Elektronisches Retina-Implantat

Silizium macht Blinde sehend

Schon seit Jahren arbeiten Forscher an elektronischen Schaltungen, die erblindeten Menschen unter bestimmten Voraussetzungen wieder zur Sehkraft verhelfen können. Nach zahlreichen Tierversuchen liegen nun auch erste Ergebnisse menschlicher Patienten vor. Das Prinzip funktioniert, wenn auch derzeit im Vergleich zum gesunden Auge erst zehnprozentiges Sehvermögen erzielbar ist. Für eine Umfeldorientierung ist dies jedoch hinreichend.

Vor ein paar Jahren berichtete die Elektronik [1] über die Vorarbeiten für menschliche Retina-Implantate, die seinerzeit am Naturwissenschaftlich-Medizinischen Institut (NMI) der Universität Tübingen in Reutlingen liefen. Hier wurden die Arbeiten auch anderer deutscher Institute zusammengeführt, wie der Universitäts-Augenkliniken in Tübingen und Regensburg, des Instituts für Mikroelektronik in Stuttgart, der Philipps-Universität in Marburg oder der Ruhr-Universität in Bochum. Die seinerzeitigen Planungen gingen davon aus, dass man zunächst in Tierversuchen die Machbarkeit der Arbeiten an einem Retina-Implantat zeigen wollte, um dann 2006 Human-Implantate an den Markt zu bringen.

In Deutschland gab es schon immer zwei verschiedene Konsortien, die auf unterschiedlichen Wegen zu einer Retina-Augenprothese kommen wollten. Das „Subret-Konsortium“ entwickelt eine Prothese, die unter die Netzhaut implantiert werden soll, das „Epiret-Konsortium“ hatte die Entwicklung einer auf der Netzhaut aufgelegten Prothese zum Ziel. Dieser Beitrag konzentriert sich auf die subretinale Variante, bei der nun erste Erfahrungen beim Menschen vorliegen. Sie gilt derzeit als die Lösung, die besonders erfolgversprechend ist.

Das Arbeitsprinzip des Retina-Implantats

Zwei der wichtigsten Augendegenerationen sollen damit angegangen werden: Die Retinitis Pigmentosa, die erblich bedingt ist und als unheilbar gilt, und die im Alter sehr häufig auftretende Makula-Degeneration, die zu einer Volkskrankheit geworden ist. Etwa zwei Millionen Menschen leiden allein in Deutschland darunter.

Im letzteren Fall liegt das Problem in der Makula, einem wenige Quadratmillimeter großen Areal der Netzhaut, auch „gelber Fleck“ genannt. Hier liegt der Punkt des schärfsten Sehens. Die Degeneration ist eine Folge der Ablagerung von fettähnlichen Abfallstoffen, was letztlich die Sinneszellen zerstört. Der Prozess beginnt meist erst nach dem 70. Lebensjahr und schreitet langsam voran. Anfangs hat der Patient nur das Gefühl, dass er mehr Licht zum Lesen braucht oder dass die Kontraste schwächer werden. Später folgt ein Verschwinden der Farbwahrnehmung, zum Schluss wird selbst das Erkennen von Personen zum Problem.

 

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Bild 1. Prinzipaufbau des unter der Retina eingebrachten Implantats. (Bild: Retina Implant AG)

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Bild 1. Prinzipaufbau des unter der Retina eingebrachten Implantats. (Bild: Retina Implant AG)

Ziel eines Implantates ist es, die degenerierten Photorezeptoren mittels elektrischer Stimulation zu ersetzen. Dazu werden Arrays von Mikro-Photodioden zwischen Netzhaut und dem Pigment-Epithel der Retina implantiert (daher der Name „sub-retinales Implantat“). Die bisherigen Ergebnisse zeigen, dass dabei ein geordneter Seheindruck entsteht. Langzeituntersuchungen an Tiermodellen zeigen weiterhin, dass das Implantat auch über einen längeren Zeitraum hinweg funktionsfähig bleibt.

Anfangs glaubte man, ein unabhängiges Implantat anstelle des degenerierten Pigment-Epithels unter die Netzhaut implantieren zu können. Dieses sollte die Netzhaut direkt mit der elektrischen Energie stimulieren, die aus den winzigen Photodioden stammt. Schnell zeigte sich aber, dass das nur unter extremer Umfeldhelligkeit funktioniert. Daher wurde bald ein anderer Weg verfolgt: Das nun vorliegende „aktive“ Implantat (Bild 1).

 

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Bild 2. Ausschnitt aus dem Implantat-Chip: Man sieht die Titannitrid-Elektroden für den Kontakt zur Retina sowie die winzigen Photodioden mit den darunter liegenden elektronischen Schaltungen. Rechts im Bild zwei fraktale Mikroaufnahmen.

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Bild 2. Ausschnitt aus dem Implantat-Chip: Man sieht die Titannitrid-Elektroden für den Kontakt zur Retina sowie die winzigen Photodioden mit den darunter liegenden elektronischen Schaltungen. Rechts im Bild zwei fraktale Mikroaufnahmen.

