Presto nuovi metodi di cura fino a qualche anno fa considerati fantascientifici come la terapia genica, l'impianto di microchip retinici, il trapianto di cellule retiniche o le nanoparticelle saranno di uso comune in tutte le cliniche oculistiche del mondo per la cura delle malattie oculari. Le lenti elettroniche consentiranno, nel prossimo futuro, di interagire in prima persona in un monod di realtà espansa. L'Ottica Adattiva è già una realtà della ricerca clinica in Italia grazie al Dr. Marco Lombardo.

La Terapia Genica
La terapia genica è la procedura che consente di trasferire materiale genetico (DNA) allo scopo di prevenire o curare una malattia. Nel caso delle malattie genetiche, in cui un solo gene è difettoso o assente, la terapia genica consiste essenzialmente nel trasferire la versione funzionante del gene nell’organismo del paziente (generalmente impiegando come vettore un virus inattivo), in modo da rimediare al difetto. Una volta integrato nel genoma del paziente, il gene funzionante “deve sopravvivere abbastanza a lungo” per produrre quantità sufficienti di proteina rimediando al difetto genetico. In altre patologie si può invece voler uccidere in modo mirato le cellule patologiche. Solitamente questo approccio è molto diffuso nella terapia genica contro il cancro. Alcuni geni possono essere infatti trasferiti nelle cellule tumorali in modo da causare la morte delle cellule che li ricevono. Un’altra strategia ancora prevede il trasferimento di geni all’interno di cellule malate allo scopo di bloccare il meccanismo alterato che causa la malattia.
L’idea di base della terapia genica è semplice, tuttavia la sua realizzazione pratica è un vero e proprio percorso ad ostacoli.

Primi successi terapeutici della terapia genica in Oftalmologia
La prima applicazione della terapia genica in Oftalmologia è stata eseguita per la cura della Amaurosi Congenita di Leber, una grave patologia ereditaria (legata alla trasmissione del DNA mitocondriale) che conduce alla progressiva perdita del visus sin dall’età giovanile. Il gene coinvolto è chiamato RPE65 e controlla la produzione di un enzima responsabile del riciclaggio del retinolo, una sostanza chimica necessaria per catturare la luce. Se il riciclaggio del retinolo non avviene in maniera corretta, le cellule oculari fotosensibili esauriscono le proprie scorte e non svolgono più la loro funzione. A portare avanti le ricerche e la sperimentazione il Children Hospital di Philadelphia, dove sono stati eseguiti gli interventi, l'Istituto Telethon di Genetica e Medicina (Tigem), il Dipartimento di Oftalmologia della Seconda Università degli studi di Napoli ed altri istituti di ricerca americani. La parte italiana è stata finanziata da Telethon. L'intervento è stato eseguito con l'iniezione nello spazio sottoretinico dell'occhio di un vettore virale contenente la versione sana del gene alterato, che si è inserito stabilmente nella retina e ha prodotto la proteina mancante negli individui malati. I risultati sono stati pubblicati sul New England Journal of Medicine (N Engl J Med 2008. 22; 358: 2240-2248): i pazienti hanno dimostrato un miglioramento del campo visivo e della sensibilità della retina alla luce. Inoltra, non sono stati segnalati effetti avversi (tuttavia i pazienti trattati sono stati solo 4).
Contemporaneamente, lo stesso intervento è stato portato avanti dall’University College of London su tre pazienti, dimostrando gli stessi risultati come pubblicato sulla rivista New England Journal of Medicine (N Engl J Med 2008. 22; 358: 2231-2239).

Prossimo Futuro
Potrebbe essere la terapia genica l'arma per curare la degenerazione maculare legata all’età (AMD).
Sta per partire, infatti, alla Oregon Health and Science University, la prima sperimentazione che sfrutta la terapia genica per trattare la forma neovascolare della malattia, che affligge milioni di persone nel mondo.
Lo studio multicentrico si baserà sul gene PDEF (Pigment Epithelium Derived Factor) coinvolto nella produzione di una proteina che regola la formazione dei vasi sanguigni. Nei pazienti con degenerazione maculare questa proteina non è espressa in quantità sufficiente per prevenire una proliferazione incontrollata dei vasi sanguigni dell'occhio, che porta ad una grave riduzione dell’acuità visiva. Lo scopo della ricerca (in fase I) è di aumentare il livello della proteina iniettando nel bulbo oculare il gene PDEF, utilizzando come vettore un adenovirus inattivo (incapace di replicarsi). Gli esperimenti condotti sugli animali hanno già dimostrato che questa tecnica è efficace e sicura.

