AVANCES EN LA BIOELECTRÓNICA

OCULAR

Trabajo 2

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Contenido

1 Composición del ojo .................................................................................... 3

2 Implante retinal ............................................................................................ 6

ARGUS I ......................................................................................................... 6

ARGUS II ........................................................................................................ 8

ARGUS III ....................................................................................................... 9

3 Implante cortical visual .............................................................................. 10

4 Implante celular en la córnea .................................................................... 11

5 Córnea biosintética ................................................................................... 12

6 El futuro de la bioelectronica ocular .......................................................... 14

Implantes en el nervio óptico ........................................................................ 14

Ojo biónico .................................................................................................... 14

Implantes de nanotecnología ........................................................................ 15

Técnica ...................................................................................................... 15

La lentilla electrónica .................................................................................... 16

Técnica ...................................................................................................... 17

Construcción ............................................................................................. 17

7 Bibliografía ................................................................................................ 19

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1 Composición del ojo

El ojo es el órgano base del sentido de la vista. Detecta la luz y la descompone en impulsos eléctricos que envía al cerebro.

Las partes del ojo de las que vamos a hablar a lo largo del trabajo son: La Cornea Es la parte externa y frontal del ojo (donde se apoyan las lentillas), tiene una superficie curvada. Es transparente y es necesario que esta capa se mantenga así, de lo contrario sería una indicación de alguna enfermedad. Esta capa no tiene vasos sanguíneos pero sí muchas terminaciones nerviosas, lo que la hace muy sensible. La sensibilidad cornéal de cada persona es diferente, al colocar una lente de contacto hay quienes la notan como si fueran una pestañita en el ojo, otros como si fuera una piedra que no les deja ni abrirlo. Cumple la función de protección del ojo. La Retina Es la última capa del ojo antes de llegar al nervio óptico. Está formada por cinco tipos de células nerviosas. En ella se proyectan invertidas las imágenes y de ahí se trasmiten al sistema nervioso central. La retina está compuesta por la fóvea y la mácula. La Fóvea El punto de máxima visión de la retina, contiene la máxima concentración de

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conos en el ojo (5,000,000 de conos y casi ningún bastón) y es la responsable de la visión central. Cuando la luz entra en el ojo todos los medios transparentes la concentran para que, en condiciones normales, caiga en este punto y así conseguir la máxima visión. La Mácula Es una pequeña zona de la retina que no tiene vasos sanguíneos y que rodea a la fóvea. Con esta área vemos las cosas que queremos ver y apreciamos sus detalles, además también es la zona responsable de apreciar los colores y de la visión en condiciones de buena iluminación. El Nervio óptico Las células nerviosas de la retina, salen del ojo formando este nervio y llevando toda la información recibida por la retina al cerebro. El resto de parte de las que esta compuesto un ojo son: El Iris Es la membrana circular y de color, posee una apertura central de tamaño variable, la pupila. El iris regula la cantidad de luz que pasa por la pupila. La Pupila Es el agujero redondo en el centro del anillo del iris, a través del cual la luz pasa dentro del ojo. Si entra mucha luz en el ojo, la pupila se hace más pequeña (se contrae) y si entra poca luz en el ojo, la pupila se agranda (se dilata). El Humor acuoso Es el líquido transparente que hay en el la cámara frontal. Es el responsable del valor de La presión intraocular (PIO), es decir, la Presión del ojo, que en valores fuera de lo normal, puede ser uno de los factores de riesgo para desarrollar glaucoma. Humor vítreo Es un líquido gelatinoso y transparente que encuentra en la cámara posterior. Hace que se mantenga la forma del ojo y lo amortigua ante los golpes.

