他失明40年,只因戴上了这副护目镜,现在竟能数清斑马线

明敏 子豪 发自 凹非寺
量子位 报道 | 公众号 QbitAI

他,视力障碍40年,几乎全盲

现在,却只因戴上了一副黑科技眼镜,竟然连斑马线有几条都看得清!

不要七八年,不要三四年,只需七个月,就能重拾光明!

到底是怎样一种黑科技,竟有如此大的“魔力”?

原来,这是一副特制的遗传学护目镜,由匹兹堡大学的眼科专家团队亲手打造。

要知道,这位病人所患有的,是叫做视网膜色素变性 (RP)的视力疾病,只能感知到微弱的光线。

而这种疾病堪称眼科界的“世界性难题”之一,还被列入我国《第一批罕见病目录》,治疗手段十分有限。

看个数据就懂了:

截止2019年,在全球200多万患者中,用上人工视网膜的仅有350名,基因疗法也只适合不到5%的患者。

难治,是真的难治。

但就是这么一副护目镜,却打破了如此局面。

这项研究也因此登上了《Nature-Medicine》

所以,有了这副护目镜后,患者的视力到底提升了多少呢?

研究人员设计的这几个小测试可以告诉我们答案。

首先他们测试了患者的感知、定位和触摸能力。

在一张白色桌子上,分别放置了1个笔记本和1个订书钉盒,患者在3种情况下接受测试,分别是:自然双眼、受治疗单眼裸眼、佩戴护目镜。

在双眼裸眼情况下,患者无法感知到任何物体;

△以下实验图均来自:Institut de la vision

而佩戴护目镜后,患者能很好地感知、定位、触摸到体积较大的笔记本,也就是说他能够看到笔记本。

对于更小一点的订书钉盒,成功率就没有这么高了。

第二项测试,则要求患者在感知、定位的基础上,还能准确计数。

也就是说不止要看到,还要看清楚。

研究人员要求患者数出桌子上放了几个杯子,并指给他们。

每个杯子(直径6cm,高度6cm),放置在患者前方66cm的位置:

和第一项试验结果有些相似,在自己完全裸眼的条件下,患者仍旧无法感知到物体;

佩戴了护目镜后,在19次试验中:有12次他能感知到物体,12次能准确计数,11次可以准确定位物体。

此外,试验人员进一步探究了视觉恢复和神经元活动之间的联系。

甚至带着患者上街走了一圈,测试他在户外的视觉能力:

