu stimulieren.
An dem Kabel 11 sind Befestigungslaschen 18 vorgesehen, mit denen das Kabel 11 an der Sklera des Auges der Person befestigt werden kann, der das Retina-Implantat 10 eingepflanzt wird. Auf diese Weise wird vermieden, das Kräfte auf das Retina-Implantat 10 ausgeübt werden, die zu einer mechanischen Belastung und/oder Verlagerung des Retina-Implantates 10 führen könnten.
Bei dem Retina-Implantat 10 aus 1 wird der Bildempfänger 13 außerhalb des Auges angeordnet, bspw. in einer Brille, die der Patient trägt. Das Retina Implantat 10 wird dann bspw. epiretinal implantiert, wobei die Übertragung von Energie, Steuersignalen und Bildinformationen auch drahtlos erfolgen kann, wie dies als solches aus verschiedenen Publikationen bekannt ist.
In bevorzugten Ausführungsbeispielen ist der Bildempfänger 13 jedoch implantierbar ausgebildet, so dass er wie das Retina-Implantat 10 selbst in das Auge implantiert wird. Diese Anordnung ist in 2 gezeigt, wo der Bildempfänger 13 neben dem Retina-Implantat 10 angeordnet ist, mit dem er über ein Kabel 19 verbunden ist.
Durch diese Anordnung kann die erforderliche Strahlungsenergie zur Anregung der modifizierten Neuronen bereitgestellt werden, ohne dass die Gefahr besteht, dass das Auge durch eingestrahltes Licht geschädigt wird, wie dies bei einem externen Lichtverstärker der Fall wäre. Dem Bildempfänger 13 reicht nämlich normales Umgebungslicht aus, um es über seine Bildzellen in ortsaufgelöste Bildsignale umzuwandeln. Diese Bildsignale werden dann von den strahlungsemittierenden (Stimulations) Elementen 17 wieder in ein optisches Bildsignal umgewandelt, wobei die erforderliche elektrische Energie von der Steuereinheit über das Kabel 11 oder aber kabellos bspw. über Induktion bereitgestellt wird.
Da hier auch der Bildempfänger in das Auge implantiert wird, kann der Patient zudem die natürliche Augenbewegung und die Kopfbewegung in der üblichen Weise verwenden, um Bilder zu sehen und nach Objekten abzusuchen.
Von den eingangs erwähnten subretinalen Implantaten können die konstruktiven Details der implantierten Arrays von Photodioden, der Steuer- und Verarbeitungselektronik sowie der Energieübertragung in das Auge – ggf. mit entsprechender Anpassung – übernommen werden.
Das Retina-Implantat 10 und der Bildempfänger 13 aus 2 sind dazu bestimmt, in ein menschliches Auge 20 implantiert zu werden, das in 3 sehr schematisch dargestellt ist. Der Einfachheit halber sind nur die Linse 21 sowie die Retina 22 gezeigt, in die das Implantat 10 und der Bildempfänger 13 eingepflanzt wurden.
Retina-Implantat 10 und Bildempfänger 13 werden dabei vorzugsweise in den so genannten subretinalen Raum eingebracht, der sich zwischen dem Pigment-Epithel und der Fotorezeptorschicht bildet. Sofern die Fotorezeptorschicht degeneriert oder verloren ist, bildet sich der subretinale Raum zwischen dem Pigment-Epithel und der Schicht der Bipolar- und Horizontalzellen. Das Retina-Implantat 10 wird dabei so platziert, dass die in 2 gezeigten Stimulationselemente 17 optische Stimulationssignale auf Zellen in der Retina 22 abstrahlen können.
Durch einen Pfeil 23 angedeutetes sichtbares Licht, dessen Strahlengang bei 24 zu sehen ist, wird über die Linse 21 auf den Bildempfänger 13 geleitet, wo das sichtbare Licht 23 in elektrische Signale umgewandelt wird, die zu dem Retina-Implantat 10 geleitet und dort in optische Stimulationssignale gewandelt werden.