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La Conjuntiva Es una membrana viscosa que cubre, la parte externa del globo ocular y la parte interior del párpado por tanto(es la continuación de la cornea. Es una capa transparente que tiene vasos sanguíneos además de terminaciones nerviosas. Son estos vasos y esta capa los que se inflaman cuando se produce una irritación en el ojo. La Esclera Es la capa blanca y fuerte situada debajo de la conjuntiva (en la parte externa del ojo) y que cubre casi todo el globo ocular desde la córnea hasta el Nervio Óptico. Cuando el ojo está muy irritado puede verse mucho mejor sus vasos inflamados El Coroides Es la siguiente capa opaca concéntrica que está debajo de la esclera. El Cristalino Es una la lente, flexible y transparente que tenemos dentro del ojo, justo detrás de la pupila. Gracias a esta flexibilidad se producen constantemente modificaciones de la curvatura de ambas caras y con ello, hace que la luz que entra por la córnea, incida en la retina, es decir esta estructura nos permite enfocar objetos a distintas distancias debido a estos cambios de curvatura, haciéndose la lente más o menos abombada. Es la parte del ojo donde se desarrollan las cataratas debido a que el cristalino se vuelve opaco en vez de transparente. El Punto ciego Es un orificio por el que pasa el nervio óptico. En esta zona del ojo no hay células fotorreceptoras por lo que no hay visión.

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2 Implante retinal

ARGUS I

El Argus es una prótesis de retina de captura de imágenes. El dispositivo consiste en: una cámara y un microprocesador montados en unas gafas, un receptor que se implanta detrás de la oreja, una rejilla con 16 microelectrodos de platino (de entre 250 y 500 micrometros) que se implanta en la retina, y una batería sin cables colocada en un cinturón.

La cámara captura una imagen y envía la información al microprocesador, éste convierte la información recibida en una señal eléctrica y la transmite al receptor que envía señales sin cables a la rejilla de microelectrodos. Los electrodos en el implante descomponen las señales para crear una imagen en blanco y negro que es enviada por el nervio óptico hacia el cerebro que percibe patrones de puntos de luz y puntos negros correspondientes a los electrodos estimulados.

Array que se implanta en la retina

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Los pacientes aprenden a interpretar los patrones visuales producidos, que son solo puntos de luz o sombra. Puesto que los electrodos reciben las señales de la cámara y las transmiten directamente al nervio óptico, este dispositivo no sirve para cegueras causadas por daños en el nervio óptico.

Es importante recordar que lo que se reemplaza con el dispositivo electrónico son las capas externas de la retina, los fotoreceptores, por lo que este prototipo no sirve para solucionar todos los tipos de ceguera.

ENFERMEDADES PARA LAS QUE SE PUEDE UTILIZAR EL ARGUS

Los pacientes que pueden beneficiarse de este proyecto son los afectados de retinitis pigmentaria (RP) y degeneración macular asociada a la edad (DMAE).

La retinitis pigmentaria es una enfermedad progresiva que puede diagnosticarse durante la infancia. Se cree que es causada principalmente por mutaciones genéticas heredados de uno o ambos padres. Los genes no son capaces de dar las instrucciones correctas a las células fotoreceptoras, con lo que éstas producen una proteína incorrecta por lo cual no pueden funcionar adecuadamente. Se da 1 caso por cada 3.500 ó 4.500 individuos. Ocupa el quinto lugar entre las enfermedades hereditarias y es la cuarta causa más frecuente de ceguera en el mundo. En España se da en 1 de cada 2500-3000 recién nacidos vivos.

La DMAE es la pérdida de visión con la edad, se da entre el 2% y el 10% según la población estudiada, la definición de DMAE y el sistema de clasificación. Es la causa más importante de pérdida visual irreversible en España. El 3% de la población con DMAE no ve nada; el 17% ve luz sin distinguir objetos; y el 38% sólo percibe contornos.

En retinitis pigmentaria no existe tratamiento previo. En DMAE podría apoyar a la terapia fotodinámica utilizada en ocasiones para frenar la pérdida de visión.

El déficit visual es de los trastornos que más perturbaciones crea en la personalidad.

ESTUDIOS SOBRE LA SEGURIDAD DEL ARGUS

Se han evaluado principalmente la tolerancia de la retina a la cirugía necesaria para colocar el dispositivo y la interacción entre el tejido y el implante. Estos estudios no muestran signos de rechazo (reacción inflamatoria, neovascularización o encapsulación).

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Se implantó la prótesis, Argus I, a 6 pacientes de edades comprendidas entre 56 y 77 años todos ellos con retinitis pigmentosa entre 2002 y 2004. Argus I siempre se implantó en el peor de los ojos del paciente.

Las personas con el implante pueden ver percepciones de luz (puntos), pueden detectar la presencia o ausencia de luz ambiente, describir el movimiento de objetos, contar objetos individuales y localizar objetos en su entorno.

