———————————————————————-Page10910-1810/06/\100/頁/JCLSらのグループによって,おもに網膜疾患の検査を目的としてコンタクトレンズ型電極を用いて経角膜で眼球を電気刺激した際のelectricalphospheneに関する数々の研究報告が行われた3~7).これら一連の研究から網膜色素変性症で失明に至った患者でも眼球への電気刺激によってelectricalphospheneが生じることが明らかになった.コンタクトレンズ型電極を用いた電気刺激では網膜全体に電流が拡散するため,electricalphospheneは視野全体に広がる.それに対し,直径数百マイクロメートル程度の単極電極を網膜に接触させ電気刺激を与えた場合,網膜が局所的に刺激されるため,被験者は1個の点状のelectricalphospheneを知覚することが知られている8).この刺激電極を多極化しそれぞれの電極で局所刺激を行うと,刺激部位に対応してelectricalphospheneが光の点の集まりとして知覚されるのではないかと考えられている.人工視覚ではテレビカメラなどを用いて体外の画像データを取得し,その情報をもとに刺激部位を多極電極で制御することで,パターン状のelectricalphospheneを生み出し簡単な文字や絵を表現することを目指している(図1).II人工視覚(arti?cialvision)の種類さまざまな方式の人工視覚が提案されており,それらは多極電極を埋植する部位によって分類することができる.現在のところ,網膜を刺激するタイプ(人工網膜,retinalprosthesis),視神経を刺激するタイプ(視神経はじめに網膜色素変性や加齢黄斑変性などの網脈絡膜変性疾患で,視細胞が変性し失明に至った場合,現在視力回復の手段は存在しない.遺伝子治療や,再生医療などの研究が精力的に行われているが,まだ臨床応用に至っていない.一方,網膜,視神経または大脳皮質への電気刺激によって生じる光覚を利用して,失われた視覚の再建を目指す人工視覚は,これらの疾患に対する有効なアプローチの一つとして期待されており,1日でも早い実用化を目指して,世界各国で精力的に研究開発が進められている.わが国においても2001年度より経済産業省(NEDO)と厚生労働省の連携国家プロジェクトとして人工網膜の研究が始まった.本プロジェクトでは大阪大学,名古屋大学,杏林大学,滋賀医科大学,奈良先端科学技術大学院大学,九州大学,(株)NIDEKが参加し,2011年の実用化を目指して研究開発を進めている.I人工視覚の原理被験者の視覚系伝導路の一部に電気刺激を与えると光感覚を生じる.これを電気閃光(electricalphosphene)とよぶ.Electricalphospheneの現象は古くから知られており,1755年にはLeRoyが眼球への電気刺激によるelectricalphospheneの報告を行っている1).その後,1960年代後半よりBrindleyによって大脳皮質を電気刺激した際に生じるelectricalphospheneの研究が行われた2).また同時期にPotts&Inoueらのグループや三宅(59)????*TakashiFujikado:大阪大学大学院医学系研究科感覚機能形成学教室〔別刷請求先〕不二門尚:〒565-0871吹田市山田丘2-2大阪大学大学院医学系研究科感覚機能形成学教室特集●網脈絡膜変性疾患のアップデートあたらしい眼科23(9):1169~1174,2006網脈絡膜変性疾患の治療に向けて:人工網膜??????????????????:?????????????????????????????????????????????????????????不二門尚*———————————————————————-Page2????あたらしい眼科Vol.23,No.9,2006刺激型人工視覚),そして視覚皮質を刺激するタイプ(皮質刺激型人工視覚)の3種類が提案されている9).原理的には視覚伝導路のどこを刺激してもelectricalphos-pheneが生じると考えられるため,上記のほか外側膝状体も刺激場所の候補としてあげられる9).人工視覚はその方式によって適応疾患や手術の安全性が異なる.たとえば,皮質刺激型人工視覚の場合,さまざまな疾患に対して適応が望めるものの,多極電極の埋植時に開頭術を要するため,手術の危険性やその後の感染症のリスクが高い.一方,人工網膜は装置の埋植手術の安全性は高いものの,網膜神経節細胞が変性している場合や視神経の機能が正常に保たれていない場合には,electricalphospheneを生み出すことができず,適応可能な疾患の範囲が限られる.III人工網膜(retinalprosthesis)の種類と開発状況人工網膜では,多極電極を網膜の近傍に設置して電気刺激を行う.前述のとおり刺激する電極の組み合わせを選ぶことによって,患者は文字などのパターンをちょうど電光掲示板のように複数の光点のパターンで知覚することができるのではないかと考えられている.