Retina-Implantat 10 und Bildempfänger 13 können dabei – wie in 2 gezeigt, nebeneinander angeordnet sein, wobei sie als getrennte Einheiten in bspw. unterschiedlicher Technologie ausgeführt sein können. Beide Implantate 10, 13 können dabei neben- oder übereinander auf einer gemeinsamen Folie abgeordnet sein.
Um eine Rückkopplung durch Streulicht zu vermeiden, kann der Bildempfänger 13 geometrisch so angeordnet werden, dass vom Retina-Implantat 10 abgestrahltes Licht auf den Bildempfänger rückkoppeln kann, wozu vorgesehen sein kann, dass der Bildempfänger 13 mit Licht im sichtbaren Bereich des Spektrums arbeitet, während die strahlungsemittierenden Elemente 17 Strahlung außerhalb des sichtbaren Spektrums emittieren, vorzugsweise in Nahen Infrarotbereich.
Alternativ oder zusätzlich kann der Bildempfänger 13 mit einem in 3 angedeuteten optischen Filter 25 versehen sein, das für die von dem Retina-Implantat 10 abgegebene optische Strahlung blockierend wirkt. Auch dies reduziert das Streulichtproblem, denn die spektrale Trennung von gesehenem und angegebenem Bild wird erhöht.
Der Bildempfänger 13 und das Array 16 von strahlungsemittierenden Elementen 17 kann dabei so angesteuert werden, dass die Implantate 10, 13 zeitlich versetzt arbeiten.
Auch diese Maßnahme reduziert das Streulichtproblem, indem die Bildaufnahme zeitlich von der Bildabgabe entkoppelt wird. Diese Entkopplung kann pixelweise, zeilenweise oder Bildweise erfolgen. Zunächst wird ein optisches Bild aufgenommen und verarbeitet, dann wird der Bildempfänger „blind“ geschaltet und das verarbeitete Bild von dem Bildsender abgegeben.
Das Array 17 von strahlungsemittierenden Elementen 16 kann dabei Elemente mit unterschiedlicher spektrale Abstrahlung umfassen, so dass unmittelbar benachbarte Zellpopulationen, die mit Rhodopsin unterschiedlicher spektraler Empfindlichkeit modifiziert wurden, getrennt angesteuert werden können, was die Auflösung und/oder den Kontrast des gesehenen Bildes erhöht.
Die Elemente 17 sind dabei in definierter geometrischer Anordnung vorgesehen und weisen zueinander einen Abstand von 50 nm auf, der in 2 mit a bezeichnet ist.
Diese Anordnung kann matrixförmig mit Reihen und Spalten – wie in 1 und 2 angeordnet – oder strahlförmig sein, um unterschiedliche Muster erzeugen zu können, die für eine optimale Erkennung sorgen.
In 3 ist noch zu erkennen, dass das Kabel 11 seitlich aus dem Auge herausgeführt und dort außen auf der Sklera mit den Befestigungslaschen 18 befestigt wird, bevor das Kabel weiter zu der externen Versorgungseinheit 12 führt.
Die Versorgungseinheit 12 wird dann in nicht näher gezeigter Art und Weise außerhalb des Auges beispielsweise am Schädel des Patienten befestigt. Über die Versorgungseinheit 12 wird elektrische Energie zu dem Implantat 10 und dem Bildempfänger 13 gesandt, wobei gleichzeitig auch Steuersignale übermittelt werden können, die die Funktionsweise des Implantates so beeinflussen, wie dies beispielsweise in der eingangs erwähnten WO 2005/000395 A1 beschrieben ist, deren Inhalt hiermit zum Gegenstand der vorliegenden Anmeldung gemacht wird.
