Rétine artificielle

Dossier réalisé en collaboration avec Serge Picaud et José-Alain Sahel, Institut de la vision (unité Inserm 968, Paris) et co-fondateurs de Pixium Vision – mai 2016

Certaines personnes qui ont perdu la vue suite à la dégénérescence de leurs cellules photoréceptrices peuvent désormais bénéficier d’une rétine artificielle. Fixé sur ou sous la rétine, cet implant leur permet de percevoir à nouveau des signaux lumineux. Plusieurs systèmes sont en cours d’évaluation, et la recherche se poursuit pour améliorer leurs performances et la perception visuelle des patients.

Située au fond de l’œil, la rétine est composée de cellules sensibles à la lumière - les photorécepteurs - et d’un réseau de neurones. Les photorécepteurs transforment les signaux lumineux en signaux électriques qui sont acheminés jusqu’au cerveau via le nerf optique. Une défaillance des photorécepteurs altère donc la vue et peut conduire à la cécité.

La rétine artificielle se substitue aux photorécepteurs. Concrètement, il s’agit d’implants (de 3 x 3 mm) fixés sur ou sous la rétine, composés d’électrodes qui stimulent électriquement les neurones rétiniens. Les premiers dispositifs testés dans les années 1990 incluaient 16 à 20 électrodes. Ils en comportent actuellement jusqu’à 1 500. Cependant, la perception visuelle des patients n’est pas liée directement au nombre d’électrodes.

Implant de rétine artificielle 	© Inserm/JL. Guyomard

Implant de rétine artificielle

Plusieurs dispositifs sont en cours d’évaluation. Trois ont déjà obtenu le marquage des autorités européennes (marquage CE) - Argus II (Second sight, Etats-Unis), Retina Implant (AG, Allemagne) - et un troisième est en attente - IRIS II (Pixium Vision, France). Argus II a également obtenu le feu vert de l’agence américaine (FDA) et il est commercialisé en France dans le cadre du forfait innovation. Les trois dispositifs existant offrent des résultats à peu près similaires. La recherche se poursuit pour améliorer les performances de ces différents systèmes.

Comment fonctionne la rétine artificielle ?

Deux des dispositifs existants (Argus II et Iris II) sont dits épirétiniens : ils sont placés à la surface de la rétine, en contact avec les cellules ganglionnaires. Le troisième (Retina Implant) est placé sous la rétine, à la place des cellules photoréceptrices. Dans tous les cas, une intervention chirurgicale est nécessaire pour la mise en place de l’implant au contact de la rétine.

Dans le cas des modèles épirétiniens, des caméras sont intégrées dans une paire de lunettes. Elles transmettent les informations visuelles à un microordinateur placé dans la poche ou à la ceinture du patient. Ce microordinateur convertit les informations visuelles en codes de signaux électriques et les communique par ondes radio à un récepteur placé sur l’œil. Celui-ci les traduit en véritables courants électriques qui vont progresser sur la natte de fils pénétrant dans l’œil, pour atteindre l’implant composé d’électrodes et fixé sur la rétine. L’implant Argus II contient 60 électrodes, le modèle Iris II en comprend 150. Concernant ce dernier, les essais cliniques commencent suite aux résultats concluants obtenus avec IRIS I à 49 électrodes.

L’implant allemand (Retina Implant) fonctionne différemment. Il comprend 1 500 électrodes et autant de diodes sensibles à la lumière. Les diodes transforment la lumière en courants électriques qui sont amplifiés par un circuit électronique avant d’être libérés au niveau des électrodes. Ce système ne nécessite pas de lunettes, mais il faut alimenter le circuit électrique relié aux photodiodes. Cela implique la présence d’un câble qui part de la puce sous la rétine, vers l’extérieur de l’œil, jusque derrière l’oreille. La pose de ce câble est très complexe. Dans ce dispositif, chaque électrode ne produit pas un pixel d’une image, ce qui pourrait expliquer pourquoi les patients n’ont pas les performances visuelles attendues pour un implant avec autant d’électrodes.

 

Qui peut bénéficier d’une rétine artificielle ?

Le dispositif de rétine artificielle s’adresse aux personnes aveugles dont les cellules photoréceptrices ont dégénéré, mais chez lesquelles les cellules nerveuses de la rétine et le nerf optique demeurent fonctionnels. C’est le cas des sujets atteints de rétinopathie pigmentaire ou encore de dégénérescence maculaire liée à l’âge (DMLA).

La rétinopathie pigmentaire est une maladie génétique qui touche environ 1 naissance sur 4 000 (30 000 cas environ en France). Les patients vivent avec un champ visuel qui se réduit progressivement puis perdent la vue, généralement après 50 ans.