人工網膜のシステム開発はまだ研究段階にあり,どのグループもいまだ臨床応用には至っていない.それは,実用化に向けて,クリアしなければならない安全面や機能面の課題が残っているためである.たとえば,手術時に電極で網膜を損傷させるリスクを極力抑えなければならない.そして大電流で生じる熱やpHの変動で生じる網膜損傷のリスクを抑えなければならない.また機能面の課題としては,刺激電極の改良や刺激方法の最適化を行うことで,解像度を上げる工夫が必要である.現在までに考案されてきた人工網膜は多極電極の埋植部位によってさらに網膜上刺激方式,網膜下刺激方式,脈絡膜上?経網膜刺激方式の3つの方式に分類できる(図2).次節ではそれぞれの方式について詳しく説明する.1.人工網膜の種類a.網膜上刺激方式これは,多極電極を網膜上(多極電極を網膜と硝子体の境界)に設置し網膜を刺激する方式である.多極電極は,網膜タックとよばれる小型の押しピンで網膜上に固定される.この網膜タックの先端は網膜を貫き強膜層まで到達する(図2A).1980年代後半にMichelsonやJuan&Humayunによって考案された網膜上刺激方式10,11)は,当初,撮像素子を多極電極と同一基盤内に組み込んだシステムを提案していた.しかし,この場合撮像面(硝子体側)と電極面(網膜側)が反対側を向くため,回路作製に非常に高度な技術を要する.その後多極電極,刺激回路,撮像素子などがそれぞれ分離されたシステムが提案された.2000年代に入りHumayunが率いる南カリフォルニア大のグループは人工内耳を改造して16極型の多極電(60)テレビカメラ強膜多極電極脈絡膜網膜図1人工視覚の想像図多極電極網膜タック網膜脈絡膜強膜ABC図2人工網膜の3つの方式A:網膜上刺激方式,B:網膜下刺激方式,C:脈絡膜上?経網膜刺激方式.———————————————————————-Page3あたらしい眼科Vol.23,No.9,2006????極を装備した網膜上刺激方式の人工網膜を試作した.このシステムを実際に網膜色素変性症患者に埋植し1年以上機能したとの報告を行った12).この人工網膜は内部装置と外部装置の2つの装置から構成されている.外部装置は,体外に設置され,外界の画像データを取得するテレビカメラと画像処理を施す回路などから構成される.内部装置は体内に埋植される装置で,刺激装置と多極電極を搭載し,外部装置から受け取った画像データを基に多極電極で網膜の神経細胞を電気刺激し興奮させ画像情報を脳へ伝える.外部装置と内部装置との間はコイルを用いた電磁誘導により画像データと電力の無線伝送が行われる.この内部装置では,多極電極のみ眼内へ埋植しそのほか刺激回路やコイルは眼外(側頭部の皮下)に埋め込む方式が採用されている.側頭部にコイルを設置することによってコイルサイズを大きく設計することができるため大電力供給が可能となる.いかにして電極本数を増やし自然な視覚に近づけるか,また手術手技が複雑なためそれをどのように改良していくかが今後の課題となっている.一方,Walterらのグループは,内部装置を完全に眼内へ埋植する方式を採用したシステムを開発した13).この内部装置ではコイルと刺激装置が前眼部に設置され体外装置から電力と画像情報を取得する.多極電極は黄斑付近の網膜上に網膜タックで固定される.この試作機を実験動物の眼球に埋植したところ,人工網膜による電気刺激で神経興奮を惹起することができたと報告している13).移植手術時に眼球への侵襲が大きいため,慢性埋め込みに向けてこれをどのように改良するかが今後の課題である.b.網膜下刺激方式これは,多極電極を網膜下(神経網膜と網膜色素上皮の境界)に埋植し網膜を刺激する方式である(図2B).網膜上刺激方式に比べて,多極電極の固定は比較的安定し網膜タックを必要としない.また,電極面で眼内入射光を受けることができるため,撮像素子と多極電極を同一基盤上に組み込むことが可能である.したがって,このシステムでは人工網膜で生み出した視覚が眼球運動に対して自然に対応できる.ただ,脈絡膜からの網膜への栄養輸送が電極で遮断されることによる網膜損傷が生じることが危惧される.Tassickerは1956年に発表した特許のなかで,光感受性をもつ物質を表面に塗布した金属片を網膜下に移植することによって眼内入射光に応じて網膜の神経細胞を刺激する手法を発表した14).この特許が網膜下刺激方式の原型となった.その後1991年には半導体シリコン基盤表面に複数のフォトダイオードを作製した人工網膜がChowによって考案された15).実現性の高いアイデアであったため,この特許をきっかけに1990年代に半導体シリコンを用いた網膜下刺激方式の人工網膜の研究がChowのグループやZrennerのグループによって精力的に行われた.