Die Energieversorgung kann dabei über im Wesentlichen recheckförmige elektrische Wechselspannungsspannungen erfolgen, die gegenüber der Gewebemasse im zeitlichen mittel nahezu gleichspannungsfrei sind, wie dies in der eingangs erwähnten WO 2008/037362 beschrieben ist, deren Inhalt hiermit ebenfalls zum Gegenstand der vorliegenden Anmeldung gemacht wird
Es sei noch erwähnt, dass die Abmaße insbesondere des Retina-Implantates 10, des Bildempfängers 13, der Befestigungslaschen 18 sowie der externen Versorgungseinheit 12 in den 1, 2 und 3 weder maßstäblich noch in richtiger Größenrelation zueinander dargestellt sind.
Bildempfänger 13 und Retina-Implantat 10 können alternativ auch integriert in einem Chip 26 ausgebildet sein, wie dies in 4 schematisch gezeigt wird. Diese Integration ist bspw. mit sogenannten OLEDs möglich, die die Integration einer hocheffizienten und stabilen Lichtquelle in Silizium ermöglichen, siehe Vogel und Amelung, a.a.O.
Der Chip 26 lässt sich einfacher implantieren lässt als ein Implantat aus zwei Chips bzw. Bauteilen, wobei hier auch keine Prismenfehler auftreten, denn die zugeordneten Pixel von Bildsender und Bildempfänger können unmittelbar nebeneinander/übereinander liegen.
Das neue Implantat vereinigt in dieser Ausgestaltung auf besonders vorteilhafte Weise zwei an sich entgegengesetzte Funktionen. Es nimmt wie ein Kamerachip ein Bild auf und strahlt gleichzeitig ein entsprechendes Bild an gleichem Ort pixelgenau mit hoher Intensität wieder ab.
Der Chip 26 weist eine Folie 27 auf, auf der zunächst eine Eingangsstufe 28 zu erkennen, der über das Kabel 11 von außen externe Fremdenergie zugeführt wird. Die Eingangsstufe 28 ist mit einer Einheit 29 verbunden, die in diesem Falle eine Vielzahl von Bildzellen 17 aufweist, die einfallendes sichtbares Licht in elektrische Signale umwandelt, die dann über die neben den jeweiligen Bildzellen 17 angedeuteten strahlungsemittierenden Stimulationselemente 15 als optische Anregungsmuster an Nervenzellen der Retina abgegeben werden.
Die Verarbeitung der von den Bildzellen 17 erzeugten Nutzsignale erfolgt in einer Ausgangsstufe 31, die die entsprechenden optischen Stimulationssignale erzeugt, die dann zurück zu den Stimulationselementen 15 geführt werden.
In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, dass die 4 lediglich eine schematische, den logischen Aufbau wiedergebende Darstellung des Chips 26 ist, die tatsächliche geometrische Anordnung der einzelnen Komponenten kann dazu führen, dass beispielsweise jede Bildzelle 17 in unmittelbarer Nachbarschaft eine Ausgangsstufe aufweist.
Der Chip 26 ist über eine bei 32 angedeutete externe Masse mit dem Gewebe verbunden, in das das Implantat eingebracht wird. Ferner ist noch eine interne elektrische Masse 33 angedeutet, die in dem gezeigten Ausführungsbeispiel nicht mit der externen Masse 32 verbunden ist.
Alternativ zu der insoweit beschriebenen kabelgebundenen Energieversorgung kann der Chip 26 auch über Infrarotstrahlung mit Energie versorgt werden, wie dies in 5 schematisch gezeigt ist.
Der Chip 26 wird in das Auge 20 eines Patienten eingepflanzt, von dem wie in 3 schematisch die Linse 21 und die Retina 22 gezeigt sind. Sichtbares Licht 23 fällt nach den hinlänglich bekannten optischen Gesetzen durch die Linse 21 in das Auge, wobei der Strahlengang des sichtbaren Lichts 23 wieder schematisch mit der Bezugsziffer 24 gezeigt.