在佩戴护目镜的情况下,他甚至能数出路上斑马线有多少条。

以上都还只是患者佩戴上护目镜训练7个月后的效果。

在他之后的日常生活中,有了护目镜就可以看到盘子、水杯、电话等等非常多的物品。

显然,这种全新的光遗传学疗法,能提高患者的视觉水平,并改善他们的日常生活。

不仅如此,它还将治疗范围扩大到了晚期患者。

在此之前,针对视网膜色素变性患者,曾有人提出Luxturna基因疗法:将健康的基因引入患者体内,从而生成具有正常功能的蛋白,改善视力。

但刚好携带这种特定的基因突变的患者,只有不到5%,并且它只适用于发病早期

其他患者只能使用人工视网膜,比如:Argus II。

它是一种生物仿生眼镜,将光学感应器获取的视觉信息,传递到人工视网膜中,同时转化为电子脉冲形式,向大脑传递信号。

不过截至2019年,全球仅有350名患者使用了这种治疗手段。

而这一次,科学家们应用的是一种光遗传学疗法。

光遗传学(optogenetics)是一项多学科交叉的生物工程技术,涉及到光学、软件控制、基因操作技术、电生理等等。

这种疗法可以简单理解成,用遗传学的方法装一个“光控开关”——以某种光作为控制信号,利用光脉冲来控制细胞。

利用生物体内存在的视蛋白(一种可感受光刺激并产生光效应的光敏蛋白),光遗传学技术能够实现对细胞的精准调控,克服了许多方法存在的局限。

早在2005年,斯坦福的学者就进行了用光照射视蛋白,从而精准控制神经活性的研究。

此后,通过在小鼠的大脑插入光纤,研究人员成功实现了给小鼠植入记忆、消除记忆等操作。

△图源:Popular Science

虽然很多光遗传学技术,都应用于控制神经细胞,但它的灵感其实是来自视觉。

外界的光线经过视网膜,通过人眼中的感光细胞,转变为化学信号和电信号,再传输进入大脑。

此外,眼睛暴露在光线下,因此无需额外插入光纤或进行脑部手术,是进行光遗传学治疗的理想靶标。

具体而言,研究人员把一种腺病毒相关载体,注射进这位58岁的患者视力更差的一只眼睛中,载体中编码了光遗传学感受器“ChrimsonR”。

这种载体将会作用于视网膜中的神经节细胞上。

RP患者体内的神经节细胞由于接收不到来自视网膜的光信息,长期处于一种闲置状态。

ChrimsonR的作用就是接收到光信息,并向大脑传递出信号。

所以在注射了这种载体后,患者体内的神经节细胞可以被重新启动,向视觉皮层输送信号。

下一步,需要向患者的神经节细胞发射光信号了。

考虑到蓝光对眼睛容易造成伤害,研究人员选择了琥珀色光,来刺激蛋白释放信号。

他们让患者戴上一个配有专用摄像头的护目镜,它能够将拍摄到的图片转换成单色图像(也就是琥珀色),然后再转换成595nm的光脉冲实时投射到视网膜上,以此来刺激蛋白质。

对于这项研究取得的成果,业内人士好评如潮:

斯坦福大学的神经生物学和眼科学教授Andrew D. Huberman,直呼“Awesome”。

维克森林大学的教授Christo Constantinidis,致力于生物医学工程与神经科学研究,他也表示:

很高兴看到光遗传学应用在人类身上。

生物学家、生物伦理学家John Bryant,以及致力于机器学习、神经退行性疾病研究的神经生物学家Anatoly Buchin,也纷纷赞叹:

Beautiful work!未来就在这里!

也有网友表示,自己的家人就患有这种疾病,很高兴能看到这样的进步!

此外,《麻省理工科技评论》也撰写了相关文章。

光遗传学的研究涉及到神经科学的多个方面,包括:成瘾性研究、睡眠障碍、帕金森症、焦虑症等。

而此次研究证明,全新的光遗传疗法有助于恢复网膜色素变性患者的视觉功能

团队表示,接下来,还需要进一步了解其安全性和有效性。

论文第一作者José-Alain Sahel是匹兹堡大学眼科系主任,同时还是法国科学院院士。

他表示:

随着全球疫情好转,他们应该可以很快开始下一步试验。

目前这位重见光明的患者只是接受了低剂量注射,之后他们将会对另外3名患者开展更高计量的临床试验。

除了这项研究外,目前还有两项使用光遗传学疗法治疗视网膜退行性疾病的试验,已经到了临床测试阶段。

第一个始于2015年,是基于韦恩州立大学的潘卓华的发现。这项试验现在由艾尔建公司(Allergan)赞助,已经报告了第一批患者的安全用药情况,但还没有报告治疗对他们视力的影响。

另一个,是一家与康奈尔大学威尔医学院Sheila Nirenberg实验室合作的公司Bionic Sight。

他们已经开始招募病人进行测试,该研究也将基因疗法与一套生物仿生眼镜相结合。

希望这些成果能够成为全球200万RP患者的福音。

或许,未来还会有其他细胞用上这种“光控开关”。

论文地址:
https://www.nature.com/articles/s41591-021-01351-4.pdf

参考链接:
[1]https://www.statnews.com/2021/05/24/scientists-use-optogenetics-for-first-time-to-help-blind-patient-see/
[2]https://www.youtube.com/watch?v=Xzu-ntTZrng
[3] https://twitter.com/

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