ARGUS II

Existe otro ensayo clínico de fase II del modelo Argus, el prototipo es más pequeño que el primero, con 60 electrodos en lugar de 16 y se ha rebajado el tiempo de la intervención quirúrgica de 6 horas que se tardaba en implantar el primer modelo, a 1 ó 2.

Para este ensayo se reclutaron entre 50-75 pacientes para evaluar la utilidad y seguridad clínica en un mayor número de pacientes. En la actualidad sólo 2 pacientes continúan con el implante siendo los resultados similares a los del Argus I con una mejora de resolución de la imagen (mas puntos de luz o de oscuridad) al tener más electrodos por lo que los pacientes son capaces de seguir una línea recta blanca pintada en el suelo.

Si se demuestra efectividad y seguridad, podría beneficiar a 25.000.000 personas total o parcialmente ciegas por enfermedades como RP y DMAE, por lo que podría introducirse paulatinamente en el mercado.

ARGUS III

El tercer ensayo de este prototipo consta de máya para ensayos preclínicos.

El nuevo diseño está hecho con nuevos materiales y la placa de electrodos es 4 veces más compacta.

Según los investigadores, la cámara es pequeñísima y utiliza muy poca energía por lo cual puedemovimiento del ojo hacia donde la cámara está ubicada.

El objetivo de Argus es poder llegar a usar el dispositivo en otras enfermedades oculares.

16 electrodos

El tercer ensayo de este prototipo consta de más de 200 electrodos y está listo ya para ensayos preclínicos.

El nuevo diseño está hecho con nuevos materiales y la placa de electrodos es

Según los investigadores, la cámara es pequeñísima y utiliza muy poca energía por lo cual puede ser colocada dentro del ojo y unir el movimiento del ojo hacia donde la cámara está ubicada.

El objetivo de Argus es poder llegar a usar el dispositivo en otras enfermedades oculares.

200+ electrodos 1000 electrodos

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s de 200 electrodos y está listo

El nuevo diseño está hecho con nuevos materiales y la placa de electrodos es

Según los investigadores, la cámara es pequeñísima y utiliza muy ser colocada dentro del ojo y unir el

El objetivo de Argus es poder llegar a usar el dispositivo en otras

1000 electrodos

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3 Implante cortical visual

El implante cortical es un implante en el córtex cerebral del que sale a través del cráneo un cable conector, además de estos dos componentes tiene también un procesador de señales y unas gafas con una microcámara.

La cámara colocada en las gafas captura la imagen, el procesador la transforma en señales eléctricas comprensibles para el cerebro que le llegan a través del cable colector al implante cortical propiamente dicho, que en función de la señal recibida estimula de una forma o de otra el córtex.

Para realizar este implante el paciente debe pasar por una cirugía complicada que podría poner en peligro la calidad de vida del paciente que de no ser por la ceguera gozaría de buena salud.

El precio actual ronda los 115.000 dólares lo que limita bastante su aplicación generalizada. El modelo sigue en pruebas y de momento, lo máximo que se ha conseguido es que los pacientes vean, como consecuencia de la estimulación cerebral, puntos de luz.

El número de personas que entran a formar parte de los ensayos clínicos es muy limitado ya no sólo por el precio sino por los efectos adversos que se dan: espasmos, temblores, naúseas e incluso ataques al recibir un exceso de estimulación.

Se trata de un dispositivo que además permitiría al sujeto usar un ordenador e incluso Internet, si se sustituye la cámara por un ordenador. El objetivo es ayudar a la integración de las personas ciegas en el ámbito laboral.

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4 Implante celular en la córnea

Un grupo de investigadores de la Universidad de Granada en el año 2010 está tratando de implantar una córnea de cerdo en el ojo humano. A esta cornea se le extraen las células, y se le incorporan para sustituirlas células madre humanas. Este método, conocido como descelularización y recelularización, permite mantener la estructura básica de la córnea y sustituir los componentes celulares.

El artículo en el que se recoge esta aportación ya ha sido publicado ‘on-line’ en la revista de investigación oftalmológica más importante del mundo, IOVS ‘Investigative ophtalmology and Visual Science’.

Los investigadores son los mismos que hace dos años crearon una córnea artificial con biomateriales diseñados por ellos que actualmente está preparada ya para iniciar el ensayo clínico.