Mit Bezugsziffer 34 sind beispielhaft drei IR-Laserdioden bezeichnet, mit denen Energie in Form von IR-Strahlung gezielt in das Auge 20 eingekoppelt werden kann. Das Infrarotstrahlung ist mit Bezugsziffer 35 bezeichnet. Die Darstellung mit Hilfe von drei IR-Laserdioden 34 ist hier beispielhaft gewählt, um verschiedene Strahlengänge zu zeigen.
Das gesamte Implantat beinhaltet in dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel den eigentlichen Stimulationschip 26, mit dessen Hilfe Retinazellen abhängig vom sichtbaren Licht 23 optisch stimuliert werden, sowie einen davon abgesetzten Strahlungsempfänger 37. Stimulationschip 26 und Strahlungsempfänger 37 sind elektrisch miteinander verbunden, was hier durch eine Leitung 38 dargestellt ist. Der Strahlungsempfänger 37 arbeitet als Energiewandler (fotovoltaisches Element) und dient dazu, die mit Hilfe der IR-Laserdioden 34 eingestrahlte IR-Strahlung 35 aufzunehmen und in Abhängigkeit davon Energie für den Stimulationschip 26 bereitzustellen.
Durch die räumliche Trennung von Stimulationschip 26 und Strahlungsempfänger 37 sowie das gezielte Einstrahlen der IR-Strahlung auf den Strahlungsempfänger wird bereits eine wesentliche Entkopplung zwischen Stimulationschip 26 und Strahlungsempfänger 37 erreicht. Eine derartige Entkopplung ist wünschenswert, um eine Übersteuerung der im Stimulationschip 26 vorhandenen Bildzellen 15 durch die IR-Strahlung zu verhindern.
Beim Einstrahlen der IR-Strahlung 35 in das Auge 20 treten ferner Streuanteile auf, die trotz der räumlichen Trennung den Stimulationschip 26 erreichen können. Beispielhaft für zwei wesentliche Streuquellen ist ein Streustrahl 39 gezeigt, der durch Brechung beim Austritt der IR-Strahlung 35 aus der Linse 21 entsteht. Ein weiterer Streustrahl 41 zeigt Reflexionen an der Oberfläche des Strahlungsempfängers 37. Darüber hinaus können innerhalb des Glaskörpers des Auges 20 Mehrfachreflexionen auftreten, so dass der Stimulationschip 26 IR-Streustrahlung aus verschiedenen Richtungen und auf Grund verschiedener Ursachen ausgesetzt ist. Der Stimulationschip 26 ist daher mit Entkopplungsmitteln versehen, die es erlauben, die nichtsichtbare Streustrahlung (IR-Strahlung) 35 von auftreffendem sichtbaren Licht 23 zu trennen, wie dies ausführlich in der WO 2004/067088 A1 beschrieben ist, deren Inhalt hiermit ebenfalls zum Gegenstand der vorliegenden Anmeldung gemacht wird.
6 zeigt noch zwei weitere Ausführungsbeispiele für die Anordnung von Bildempfänger 13 und Retina-Implantat 10 mit dem Array 16 von Stimulationselemente.
Oben in 6 sind die beiden Implantate 10, 13 über die flexible Folie 27 miteinander verbunden, wobei der Bildempfänger epiretinal und das Array 16 subretinal angeordnet sind.
Unten in 6 ist der Bildempfänger 13 auf dem größeren Implantat 10 angeordnet, wobei auch umgekehrt das Implantat 10 auf dem größer ausgebildeten Bildempfänger 13 angeordnet sein kann.
In beiden Fällen werden die Implantate 10, 13 über die Versorgungseinheit 12 mit Energie und Steuersignalen versorgt, wobei auch hier ein gesonderter Strahlungsempfänger 37 – wie in 5 – vorgesehen sein kann.
In 7 ist eine Testvorrichtung 50 für Zellen, Zellkulturen und/oder organotypische Zellverbände 51 gezeigt, die mit lichtempfindlichen Kanälen ausgestattet wurden, beispielsweise durch Transfektion mit ggf. viralen Vektoren zur Expression von bspw. Channelrhodopsin-2.
