Investigation of animal models and surgical techniques for development of retinal prosthesis

Abstract

본 연구진은 액정폴리머 기반의 일체형 인공망막장치를 개발하였는데, 이는 세라믹 또는 금속으로 만들어진 기존의 신경보철장치에 비해 얇고 가볍다는 장점이 있다. 그러나 인공망막장치 체내 삽입술은 고난위도의 수술기법을 요구하므로, 장기간 체내 안전성을 확보하기 위한 수술기법을 확립하기 위해서는 아직 많은 노력이 필요하다. 본 논문에서는 동물실험을 통해 액정폴리머 기반의 인공망막장치의 장기간 안전성을 최적화하기 위한 수술기법을 개발하고자 하였다. 예비연구에서 프로토타입 인공망막장치를 2마리의 토끼에 삽입하였다. 전극은 맥락막상강으로 삽입하고 시스템 패키지는 두개골 위에 장착하였다. 전극과 패키지 사이의 연결부는 안와 주변의 조직을 박리한 뒤 측두근 아래로 통과시켰다. 삽입술은 합병증 없이 성공적으로 시행되었다. 수술 후 시행한 안저검사, 빛간섭단층촬영과 X-선 촬영에서도 안내출혈, 망막박리, 절개부 벌어짐, 장치 이탈 등의 합병증은 관찰되지 않았다. 다음으로 액정폴리머 기반의 인공망막장치의 형태를 개선하여 안구에 완전히 이식할 수 있도록 수정하고, 11마리의 토끼에서 삽입술을 시행하였다. 전극은 맥락막상강으로 삽입하고, 패키지는 공막에 고정하였으며, 전극과 패키지 사이의 이행부는 공막에 고정하였다. 삽입술은 9마리(81.8%)에서 합병증 없이 성공적으로 이루어졌다. 그러나 2마리(18.2%)에서는 전극삽입 중 시신경 손상 및 망막 열공의 합병증이 발생하였다. 술 후 적어도 3개월동안은 10마리(90.9%)에서 인공망막장치가 체내에서 안정적으로 유지되었다. 그러나 3개월 후 9마리(81.8%)에서 패키지 또는 이행부를 덮은 결막의 미란 또는 벌어짐이 확인되었다. 그러나 이와 관계없이 맥락막상강에 삽입된 전극은 술 후에도 부작용 없이 안정적으로 유지되었다. 본 연구를 통해 수술기법 또는 장치의 형태와 관련된 몇몇 문제를 확인하였고, 추후 기술적인 개선책으로 인공망막장치 체내 삽입술의 장기간 안전성을 향상시킬 수 있을 것으로 기대한다. 또한 궁극적으로 사람에서 안전하게 인공망막장치를 삽입할 수 있는 수술기법 개발의 디딤돌이 될 것으로 기대한다.

사람과 동물모델을 기반으로 많은 연구들이 이루어져왔지만, 망막변성질환의 병태생리는 아직 명확히 밝혀지지 않았다. 생체내 망막의 구조적 변화에 대한 연구는 망막변성질환의 발병 및 진행을 이해하는데 중요하다. 근래에 빛간섭단층촬영은 망막 구조에 대한 생체연구에서 가장 유용한 검사법이지만, 아직 망막변성질환에서 비정상적인 빛간섭단층촬영 소견에 부합하는 해부학적 소견에 대해서는 명확히 알려지지 않았다. 본 논문에서는 유리체강내 요오드산나트륨을 주입한 토끼 망막변성모델에서 망막전위도 검사결과로 뒷받침되는 빛간섭단층촬영에서의 병적 변화에 부합하는 해부학적 소견을 분석하고자 하였다. 20마리의 토끼를 5마리씩 4군으로 나누어, 각 토끼의 단안에 요오드산나트륨을 군별로 0.1, 0.2, 0.4, 또는 0.8mg을 유리체강내 주입하였다. 투여 전 및 투여 후 28일 동안 각 토끼는 안저검사, 빛간섭단층촬영, 망막전위도 및 조직학적 검사를 시행하였다. 요오드산나트륨 0.2mg 군에서는 빛간섭단층촬영상 외경계막 소실 및 경도의 불분명한 타원체구역의 소견이 일시적으로 관찰되었으나, 조직학적 검사에서는 명확한 변화는 확인되지 않았다. 망막전위도 검사상 초기의 일시적인 a-파와 b-파의 감소는 투여 후 28일경에는 완전히 회복되었다. 0.4mg 군에서는 투여 후 1일째부터 빛간섭단층촬영상 외경계막 및 타원체구역이 소실되었지만, 초기 조직학적 검사에서는 빛수용세포의 핵, 내절 및 외절의 층판 구조는 비교적 유지되고 경도의 외절 및 내절의 구조적 손상만 관찰되었다. 이후에는 빛간섭단층촬영 및 조직학적 검사상 외망막층의 손상은 진행되어, 투여 후 28일경에는 빛수용세포는 완전히 소실되었다. 망막전위도 검사에서는 경과관찰 기간 동안 심한 a-파 및 b-파의 진폭의 감소가 지속되었다. 결론적으로 본 논문에서 빛간섭단층촬영은 조직학적 검사상 명확한 해부학적 변화가 나타나기 이전에 빛수용세포의 초미세구조의 변화를 초기에 확인할 수 있었다. 또한 빛간섭단층촬영상 외경계막 및 타원체구역의 손상 정도로 빛수용세포가 손상된 정도를 예측할 수 있었다.