この装置はASR(arti?cialsiliconretina)またはMPDA(micro-photodiodearray)とよばれ,これらは近年急速に発達した集積回路技術を応用することで直径2~3mmの円形の薄い基板上に撮像素子とそれに対応する刺激電極を数千組搭載することが可能である.しかし,動物実験による機能評価が進むにつれ,眼内入射光だけでは神経細胞を興奮させるのに必要な電力をまかなうのが困難であることが徐々に明らかになってきた.そこでZrennerのグループは体外装置から赤外線で電力供給を行うことによって不足分の電力を補う新しいMPDAの開発を進めている.このMPDAの場合,赤外線受光部と信号処理回路を増設しなければならないため必然的に内部装置のサイズが大きくなり,装置すべてを眼内に埋植することが困難となる.そこで,経硝子体経由にて人工的に網膜?離させた部位に装置を移植する従来の術式(ab-interno方式)の代わりに,強膜を貫通して経脈絡膜的に網膜下へアプローチする術式(ab-externo方式)が開発された.この手術を用いて多極電極と赤外線受光部のみ眼内へ,刺激回路の一部が眼外へ飛び出した形での埋植が可能となった.一方,これまで網膜上刺激方式の研究を進めてきたRizzo&Wyattのグループは最近方針を変更し,網膜下刺激方式による人工網膜の研究に着手した.彼らの提唱する人工網膜は,ChowやZrennerの網膜下刺激方式の人工網膜と異なり,撮像部分が体外に設置される11).体外装置で取得した画像データと駆動用電力はコイルを介して内部装置へ伝送される.内部装置中のコイルと刺激(61)———————————————————————-Page4????あたらしい眼科Vol.23,No.9,2006(62)ABCDBEFGHN1P1N1P1図3健常ラットとRCSラットにおける網膜組織,ERG,光刺激に対する上丘の誘発電位,STSによる上丘の誘発電位の比較ヘマトキシリン?エオジン染色による網膜切片の光顕像からRCSラットでは外顆粒層,視細胞内節,視細胞外節が消失していることがわかる(A:健常,B:RCS).健常ラットではフラッシュ光に対するERG(C)と上丘誘発電位(E)の反応が得られているが,RCSラットではERG(D)と上丘誘発電位(F)とも反応が得られなかった.STSに対する上丘の誘発電位は健常ラット(G)からもRCSラット(H)からも反応が得られた.OS:視細胞外節,ONL:外顆粒層,INL:内顆粒層,IPL:内網状層,GCL:網膜神経節細胞層,スケールバー:100?m(A,B).刺激強度10,30,60,80,100?A(G,H).矢印は刺激を与えた瞬間を表す.縦軸:20?V,横軸:100ms(C,D),縦軸:100?V,横軸:100ms(E,F),縦軸:100?V,横軸:20ms(G,H).———————————————————————-Page5あたらしい眼科Vol.23,No.9,2006????回路は眼外の強膜上に設置し多極電極部のみab-exter-no手術で網膜下へ挿入される.これにより,2次コイルの面積を大きく設計することができるため最大1mAの出力が可能である.すでに彼らは試作機を作製し動物実験で安全評価試験を進めている.2.脈絡膜上?経網膜刺激方式網膜上刺激方式と網膜下刺激方式は「多極電極が眼内に埋植され網膜に直接接触している」という特徴を有する.多極電極が接触した状態で網膜に電気刺激を行うことでより高解像度の画像を再現させることを目指している一方で,多極電極の埋植時に網膜へ損傷を与える危険性がある.この問題を解決できる可能性をもった網膜刺激方式として脈絡膜上?経網膜刺激方式(suprachoroidal-trans-retinalstimulation:STS方式)が田野らによって考案され17),わが国のプロジェクトにて研究開発が進められている.STS方式では,多極電極を眼球「強膜半層切除した部位」または「脈絡膜と強膜の間」に設置し,参照電極を硝子体内に設置する(図2C).そして,硝子体内に設置した参照電極との間で網膜を貫通するように刺激電流を通電する.多極電極が網膜と接触していない点および多極電極が眼外に設置される点がこの刺激法の大きな特徴である.多極電極が網膜と接触しないため,手術時の網膜への侵襲を低減できると期待できる.さらに,網膜貫通型の電流を用いるため,たとえ多極電極が網膜と離れていても効率的に局所刺激が可能になるのではないかと考えられる.また大きな多極電極を移植することができ広い視野を確保できる.全体のシステムとしてはHumayunのグループやRizzo&Wyattのグループのシステム同様,外部装置と内部装置の2つの装置から構成される.外部装置にはテレビカメラや信号処理回路が搭載され,内部装置には刺激回路や多極電極が搭載される.STS方式は,まだ基礎研究の段階であるが,これまでのいくつかの研究から徐々に有効性が示されてきている.たとえば,STS方式の機能評価を網膜色素変性症モデル動物(RCSラット)視覚中枢から行った結果,低い刺激強度で限局した誘発電位を惹起できることが確認された18)(図3).