Retina Artificiale
L’impianto retinico o retina artificiale ha lo scopo di “rimpiazzare” le cellule retiniche fotorecettoriali danneggiate, così da ripristinare un’adeguata sensazione luminosa. Schematicamente un impianto retinico consta di una griglia di micro-elettrodi (fotorecettori artificiali) che vengono attivati dalla stimolazione luminosa e danno così via all’attivazione del segnale luminoso che percorre la fisiologica via ottica fino alla corteccia visiva.

Le cellule della retina convertono il segnale luminoso in impulsi elettrici che sono inviati alla corteccia visiva tramite le vie ottiche. Patologie retiniche, come la degenerazione maculare o le retinopatia pigmentosa, colpiscono le cellule fotorecettoriali riducendo drasticamente la capacità visiva della persona. L'impianto retinico è costituito da una griglia di microelettrodi che sostituiscono le cellule fotorecettoriali danneggiate.

 

Dai primi impianti del 2002 con appena una decina di elettrodi (protesi retinica Argus I), ad oggi, si stima una crescita esponenziale nell’assemblaggio di protesi retiniche con sempre più numerosi fotorecettori artificiali nel prossimo decennio. Tuttora però gli impianti retinici non sono in commercio ma vengono impiantati all’interno di rigidi protocolli sperimentali. Al momento, sono in scorso numerosi progetti in tutto il mondo per la sperimentazione di protesi visive. In alcuni di essi si è già arrivati a innestare le protesi negli occhi di pazienti affetti da Retinopatia Pigmentosa per un periodo di tempo prolungato (Argus I).

Nel 2002, il primo impianto retinico con 16-elettrodi, ha reso possibile a 6 persone cieche, a causa della retinopatia pigmentosa, di poter vedere la luce e percepire il movimento. Nel prossimo futuro, l'incremento del numero di elettrodi per impianto potrà sicuramente essere benefico per migliaia di persone inabili a causa della vista. Attualmente sono in fase di studio sull'uomo protesi retiniche con 60 elettrodi: lo studio è interamente condotto in Europa.

Trapianto di cellule Retiniche
Le degenerazioni retiniche, ereditarie o acquisite, rappresentano la principale causa di cecità legale nel mondo industrializzato. Tutte le forme degenerative della retina hanno in comune il processo fisiopatologico che porta alla morte cellulare. La degenerazione dei fotorecettori ha, infatti, inizio dal segmento esterno (quello che contiene i pigmenti retinici e dove ha inizio il processo della fototrasduzione), mentre il segmento interno (quello che contiene il nucleo cellulare e la fibra di connessione alle cellule nervose della retina) è ancora vitale. In linea teorica è, quindi, possibile riparare il danno in uno stadio precoce della malattia ed evitare che il processo degenerativo vada avanti. E’ stato anche dimostrato sperimentalmente come la retina adulta abbia comunque una capacità di generare nuove connessioni tra le cellule sane superstiti, per cui anche un intervento ad uno stadio tardivo della malattia, ripristinando un certo numero di cellule retiniche sano, potrebbe essere, in teoria, in grado di dare inizio ad un “ripopolamento” della retina.
Recentemente è stato dimostrato come cellule fotorecettoriali fetali possano essere impiantate con successo nella retina adulta. Questi fotorecettori hanno dimostrato di poter creare connessioni sinaptiche e migliorare la funziona visiva in topi adulti in cui la retina era stato precedentemente danneggiata. La popolazione di cellule fotorecettoriali fetali è stata impiantata nello spazio sottoretinico, cioè sotto i fotorecettori danneggiati. Dagli studi sono emerse interessanti conoscenze come quella che rende possibile la funzione e la vitalità dei fotorecettori solo se questi sono stati impiantati con la giusta orientazione (cioè con i segmenti esterni rivolti verso l’Epitelio Pigmentato Retinico ed i segmenti interni verso le Cellule Bipolari neuronali).
Un’altra via per rallentare o arrestare la progressione delle degenerazioni retiniche potrebbe essere quella di impiantare le cellule dell’Epitelio Pigmentato Retinico (EPR). Queste cellule risiedono a stretto contatto con i segmenti esterni dei fotorecettori, tanto che costituiscono un’unica unità morfo-funzionale. E’ stato ampiamente dimostrato come senza le cellule dell’EPR il fotorecettore non possa sopravvivere e cade velocemente nel processo degenerativo. La funzione dell’EPR è quella di regolare il normale turn-over dei segmenti esterni dei fotorecettori, fagocitando i segmenti esterni invecchiati o non funzionanti. Sono stati eseguiti vari studi di impianto di cellule dell’EPR nei topi adulti, in conigli e nelle scimmie, dimostrando una lunga vitalità degli aggregati cellulari (oltre sei mesi). Il problema principale sembra essere legato alla risposta immunitaria dell’ospite verso le cellule dell’EPR.
Queste ricerche sono condotte da ricercatori in vari Istituti nel mondo, come il Moorfields Eye Hospital di Londra, l’Univesrity College di Londra, l’Università di Washington, l’Università di Louisville, la Columbia University, il Karolinska Eye Institute di Stoccolma, etc.