Die Testvorrichtung 50 umfasst ein Array 52 von Mikroelektroden 53, auf dem die Zellen, Zellkulturen und/oder organotypische Zellverbände 51 kultiviert werden.
Oberhalb der Zellen, Zellkulturen und/oder organotypischen Zellverbände 51 ist ein Array 54 von strahlungsemittierenden Elementen 55 angeordnet, das auf den Zellen, Zellkulturen und/oder organotypische Zellverbände 51 aufliegen kann und diese ortsaufgelöst mit elektromagnetischer Strahlung innerhalb und/oder außerhalb des sichtbaren Spektrums beleuchtet.
Ferner ist eine Ansteuervorrichtung 56 vorgesehen, die das Array 54 von strahlungsemittierenden Elementen 55 über ein mehradriges Kabel 57 zur Abgabe von ortsaufgelöster elektromagnetischer Strahlung ansteuert. Diese Array 54 kann so aufgebaut sein und arbeiten wie das oben beschriebene Array 16, wobei die Ansteuervorrichtung so aufgebaut sein kann und so arbeitet wie der oben beschrieben Bildempfänger 13.
Eine Auswerteeinheit 58 ist über ein mehradriges Kabel 59 mit dem Array 52 verbunden, um Signale zu erfassen und auszuwerten, die von den Zellen, Zellkulturen und/oder organotypischen Zellverbänden 51 bei Beleuchtung durch das Array 54 an die Mikroelektroden 53 abgegeben werden.
Gemäß 8 können die strahlungsemittierenden Elementen 55 in das Array 52 von Mikroelektroden 53 integriert sein, so dass eine örtliche Zuordnung zwischen bestrahlungsbedingter Anregung und Abgabe eines elektrischen Signales hergestellt werden kann.
Auf diese Weise kann die Funktion der lichtempfindlichen Kanäle und/oder die des Arrays 54 getestet und ex vivo optimiert werden.
In 9 ist dementsprechend eine Testvorrichtung für das neue Retina-Implantat 10 gezeigt, wie es in 6 oben gezeigt ist.
Auf dem aus 7 und 8 bekannten Array 52 von Mikroelektroden werden die Zellen, Zellkulturen und/oder organotypische Zellverbände 51 kultiviert, die von dem Retina-Implantat 10 ortsaufgelöst mit elektromagnetischer Strahlung innerhalb und/oder außerhalb des sichtbaren Spektrums beleuchtet werden, wobei die Ansteuerung des Arrays 16 über den Bildempfänger 13 erfolgt.
Die Auswerteeinheit 58 dient dazu, Signale zu erfassen und auszuwerten, die von den Zellen, Zellkulturen und/oder organotypischen Zellverbänden 51 bei Beleuchtung des Bildempfängers 13 und entsprechender Abgabe von elektromagnetischer Strahlung durch das Array 16 an die Mikroelektroden abgegeben werden.
Auf diese Weise kann das Retina-Implantat 10 zusammen mit entsprechend modifizierten Zellen ex vivo getestet und optimiert werden.

Claims

Verwendung einer Testvorrichtung für Zellen, Zellkulturen und/oder organotypische Zellverbände (51), wobei die Testvorrichtung ein Array (52) von Mikroelektroden (53), auf dem die Zellen, Zellkulturen und/oder organotypische Zellverbände (51) kultiviert werden, ein Array (54) von strahlungsemittierenden Elementen (55), die die Zellen, Zellkulturen und/oder organotypischen Zellverbände (51) ortsaufgelöst mit elektromagnetischer Strahlung innerhalb und/oder außerhalb des sichtbaren Spektrums beleuchten, eine Ansteuervorrichtung (56), um das Array (54) von strahlungsemittierenden Elementen (55) zur Abgabe von ortsaufgelöster elektromagnetischer Strahlung anzusteuern, und eine Auswerteeinheit (58) aufweist, um Signale zu erfassen und auszuwerten, die von den Zellen, Zellkulturen und/oder organotypischen Zellverbänden (51) bei Beleuchtung durch das Array (54) von strahlungsemittierenden Elementen (55) an die Mikroelektroden (53) abgegeben werden, dadurch gekennzeichnet, dass Zellen, Zellkulturen und/oder organotypische Zellverbände (51 getestet werden, die mit lichtempfindlichen Kanälen ausgestattet wurden, beispielsweise durch Transfektion mit ggf. viralen Vektoren zur Expression von bspw. Channelrhodopsin-2.
