柔性光声视网膜假体：一种实现高精度视觉恢复的创新策略

《Nature Communications》：A flexible photoacoustic retinal prosthesis

本研究针对视网膜退行性疾病致盲难题，开发了一种基于聚二甲基硅氧烷（PDMS）和碳材料的柔性光声薄膜。该薄膜可将近红外激光脉冲转化为局域超声场（横向分辨率51μm），精准调控视网膜神经节细胞活动。实验证实其在退变大鼠模型中可有效激活视觉通路至中脑上丘，且生物安全性良好。这项发表于《Nature Communications》的研究为高精度视觉修复提供了新范式。

　　

在全球范围内，视网膜退行性疾病如视网膜色素变性和年龄相关性黄斑变性是导致不可逆盲的主要原因，影响着数百万人的生活质量。这些疾病的共同特征是感光细胞的进行性丧失，而目前尚无有效药物能够阻止这一过程。视网膜假体作为植入式设备，通过刺激残留的视网膜细胞来恢复部分视觉功能，成为研究热点。然而，现有的视觉修复技术面临重大挑战：电极阵列空间分辨率有限（约100μm），恢复视野小，且已有商业植入产品因效果不佳而退出市场。超声刺激虽具无创优势，但面临安全性和分辨率提升的瓶颈。

正是在这一背景下，由Audrey Leong、Yueming Li和Thijs R. Ruikes等共同完成的研究在《Nature Communications》上发表了题为"一种柔性光声视网膜假体"的论文。该研究创新性地提出光声视网膜刺激技术，通过设计一种柔性光声薄膜，将近红外激光脉冲转化为局域超声场，实现对视网膜细胞的高精度调控。这项研究不仅证明了该技术在离体和在体水平对健康及退变视网膜的有效性，还展示了其良好的生物安全性，为开发下一代高分辨率、大视野的视觉修复装置开辟了新途径。

研究人员主要采用了以下关键技术方法：设计并制备了PDMS/碳基柔性光声薄膜，通过光声场显微技术表征超声场分布；利用多电极阵列记录离体视网膜神经节细胞活动；通过药理学阻断实验解析视网膜机械敏感性的机制；采用功能性超声成像技术监测在体视觉通路激活；通过光学相干断层扫描和免疫组织化学评估植入物的生物相容性。实验使用野生型Long-Evans大鼠和P23H视网膜退变大鼠模型。

柔性光声薄膜的制备与表征

研究团队设计了一种三明治结构的聚二甲基硅氧烷/蜡烛烟灰/聚二甲基硅氧烷（PDMS/CS/PDMS）薄膜作为光声转换器。该薄膜具有2.12±0.10 MPa的杨氏模量，可最小化免疫反应。在1030纳米激光脉冲（脉宽4.2纳秒，单脉冲能量7微焦）激发下，薄膜产生中心频率42.2兆赫的超声脉冲，峰值压力达146.2千帕。光声场映射显示，在50微米直径的光斑照射下，产生的超声场横向分辨率为51-56微米。声压与激光能量呈线性关系，且薄膜表面温升仅0.52±0.09°C，远低于神经热调控阈值。

离体视网膜的光声调控

在野生型Long-Evans大鼠离体视网膜上，光声刺激显著调制了视网膜神经节细胞（RGC）活动，78%的自发活动RGC对刺激产生响应，主要表现为兴奋性响应（92%），平均响应发放频率为66±3.7赫兹，潜伏期为51±34.2毫秒。在退变的P23H大鼠视网膜中，39%的RGC对刺激产生响应，响应强度较低（29±2.88赫兹），潜伏期较长（89±65毫秒）。对照实验证实响应由超声而非直接激光引起。

视网膜机械敏感性的机制探索

通过药理学方法，研究发现光声刺激诱发的RGC响应依赖于上游信号通路。应用III组代谢型谷氨酸受体激动剂L-AP4阻断感光细胞与ON双极细胞间的突触传递后，短潜伏期响应（<45毫秒）被显著抑制，表明感光细胞在超声机械敏感性中起关键作用。进一步应用红藻氨酸受体拮抗剂ACET可进一步抑制响应，提示内核层细胞也参与其中。在P23H视网膜中，谷氨酸受体阻断剂(rs)-CPP和CNQX几乎完全消除了光声诱导的响应，证实神经递质传递的必要性。

RGC响应与激光参数的关系

研究考察了不同激光参数（重复频率1.9千赫兹和3.5千赫兹，脉冲串持续时间5-30毫秒）对RGC响应的影响。在野生型视网膜中，响应发放频率随脉冲串持续时间增加而升高，而在退变视网膜中需要更强的刺激才能诱发响应，与既往研究报道的退变视网膜声刺激阈值较高一致。响应潜伏期与脉冲串持续时间或重复频率无显著相关性。

离体光声视网膜刺激的空间分辨率

通过移动激光光纤在薄膜上不同位置进行刺激，研究人员绘制了响应RGC的空间分布图。结果显示，最大发放频率位于激光光斑附近（<400微米），且响应比例随距离增加而降低。73%的野生型RGC和70%的P23H RGC在100微米距离内被调制，证明光声刺激具有高度空间局域性。

光声植入物的在体安全性

研究将1毫米直径的光声薄膜长期植入大鼠视网膜下腔，通过眼部成像和组织学评估生物相容性。光学相干断层扫描显示，植入部位视网膜厚度在野生型大鼠中有所减少（源于感光细胞退变），而在P23H大鼠中保持稳定。免疫组织化学证实植入部位存在激活的小胶质细胞，但未观察到严重炎症反应。

在体光声视网膜刺激

通过功能性超声成像技术，研究证实光声刺激可激活退变视网膜下游的视觉通路。在对侧上丘中，光声刺激引起的相对脑血容量变化与可见光刺激相当，激活区域占全视野白光激活区域的25-38%。直接1030纳米激光刺激视网膜未引起显著激活，进一步证实响应源于光声转换。

该研究开发的柔性光声薄膜能够高效产生声波，成功调控离体和在体视网膜细胞活动，激活视觉通路。0.05兆帕的声压即可诱发上丘响应，比传统超声视网膜刺激低两个数量级，且机械指数和空间峰值时间平均强度均符合FDA眼科设备安全标准。光声刺激的优势在于其空间连续性和光子多路复用潜力，有望同时实现高分辨率和大视野刺激。虽然视网膜机械敏感性的长期适应性仍需进一步研究，但本研究结果为开发创新性视觉修复策略奠定了基础，展示了光声视网膜刺激在治疗视网膜退行性疾病致盲方面的巨大潜力。