Nowe urządzenie pozwala osobom z niedosłuchem słyszeć dźwięki za pomocą impulsów światła Finansowani ze środków UE badacze zapoczątkowali rozwój technologii laserowych implantów, która może zwiększyć możliwości tradycyjnych, działających w oparciu o stymulację elektryczną implantów ślimakowych w zakresie przywracania słuchu. Zdrowie © Mark Fretz Niemal 70 milionów dorosłych mieszkańców Europy cierpi na niedosłuch na tyle głęboki, że negatywnie wpływa on na jakość ich życia. Przewiduje się, że do 2025 roku liczba ta wzrośnie do 90 milionów. Implanty ślimakowe, które są urządzeniami wszczepianymi podczas operacji chirurgicznych, dowiodły już, że mogą zmienić życie pacjentów z niedosłuchem. Tradycyjne implanty ślimakowe przesyłają sygnał do wiązki elektrod umieszczonych w ślimaku ucha wewnętrznego, które następnie stymulują nerw słuchowy za pomocą impulsów elektrycznych, sprawiając, że przesyła on sygnały do mózgu. Możliwości stymulacji elektrycznej są jednak pod wieloma względami ograniczone, głównie z powodu kształtu ślimaka, który utrudnia precyzyjne ukierunkowanie pola elektrycznego w wybranym obszarze. Uczestnikom finansowanego przez UE projektu ACTION (Active implant for optoacoustic natural sound enhancement) udało się jednak sprostać wyzwaniom związanym z ograniczeniami przestrzennymi w kontekście implantów ślimakowych działających w oparciu o stymulację elektryczną. Naukowcy opracowali jednokanałowe urządzenie optyczno-akustyczne, które może odciążyć ucho zewnętrzne i zapewnić pacjentom większą swobodę. Słuchając światłem W ramach prac nad projektem ACTION wykorzystano odkrycie, iż pulsujące podczerwone światło laserowe może wywołać wrażenia słuchowe w komórkach rzęsatych. „Wykorzystaliśmy światło laserowe, aby stworzyć falę dźwiękową w płynie wypełniającym ślimak” – wyjaśnia koordynator projektu, Mark Fretz. „W przeciwieństwie do tradycyjnych implantów, których działanie polega na wytwarzaniu prądów elektrycznych, stymulacja optyczno-akustyczna opiera się na zdolności prawidłowo funkcjonujących komórek rzęsatych do przekształcania fal dźwiękowych w sygnały elektryczne”. Zadaniem światła laserowego jest stworzenie przemieszczającej się w obrębie wypełniającego ślimak płynu fali dźwiękowej, która zapewni stymulację mikroskopijnych komórek rzęsatych. W odpowiedzi komórki te generują sygnał elektryczny, który przez nerw słuchowy dociera do mózgu i jest tam odbierany jako dźwięk. Źródłem światła do stymulacji optycznej jest laser o emisji powierzchniowej z pionową wnęką rezonansową (Vertical Cavity Surface Emitting Laser, VCSEL) o optymalnej sprawności całkowitej w zakresie podczerwonej części widma. Ponieważ światło o dużej intensywności z większym prawdopodobieństwem wygeneruje słyszalny dźwięk w płynie wypełniającym ślimak, partnerzy projektu zaprojektowali nową, ultracienką soczewkę wykonaną z silikonu, która kolimuje wiązki światła emitowane przez VCSEL. Laser VCSEL został hermetycznie zamknięty w biokompatybilnej, szafirowej obudowie, która chroni urządzenie przed działaniem płynów ustrojowych i nie dopuszcza do kontaktu toksycznych materiałów z organizmem. Badacze biorący udział w projekcie ACTION wybrali szafir ze względu na jego stabilność biologiczną, biokompatybilność, wyjątkowo niską przepuszczalność pary wodnej oraz przezroczystość niezbędną dla prawidłowej pracy urządzenia. Ponadto opracowano biokompatybilne, elastyczne podłoże, które pomieści metalowe przewody łączące laser VCSEL ze źródłem zasilania. Specjalnie zaprojektowane powłoki przeciwporostowe skutecznie zahamują wzrost tkanki na szafirowej obudowie. Porastająca obudowę tkanka pochłaniałaby światło emitowane przez laser VCSEL, zmniejszając tym samym wydajność urządzenia. Optymalizacja funkcjonalności Nowo zaprojektowane miniaturowe urządzenie wielkością odpowiada standardowemu złączu w laptopie. Urządzenie następnej generacji będzie w stanie dokonywać pomiarów uzyskanego za pomocą stymulacji optyczno-akustycznej zespolonego potencjału czynnościowego (CAP). „Po raz pierwszy w historii udało się wygenerować potencjał CAP z wykorzystaniem źródła światła umieszczonego w całości w ślimaku, który nie został poddany żadnej ingerencji chirurgicznej” – wyjaśnia Fretz. „Do tej pory uzyskanie potencjałów CAP w ślimaku wymagało wykorzystania zewnętrznych źródeł światła połączonych z włóknem światłowodowym lub optogenetycznie zmodyfikowanych komórek”. Zanim możliwe będzie wdrożenie nowych systemów, naukowcy muszą jeszcze stawić czoła szeregowi wyzwań. Należy do nich dalsza miniaturyzacja szafirowej obudowy w celu umieszczenia jej głębiej w ślimaku. Ponadto konieczne jest co najmniej dwukrotne zmniejszenie ilości energii zużywanej przez urządzenie, aby osiągnąć optymalny okres użytkowania urządzenia przed ponownym ładowaniem baterii. Nowe urządzenie opracowane w ramach projektu ACTION wymaga obecności komórek rzęsatych w ślimaku. Pacjenci, u których w określonych obszarach nie stwierdzono obecności prawidłowo funkcjonujących komórek rzęsatych, być może będą mogli w przyszłości korzystać z tradycyjnego implantu ślimakowego i implantu laserowego zintegrowanych w pojedyncze urządzenie. Słowa kluczowe Głuchy, implanty ślimakowe, ACTION, optyczno-akustyczny, wzmacnianie dźwięku, światło laserowe