Studi Futuri
La procedura di differenziazione delle Cellule Staminali adulte o embrionali in fotorecettori non è nota. La sfida futura è, quindi, comprendere i processi biochimici che possono guidare una cellula staminale a differenziarsi verso una cellula retinica specializzata, in modo da ottenere grandi quantità di fotorecettori utili per la cura delle degenerazioni retiniche.

Nanoparticelle
La Nanotecnologia è la scienza che studia i fenomeni dell’infinitamente piccolo: la radice Nano- deriva dal Greco antico è vuol dire piccolo; oggi, il termine è rivolto a tutti gli studi che riguardano fenomeni molecolari e interatomici: un nanometro (nm) corrisponde ad un miliardesimo di metro (m).
In Oftalmologia, la Nanotecnologia ha lo scopo di sviluppare ed applicare nuovi metodi di diagnosi e cura precoce, in uno stadio pre-sintomatico e pre-clinico, delle patologie oculari.
Ricerche sono condotte principalmente negli Stati Uniti rivolte allo sviluppo di nanoparticelle per la diagnosi e cura della Cataratta, del Glaucoma e della Degenerazione Maculare. Il Dr. Marco Lombardo è uno dei primi ricercatori al mondo ad aver applicato le tecniche di nanotecnologia allo studio del tessuto corneale ed è attualmente impeganto nello sviluppo di nuove cure nanotecnologiche per il cheratocono.

Sono in sede di sperimentazione numerosi tipi di nanoparticelle biocompatibili il cui prossimo impiego in Oftalmologia potrebbe essere quello di vettore di farmaci o coloranti. La nanoceria, ad sempio, è una nanoparticella di dimensioni tali da poter attraversare la barriera emato-retinica (simile in termini di impermeabilità alla barriera emato-cerebrale) e quindi essere disponibile a livello intraretinico o intraoculare: le sue dimensioni sono di 3-5 nm (considerate, per esempio, che un globulo rosso ha una dimensione di 7500 nm!) e se opportunatamente ingegnerizzato può penetrare all’interno delle cellule per trasportare farmaci.
E’ facile prevedere come tali caratteristiche rendano la nanoparticella il vettore ideale del prossimo futuro per la veicolazione di farmaci in settori oculari oggi difficilmente raggiungibili, come ad es. gli ascessi intracorneali o la degenerazione primitiva dei fotorecettori.
In più, nanoparticelle “colorate” possono essere impiegate per evidenziare agli stadi più precoci alterazioni della retina, del nervo ottico o del cristallino.

Il Dr. Marco Lombardo è impegnato in una ricerca che mira allo sviluppo di nanoparticelle per la cura del cheratocono.