Our group has developed and manufactured a seamless liquid crystal polymer (LCP)-based monolithic retinal prosthesis. This device is thin and light which is superior to other prosthetic devices made of ceramic or metal. However, the establishment of reliable and reproducible surgical procedures ensuring the long-term safety of the prosthesis remains a challenge. In the first section of this dissertation, the reproducible surgical techniques were developed to optimize the long-term safety of implantation surgery of our LCP-based retinal prosthesis by in vivo experiments. In the pilot study, 2 eyes of 2 New Zealand white rabbits were operated to implant the prototype LCP-based prosthetic device. The electrode array was inserted into the suprachoroidal space and the system package was anchored on the skull. The interconnection cable was passed through the tunnel under the temporalis muscle. The implantation surgery was successfully performed without any complications. No postoperative complications were detected including intraocular hemorrhage, retinal detachment, wound dehiscence and displacement of the device under fundus examination, optical coherence tomography (OCT) images and x-ray. Next, our group has modified the device to implant the device in the eyeball as a whole. Eleven rabbits were operated for the implantation of totally implantable prosthetic device. The electrode array was inserted into the suprachoroid space and the package was fixed onto the sclera under the conjunctiva. The transition part between the electrode array and package were anchored onto the sclera. The surgical procedures for implantation of the entire system were easily performed in nine eyes (81.8%) without any intraoperative complications. In the other two eyes (18.2%), surgical complications related to electrode insertion, including optic nerve damage and retinal tear, arose. In 10 eyes (90.9%), the devices were well tolerated for at least 3 months. However, in most eyes (nine

81.8%), two complications began to appear after 3 months, postoperatively, including conjunctival erosion or dehiscence over the package or transition part. The electrode arrays were maintained safely in the suprachoroidal space after surgery without any complications, regardless of the status of the extraocular components in all cases except two intraoperative complications. Although issues related to surgical technique or device configuration were identified, further technical solution would improve the long-term safety of device implantation. Finally, these experiments would provide a stepping stone to achieve the safe and reproducible surgical techniques for human in the future.

Despite many studies in human and animal models, the pathophysiology of retinal degenerative diseases is not still clear. In vivo evaluation of the structural changes of retina is important for understanding the development and progression in retinal degenerative diseases. Currently, OCT is the most useful tool for in vivo evaluation of the retinal architecture. However, information is still lacking on the anatomic correspondences with abnormal OCT features in eyes with retinal degenerative diseases. In the second section of this dissertation, the anatomic correlates with pathologic OCT features were investigated supported by electroretinography (ERG) findings in experimental retinal degeneration model induced by intravitreal sodium iodate (NaIO3) administration. Twenty rabbits were underwent unilateral intravitreal injections of four different NaIO3 doses: 0.1, 0.2, 0.4 or 0.8mg (n=5 for each dose). Comprehensive ophthalmic examinations were performed including fundus examination, OCT, ERG and histologic analyses from baseline to 28 days after NaIO3 administration. In the 0.2-mg group, there were transient changes of outer retinal layers on OCT, including an indistinguishable external limiting membrane (ELM) and slightly obscure ellipsoid zone (EZ) without significant changes in the histologic sections. In addition, there was transient reduction of a- and b-wave amplitudes followed by complete restoration at day 28. In the 0.4-mg group, the EZ and ELM became completely indistinguishable as early as day 1, whereas the histologic analysis showed only slightly disorganized photoreceptor inner and outer segments (IS and OS) with relatively preserved overall laminations of photoreceptor cell nuclei, IS and OS. Damage to outer retinal layers progressed in both the OCT and histologic analyses, leading to complete loss of photoreceptors by day 28. Extreme reduction of the a- and b-wave amplitudes persisted throughout the study. In conclusion, OCT can reflect early ultrastructural changes of photoreceptors manifesting as disrupted EZ and ELM prior to overt morphologic changes in histologic sections. In addition, the degree of changes in the EZ and ELM on OCT might predict the severity of impairment of photoreceptors.