La DMLA est quant à elle, une maladie du vieillissement. Le champ de vision central est atteint, ce qui rend difficile la lecture ou encore la reconnaissance des visages. Un quart des plus de 75 ans est touché. Malgré des progrès récents dans la prise en charge de certaines complications, aucun traitement ne permet actuellement de guérir ces deux maladies.

À ce jour, les implants sont posés chez des patients en stade terminal de dégénérescence rétinienne, les capacités fonctionnelles du tissu restant sont donc très limitées. Une opération plus précoce pourrait apporter de meilleurs résultats. Des études cliniques devront toutefois le prouver.

Quels sont les résultats actuels ?

En France, une vingtaine de personnes atteintes de rétinite pigmentaire déjà ont bénéficié de l’implantation du système Argus II, grâce au forfait innovation du ministère de la santé qui assure le financement du dispositif (environ 90 000 euros l’unité). Âgés de 29 à 73 ans, les patients ont tous eu de bonnes suites opératoires et sont pour la plupart en phase de rééducation. Au total, 36 patients vont recevoir l’implant, dans trois établissements hospitalier : le CHNO des Quinze-Vingts à Paris, le CHU de Bordeaux et le CHU de Strasbourg.

Ces patients arrivent à percevoir des signaux lumineux. Certains d’entre eux peuvent se déplacer seuls, repérer une porte ou une fenêtre dans une pièce, visualiser des passages piétons ou encore suivre une ligne sur le sol. Et parmi eux, certains parviennent à lire, sur un écran d’ordinateur, des mots à gros caractères blancs sur fond noir, voire de courtes phrases. Il existe toutefois des différences importantes dans les résultats obtenus. Cela pourrait s’expliquer en partie par la variabilité de l’état de conservation global du tissu rétinien d’un patient à l’autre.

Dans tous les cas, les patients ne retrouvent pas leur vision d’antan. Il leur faut réapprendre une nouvelle façon de voir, en associant et en ordonnant les signaux lumineux perçus. Cela demande plusieurs heures quotidiennes d’exercices. La résolution actuelle proposée par les implants Argus II est de 60 pixels, celle des nouveaux implants IRIS II de 150 pixels.

Quels sont les progrès attendus ?

  • Procurer des images plus nettes aux patients

L’objectif, à terme, est de proposer un œil bionique qui permette de reconnaître des visages, de lire ou encore de se déplacer en parfaite autonomie. Pour effectuer ces tâches complexes, les études suggèrent qu’une résolution au minimum de 600 à 1 000 pixels serait suffisante.

Pourtant, les performances de l’implant allemand qui comprend 1 500 électrodes sont très limitées. Elles montrent qu’il ne suffit pas de multiplier le nombre d’électrodes pour augmenter la résolution. Celle-ci est en fait restreinte par la surface de la rétine sur laquelle les cellules gliales forment une couche isolante entre les neurones et l’implant. Cela rend difficile la focalisation des courants électriques transmis par chaque électrode sur un groupe réduit de neurones. En outre, les signaux diffusent de telle sorte que les stimulations produites par deux électrodes voisines se chevauchent. Pour améliorer la résolution, il est indispensable que chaque électrode reçoive et émette un signal électrique spécifique, et qu’elle stimule à son tour une zone indépendante de ses voisines, de façon extrêmement focalisée. En d’autres termes, on recherche un codage de l’information visuelle point par point, et non plus diffus.

Implant PRIMA ©Pixium Vision

Implant PRIMA

C’est ce à quoi a travaillé l’Institut de la vision, en partenariat avec l’université de Stanford. Les chercheurs ont utilisé un implant développé par Stanford, muni d’électrodes de retour permettant cette individualisation du signal émis par chaque électrode. Cette version high-tech a été testée sur des rétines de primates aveugles mises en culture. Les chercheurs ont mesuré l’activité des cellules ganglionnaires en fonction des stimulations émises. Ils ont ainsi montré que des cellules ganglionnaires individuelles peuvent être activées spécifiquement par une seule électrode. Cette expérience prouve la très grande résolution spatiale de ce nouvel implant. Les prototypes ont été fabriqués en France, par la société Pixium Vision qui poursuit le développement de cet implant PRIMA "nouvelle génération". Il s’agit d’un implant sous-rétinien ne nécessitant aucun câble d’alimentation. Il se réduit à une plaque comprenant des diodes photoélectriques qui seront excitées par des signaux lumineux infrarouges transmis par des lunettes. Le modèle, au départ testé avec 200 à 600 électrodes, pourrait en contenir 1 000 à 2 000 à terme, voire plus. La société entend effectuer la première implantation chez l’homme courant 2016.