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5 Córnea biosintética

Hace más de diez años se comenzaron a desarrollar córneas biosintéticas utilizando colágeno fabricado en el laboratorio y modelado para darle forma. Se trata de un hidrogel, o polímero que puede almacenar gran cantidad de agua.

El objetivo de la investigación fue diseñar, fabricar y caracterizar una córnea generada mediante técnicas de bioingeniería, basada en la red dual de hidrogeles. El resultado fue un disco con un centro idóneo, y pequeños poros poblando la periferia. Estos poros son el lugar donde las células del ojo se colocan para integrar la cornea artificial en el tejido natural del ojo. Una vez construidos los poros, las células se instalan en ellos y segregan colágeno. Incluso son capaces de remodelar dichos poros. El colágeno establece una unión en el borde del disco sintético, y forma así un empalme entre los tejidos naturales y los sintéticos. De este modo, una capa evidente de células epiteliales crece sobre el disco.

Después de años de pruebas exhaustivas, se realizó el primer implante de córnea biosintética en humanos.

Seis de los diez pacientes tratados experimentaron una mejora de la visión, y tras la aplicación de lentes de contacto, la visión era comparable a la obtenida tras un trasplante de córnea convencional con tejido de donante humano.

Se observó que las células y los nervios de las córneas de los pacientes iban creciendo dentro del propio implante, creando así una córnea regenerada con el aspecto de tejido sano y normal. Las córneas biosintéticas también se volvieron sensibles al tacto y comenzaron a producir lágrimas normales para mantener el ojo oxigenado.

Los pacientes no experimentaron ningún síntoma de rechazo, ni tampoco necesitaron inmunosupresión a largo plazo, dos efectos secundarios asociados al uso de tejido de donantes humanos.

Este material se llama Duoptix, y es puede hincharse hasta admitir un 80 por ciento de agua, la misma cantidad que aceptan los tejidos biológicos. Está hecho de dos redes entretejidas de hidrogeles. Una red, hecha de moléculas de polietileno glicol, resiste la acumulación de proteínas en la superficie y la inflamación. La otra red está hecha de moléculas de ácido poliacrílico, un pariente del material superabsorbente utilizado en los pañales. Es un material resistente y elástico, lo cual le permite sobrevivir a la sutura durante la operación. El hidrogel biocompatible es transparente y permeable a los nutrientes, incluyendo a la glucosa que es un nutriente vital para la córnea.

Este material podría representar una nueva esperanza para unos 10 millones de personas en todo el mundo que sufren de ceguera causada por enfermedades de la córnea o lesiones en la misma, y también para muchos millones más que sufren de miopía o hipermetropía por culpa de malformaciones de cornea.

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Los investigadores también trabajan para mejorar otras córneas artificiales de material similar al plástico y para crear tratamientos con células madre que podrían estimular el crecimiento de la córnea.

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6 El futuro de la bioelectronica ocular

Implantes en el nervio óptico

Hasta ahora los únicos casos de ceguera tratables son los que tienen el nervio óptico en perfectas condiciones. Ya que es el nervio el encargado de enviar la información desde el ojo hasta el cerebro, si no hay comunicación entre éstos, la ceguera es irremediable.

Se está estudiando la posibilidad de poner una prótesis en el nervio óptico cuando es la cabeza del nervio la que está estropeada. Esta investigación aun se encuentra en fase de desarrollo, y no se conoce todavía ningún resultado positivo.

Si hubiera avances en esta investigación serían tratables también el resto de tipos de ceguera que por ahora no pueden beneficiarse de los avances antes mencionados.

Ojo biónico

Se conoce como ojo biónico lo más conocido en la ciencia ficción como ojo de Terminator, un implante enteramente electrónico que sustituiría por completo al ojo. Este implante comunicaría directamente con el córtex cerebral y no habría necesidad de un nervio óptico sano.

Actualmente se está desarrollando en Australia y en EEUU.

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Implantes de nanotecnología

Se trata de técnica novedosa que todavía se encuentra en desarrollo.

Científicos del MIT han conseguido mediante técnicas de nanotecnología restaurar los nervios ópticos cortados o el tejido cerebral dañado, con péptidos, unas moléculas de 5 · 10���milímetros que consiguen que se restablezca la transmisión de los impulsos eléctricos al cerebro y con ello recuperar la visión.