Verwendung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Array (54) von strahlungsemittierenden Elementen (55) oberhalb der Zellen, Zellkulturen und/oder organotypischen Zellverbände (51) angeordnet ist.
Verwendung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Array von strahlungsemittierenden Elementen (55) in das Array (52) von Mikroelektroden (53) integriert ist.
Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die strahlungsemittierenden Elemente (17) elektromagnetische Strahlung innerhalb und/oder außerhalb des sichtbaren Spektrums abgeben.
Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Array (16) von strahlungsemittierenden Elementen (17) elektromagnetische Strahlung außerhalb des sichtbaren Bereiches des Spektrums abstrahlt, vorzugsweise im nahen Infrarotbereich.
Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die strahlungsemittierenden Elemente (17) lichtemittierende Dioden sind, vorzugsweise solche auf optischer Basis (OLEDs).
Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Array (16) von strahlungsemittierenden Elementen (17) Elemente (17) mit unterschiedlicher spektraler Abstrahlung umfasst.
Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Elemente (17) in dem Array (16) von strahlungsemittierenden Elementen (17) in definierter geometrischer Anordnung vorgesehen sind.
Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Elemente (17) in dem Array (16) von strahlungsemittierenden Elementen (17) zueinander einen Abstand (a) aufweisen, in dem unterschiedliche Populationen von Nervenzellen separat reagieren.
Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuervorrichtung (56) einen Bildempfänger (13) umfasst, der einfallendes Umgebungslicht (23) in ortsaufgelöste elektrische Signale umwandelt, die das Array (16) von strahlungsemittierenden Elementen (17) steuern.
Verwendung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Bildempfänger (13) mit einem optischen Filter (25) versehen ist, das für das von dem Array (16) von strahlungsemittierenden Elementen (17) abgegebene Spektrum elektromagnetischer Strahlung blockierend wirkt.
Verwendung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Bildempfänger (13) und das Array (16) von strahlungsemittierenden Elementen (17) zeitlich versetzt arbeiten.
Verwendung nach Anspruch 10, 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Bildempfänger (13) und das Array (16) von strahlungsemittierenden Elementen (17) in unterschiedlichen Bereichen des elektromagnetischen Spektrums arbeiten.
Verfahren zum Testen von Zellen Zellkulturen und/oder organotypischen Zellverbänden (51), die mit lichtempfindlichen Kanälen ausgestattet wurden, beispielsweise durch Transfektion mit ggf. viralen Vektoren zur Expression von bspw. Channelrhodopsin-2, mit den Schritten: die Zellen, Zellkulturen und/oder organotypischen Zellverbände (51) werden auf einem Array (52) von Mikroelektroden (53) kultiviert, die Zellen, Zellkulturen und/oder organotypischen Zellverbände (51) werden durch ein Array (54) von strahlungsemittierenden Elementen (55) ortsaufgelöst mit elektromagnetischer Strahlung innerhalb und/oder außerhalb des sichtbaren Spektrums beleuchtet, das Array (54) von strahlungsemittierenden Elementen (55) wird mit einer Ansteuervorrichtung (56) zur Abgabe von ortsaufgelöster elektromagnetischer Strahlung angesteuert, und mit einer Auswerteeinheit werden Signale erfasst und ausgewertet, die von den Zellen, Zellkulturen und/oder organotypischen Zellverbänden (51) bei Beleuchtung durch das Array (54) von strahlungsemittierenden Elementen (55) an die Mikroelektroden (53) abgegeben werden.