Les chercheurs de l’Institut de la vision développent également une technologie d’implants en 3 dimensions en collaboration avec l’ESIEE (Etablissement d’enseignement supérieur scientifique de la Chambre de commerce et d’industrie de Paris). Au lieu d’être plans, ces implants présentent des reliefs en forme de puits dans lesquels les neurones rétiniens vont se nicher. Cela permet de focaliser les stimulations électriques sur les neurones venus s’intégrer dans ces puits. Cette technologie d’implants a été testée avec succès sur des animaux, montrant que les neurones s’intègrent effectivement bien dans les puits. La modélisation des courants démontre l’augmentation de la résolution spatiale de tels dispositifs 3D pour la stimulation de pixels indépendants. À terme, ces implants 3D devraient permettre de produire une résolution très fine des stimulations électriques.

Améliorer les protocoles de réhabilitation
 
Un autre point d’amélioration possible concerne les méthodes de réhabilitation, utilisées pour entrainer les patients à exploiter le mieux possible leur implant. Les équipes hospitalières travaillent sur ces méthodes. Par exemple, en apprenant à un patient à reprogrammer lui-même son implant, les cliniciens espèrent améliorer les résultats. L’entreprise Streetlab, qui a construit une véritable rue artificielle à l’Institut de la vision, est actuellement très impliquée dans le développement de tels protocoles de réhabilitation.

  • Pouvoir intégrer les données en temps réel

Dans la perspective de rétines artificielles ultra performantes, des mathématiciens de l’Institut de la vision se sont penchés sur le processus de transformation de l’information visuelle en stimulations électriques. En effet, l’augmentation anticipée du nombre de pixels des implants demandera des temps de calcul sur les images plus importants et donc une consommation énergétique accrue nécessitant une lourde batterie. Pour contourner ces problèmes, l’Institut de la vision a développé un nouveau capteur d’information visuelle sans image, afin de limiter la lourdeur du traitement de l’information visuelle. Ce capteur est déjà intégré dans les lunettes de la société Pixium Vision.

 
 
  • Augmenter les performances des électrodes

Bien tolérés, les implants sont actuellement à base de polymères couramment utilisés en médecine, avec des électrodes métalliques. Ces matériaux peuvent toutefois se dégrader avec le temps, et l’efficacité des électrodes pourrait être encore améliorée. Les chercheurs étudient donc de nouveaux matériaux comme le graphène et le diamant. Extrêmement stable, ce dernier possède d’excellentes propriétés de semi-conducteur et une extrême biocompatibilité. En collaboration avec le CEA-List, les chercheurs de l’Institut de la vision ont confirmé la biocompatibilité du matériau avec les cellules rétiniennes, tant ex vivo que sur l’animal. Ils évaluent maintenant les propriétés électriques du diamant concernant la stimulation des neurones. Il s’agit  notamment de déterminer s’il est possible de réduire les charges électriques envoyées dans le tissu.

Optogénétique, l’autre façon de restaurer la vision
 
Une technique en développement pourrait venir concurrencer la rétine artificielle : l’optogénétique. Cette stratégie consiste à introduire dans les neurones de la rétine une protéine sensible à la lumière et capable de créer un courant électrique au travers de la membrane cellulaire. Des protéines de ce type existent à l’état naturel, ce sont les opsines, comme la rhodopsine-canal2 issue d’une algue ou encore de l’halorhodopsine provenant d’une bactérie. L’expression de ces protéines peut être obtenue dans une cellule nerveuse en y introduisant leur gène, par l’intermédiaire d’un vecteur viral. Ainsi, les neurones d’une rétine "aveugle" peuvent redevenir sensibles à la lumière, et transmettre à nouveau un signal électrique au cerveau.
 
Des essais concluants ont été réalisés chez des souris aveugles, puis sur des rétines de primates. Ces premiers résultats montrent que les cellules ganglionnaires peuvent exprimer les opsines après une injection intravitréenne du vecteur viral. Ces cellules sont excitées par des stimulations très courtes (quelques millisecondes) de lumière intense. L’Institut de la vision travaille maintenant au développement d’une caméra asynchrone, portée par des lunettes, permettant de transmettre seulement certaines longueurs d’ondes, non toxiques pour l’œil et capables de stimuler les opsines. Une société américaine (Retrosense) a annoncé le début d’un essai clinique (portant sur un patient). En France, la société Gensight Biologics devrait également commencer des essais cliniques dans le courant de l’année 2017.

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