Se estima que dentro de cinco años se realicen las primeras pruebas con humanos, de cualquier forma todavía se deben realizar exhaustivas pruebas para asegurarse que la técnica es lo suficientemente segura y eficaz y qué daños sería capaz de reparar.

Técnica

Para llevar a cabo las pruebas los científicos utilizaron hámsters jóvenes capaces de generar neuronas y adultos con nervios que habían dejado de crecer, a los que les provocaron ceguera realizando una incisión en el cerebro. Luego se les inyectó una solución con péptidos por la incisión realizada. Estas biomoléculas sintéticas se conectaron a los tejidos dañados de los hamsters, cuando llegaron al cerebro los péptidos formaron un tejido de nano fibras gelatinosa que provocó un crecimiento espontáneo de los nervios dañados; a las 24 horas de la intervención el cerebro comenzó a autoreparar los tejidos. De esta forma se consiguió que el 75% de los animales ciegos recuperasen la visión tanto en los jóvenes como en los adultos

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La lentilla electrónica

Estamos acostumbrados a ver películas de ciencia ficción donde se muestran técnicas inalcanzables en el mundo real, al menos a priori. Porque cada día la humanidad supera a la ficción y hacemos cierta la frase “nada es imposible”.

Y es lo que nos han demostrado un grupo de investigadores con un prototipo sencillo de una lente de contacto electrónica.

En el prototipo de esta lente se puede apreciar una minipantalla intraocular, cuyas imágenes se superponen a la imagen del mundo exterior.

Las posibles finalidades de esta pantalla virtual estarían en la utilización en conductores y pilotos que podrían leer ciertos datos sin descuidar el campo de visión, como navegador de internet donde solo el usuario vería su contenido, en el ámbito de los videojuegos donde los jugadores estarían inmersos por completo en un mundo virtual, o puede que un sistema como este llegue a permitir que personas con problemas de visión puedan ver mejor. Lo cierto es que podrían encontrarse muchas aplicaciones.

De momento este grupo de investigadores se está centrando en demostrar que esta tecnología es posible y asegurarse de un funcionamiento eficaz.

Ya ha sido probado en conejos durante veinte minutos sin que el animal mostrara efectos negativos. Todos los resultados obtenidos se presentaron en la Conferencia internacional sobre sistemas micromecanicos y microelectrónicos a principios de año, organizada por el IEEE.

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Técnica

El prototipo consiste en unas lentes de contacto electrónicas, compuestas por un circuito electrónico y varios diodos LED emisores de luz que permiten que las imágenes sean proyectadas directamente en los ojos sin que esto impida la visión.

Los ingenieros han diseñado la lente de tal forma que no se obstaculizaría la visión del portador, ya que el circuito está instalado en la zona transparente del ojo

La instalación sería tan sencilla para las personas como ponerse una lentilla y una vez puesta no se notaría su presencia.

Esta lente de contacto no efectúa ninguna corrección en la visión, pero la técnica podría ser usada en lentes de contacto correctoras

Construcción

La construcción de este tipo de lente no es sencilla debido a que deben ser seguros para el organismo. Las lentes de contacto tradicionales están hechas con materiales orgánicos flexibles delicados, pero, por el contrario, los circuitos electrónicos se hacen con materiales inorgánicos a altas temperaturas y con sustancias químicas tóxicas.

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Los investigadores construyeron el circuito a partir de una lamina de metal de tan solo unos nanómetros de espesor y sobre ella construyeron los diodos LED de un tercio de milímetro de anchura. Entonces espolvorearon los componentes electrónicos sobre una lámina de material plástico flexible. El ensamblaje de las piezas se realizó a través de una técnica de microfabricación conocida como autoensamblado que permite que la materia pueda controlarse de manera extremadamente precisa, así como superar las limitaciones de la miniaturización. Para la distribución de las piezas el autoensamblado se basa en las fuerzas capilares.

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7 Bibliografía

- Universidad de Washintong, http://uwnews.org/uwnhome.asp - MIT, http://web.mit.edu/ - Wikipedia, http://www.wikipedia.org/ - http://www.2-sight.com/ - http://www.technologyreview.com/

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