Hier dienen die Mikrophotoelektroden zunächst der Helligkeitsmessung und im zweiten Schritt als Schalter, der die nötige Energie zur Stimulation der Netzhaut entsprechend der Umfeldhelligkeit zuführt (Bild 2). Diese Energie wird dem Implantat induktiv von außen als Hochfrequenz zugeführt. Eine solche „induktive Stromversorgung“ wird heute schon bei den Cochlea-Implantaten genutzt, mit denen Taubheit unter bestimmten Voraussetzungen einem begrenzten Hörvermögen zugeführt werden kann. Eine Analogie des Cochlea-Implantats zum Retina-Implantat ist offensichtlich, wenn auch eine andere Sinneswahrnehmung dabei angesprochen wird.

Etwa 75.000 neue Patienten pro Jahr sind weltweit potentielle Nutzer eines Retina-Implantats. Zwei biologische Bedingungen müssen erfüllt sein, damit ein Retina-Implantat funktionieren kann. Zum einen muss die Optik des Auges mit der Linse funktionsfähig sein und ein (Kopf stehendes) Abbild des Umfelds auf der Netzhaut liefern. Zum anderen muss die Netzhaut in der Lage sein, die vom Retina-Implantat erzeugten elektrischen Impulse aufzunehmen und an das Gehirn weiterzuleiten.

Das vom Auge auf die Retina projizierte Bild wird dort umgewandelt in ein Muster aus elektronischen Reizströmen. Erzeugt wird dieses Muster durch das winzige Array aus Photodioden. Die erfassten Helligkeiten werden in kleine elektrische Ströme gewandelt, verstärkt und über stimulierende Elektroden an die darüber liegende Netzhaut abgegeben. Dabei wird die Erkenntnis genutzt, dass selbst bei degenerierter Netzhaut das meist noch funktionsfähige Seh-Netzwerk zur Weiterleitung und Verarbeitung der Reizströme in der Lage ist. Natürlich kann man nicht die 100 Millionen Photorezeptoren des menschlichen Auges ersetzen – aber die Implantat-Technologie steht ja auch erst am Anfang.

 

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Bild 3. Der implantierte CMOS-Chip. Ganz rechts sind 4 x 4 Stimulationspunkte zu erkennen, mit denen gezielt Wahrnehmungskontrollen durchgeführt werden können. (Bild: Universitäts-Augenklinik Tübingen)

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Bild 3. Der implantierte CMOS-Chip. Ganz rechts sind 4 x 4 Stimulationspunkte zu erkennen, mit denen gezielt Wahrnehmungskontrollen durchgeführt werden können. (Bild: Universitäts-Augenklinik Tübingen)

Aufbau des Retina-Implantats

Wichtigster aktiver Bestandteil des etwa 20 mm langen Implantats ist das 3 x 3 mm² kleine Mikro-Photodioden-Array (MPDA, Bild 3). Es besteht aus 1500 winzigen Photodioden, die jeweils ein Pixelfeld bilden. Zu jedem Pixel gehören noch ein Differenzverstärker, eine Anpassungsschaltung sowie die Elektrode, die die Verbindung zu den Nervenzellen in der Netzhaut herstellt. Die einzelnen Photodioden sind rund 70 µm voneinander entfernt.

An der Spitze des eigentlichen Arrays (im Bild 4 ganz rechts) ist ein Elektrodenfeld mit 16 Einzelelektroden, das für spezielle Untersuchungen mit einem externen Stimulator angesprochen werden kann. Dieses Feld ist über Leiterbahnen aus Gold auf einem Träger aus Polyimid mit dem eigentlichen Array verbunden. Das Elektrodenfeld dient dazu, von außen kontrollierte Reizströme anzulegen und so die Pulsformen je nach Sinneseindruck optimieren zu können.

Jede der Photodioden regt mit definiertem Strom die darüber liegende Netzhautschicht an. „Definiert“ heißt dabei: Die örtliche Helligkeit der jeweiligen Photodiode wird mit der mittleren Helligkeit des gesamten MPDA verglichen, um so zu einem möglichst guten Pixelkontrast zu kommen. Die Verbindung zur externen Stromversorgung stellt ein unter der Haut vom Auge zum Ohr verlegter Leiterbahnstreifen her: Die Versorgungsenergie wird hinter dem Ohr durch eine Induktionsspule zugeführt. Die operativen Voraussetzungen werden hier nicht erläutert, sie würden den Rahmen des Artikels sprengen.

1. Teil: Silizium macht Blinde sehend
2. Teil: Interview mit Dr. Walter G. Wrobel, Vorstandsvorsitzender der Retina Implant AG
3. Teil: Literatur und Autor

Weiterführende Links:

• Elektronik gegen Netzhauterkrankungen: Sehen mit dem Chip
• Künstliches Sehen: Silizium ersetzt Retina