Lenti Elettroniche
Il prototipo degli occhiali elettronici, presentato sulla rivista PNAS (2006, vol. 103, n. 16), è stato messo a punto dagli oculisti e dai bioingegneri dell’Università dell’Arizona, coordinati dal Prof. Nasser Peyghambarian, in collaborazione con la PixelOptics; la sua versione più aggiornata potrebbe essere pronta per l’immissione in commercio nel giro di due-tre anni.
Secondo quanto illustrato nell’articolo, la tecnologia utilizzata è simile a quella degli schermi dei televisori, con qualche specifico accorgimento tecnologico. In pratica, uno strato di cristalli liquidi viene incapsulato tra due lenti e al suo interno viene fatta passare una corrente elettrica - a bassissimo voltaggio e con intensità diverse - che permette di mettere a fuoco le immagini poste vicino come quelle a distanza in una frazione di secondo, in modo automatico e appena percepibile dall’occhio umano. La messa a fuoco per vicino è resa possibile grazie ad un dispositivo di "autofocus" simile a quello utilizzato dalle moderne telecamere digitali compatte. Tecnicamente il cambiamento di fuoco automatico è assicurato da passaggio di corrente a voltaggio variabile, reso a sua volta possibile da un fascio di minielettrodi trasparenti disposti ad anello ai bordi di ogni lente, rendendo questa lente ibrida simile ad una lente di Fresnel.

Il prototipo di occhiali con lenti a cristallo liquido

Inoltre, per prevenire possibili rischi derivanti da una mancanza improvvisa di corrente elettrica (per esempio, quando si è alla guida di un’automobile) le lenti, che traggono energia da una mini-pila, sono predisposte in modo tale da escludere la messa a fuoco automatica in caso di blackout e da diventare, almeno all’apparenza, lenti normali con un solo tipo di visione possibile (quella da lontano). Le nuove lenti potrebbero rivoluzionare completamente l’approccio alla correzione ottica della presbiopia. L’unico neo ancora è l’aspetto estetico della montatura disegnata per sorreggere le lenti ibride, molto simile all’occhiale per la prova lenti che comunemente usano gli oculisti!

I ricercatori dell’Università di Washington sono riusciti ad integrare un circuito elettronico ed un diodo direttamente su una lente a contatto.
Nel prossimo futuro, grazie a questo studio, potrà diventare realtà avere delle applicazioni con video e immagini non presenti nel mondo esterno ma sovrapposti ad esso (Augmented Reality: come previsto dai film di fantascienza Robocop o Terminator!), sfruttando i circuiti elettronici stampati su un nanostrato di metallo.  

Il prototipo delle lente a contatto elettronica

Gli usi di una tale tecnologia potranno essere molteplici: da quelli clinici al fine di migliorare l’autonomia delle persone ipovedenti, a quelli sociali per autisti, piloti etc, a quelli ludici ad esempio per navigare sul web o inviare e ricevere e-mail, creare nuovi video-giochi.
Il prototipo di lente a contatto elettronica contiene un micro-diodo a luce rossa ed è stato sperimentato sul coniglio, non dimostrando alcun effetto avverso. La via per raggiungere l’uso nell’uomo è ancora lunga, in quanto se da un lato le lenti a contatto sono materiali altamente sicuri e ben tollerati dall’occhio umano, lo stesso non si può dire per i processi di fabbricazione dei circuiti elettronici, che richiedono l’uso di prodotti chimici potenzialmente tossici e materiali inorganici. Non ultima la difficoltà di alimentare la lente a contatto elettronica, magari impiegando delle micro-celle solari impiantate direttamente sulla lente stessa.

Il prototipo di una lente intraoculare (IOL) a cristalli liquidi è stato prodotto dai ricercatori olandesi della Electronic Instrumentation, coordinati dal Dr. Gleb Vdovin, in collaborazione con la OKO Technologies, azienda olandese leader nel settore delle applicazioni opto-elettroniche in biomedicina in Europa. Il prototipo consiste di un cristallo liquido nematico posto tra due vetrini, impiegati per correggere il defocus iniziale, su cui sono montati gli elettrodi trasparenti. Modificando l'ampiezza e la frequenza della corrente elettrica - a bassissimo voltaggio - è possibile modificare la messa a fuoco della IOL per migliorare la visione per vicino.

Foto e disegno del prototipo di lente intraoculare a cristallo liquido; in basso il modello 3D di una lente intraoculare impiantabile con controllo remoto wireless integrato

I primi esperimenti hanno dimostrato come questa tecnologia sia in grado di modificare il potere focale della IOL elettronica fino a +3 diottrie, mediante un controllo wireless. Queste proprietà rendono la IOL elettronica tra le applicazioni di maggior beneficio nel prossimo futuro per la correzione della presbiopia dopo chirurgia della cataratta. E' anche possibile prevedere come la tecnologia dei cristalli liquidi applicata alle IOL possa anche incrementare la performance visiva, riducendo al minimo le aberrazioni ottiche di alto ordine dopo la chirurgia.