また,昨年学内倫理委員会の承認を経て2例の網膜色素変性のボランティアに対して急性臨床試験を行い,STS方式により限局したelectricalphos-pheneが得られ,2点弁別が可能であることを見出した19).今後,空間分解能などの機能評価や安全性に関して研究を進めていく予定である.おわりに現在開発が進められている人工網膜の電極数は多くても数十極である.そのため,これらが仮にうまく機能したとしても高い解像度は望むことがむずかしい.ただ,すでに実用化されている人工内耳においては,電極数は22極しかなく,埋め込み直後も患者は音声の認識率が低いものの,手術後長期間のリハビリテーションによって音声の認識率が飛躍的に伸びると報告されている.そのため,人工網膜埋め込み直後は再現できる視力は低くても,訓練やリハビリテーションによって視機能が高まっていくことも考えられる.また,今後人工網膜は,研究が進むことでより解像度を増した人工網膜が開発されていくことと思われる.近い将来人工網膜によって読書可能な程度の視機能を回復させることが可能となるかもしれない.文献1)LeRoyC:O?l?onrendcomptedequelquestentativesquel?onafaitespourgu?rirplusieursmaladiesparl??lec-tricit?.?????????????????????????????????????????60:87-95,17552)BrindleyGS,LewinWS:Thevisualsensationsproducedbyelectricalstimulationofthemedialoccipitalcortex.?????????194:54-55,19683)PottsAM,InoueJ,Bu?umD:Theelectricallyevokedresponseofthevisualsystem(EER).?????????????????7:269-278,19684)PottsAM,InoueJ,Bu?umD:Theelectricallyevokedresponse(EER)ofthevisualsystem.II.E?ectofadapta-tionandretinitispigmentosa.?????????????????8:605-612,19695)PottsAM,InoueJ:Theelectricallyevokedresponseofthevisualsystem(EER).3.FurthercontributiontotheoriginoftheEER.?????????????????9:814-819,19706)三宅養三,柳田和夫,矢ケ?克哉:EER(ElectricallyEvokedResponse)の臨床応用(I)正常者のEER分析.日眼会誌84:354-360,1980(63)———————————————————————-Page6????あたらしい眼科Vol.23,No.9,20067)三宅養三,柳田和夫,矢ケ?克哉:EER(ElectricallyEvokedResponse)の臨床応用II.杆体,錐体系視路障害疾患のEER.日眼会誌84:502-509,19808)HumayunMS,deJuanEJr:Arti?cialvision.???12(Pt3b):605-607,19989)WarrenDJ,NormanRA:HandbookofNeuroprostheticMethods.p261-302,CRCPressLLC,BocaRaton,Florida,200310)MichelsonRP:USPatent:4628933,198611)DeJuanEJr,HumayunMS:USPatent:5109844,199212)HumayunMS,WeilandJD,FujiiGYetal:Visualpercep-tioninablindsubjectwithachronicmicroelectronicreti-nalprosthesis.??????????43:2573-2581,200313)WalterP,KisvardayZF,GortzMetal:Corticalactiva-tionviaanimplantedwirelessretinalprosthesis.?????????????????????????46:1780-1785,200514)TassickerGE:USPatent:2760483,195615)ChowAY:USPatent:5024223,199116)KarcichKJ,BuckA,WyattJetal:Asystemforleakagetestingof?exibleelectroniccomponents.??????????????????????????45:E-Abstract4183,200417)田野保雄,不二門尚,福田淳:公開特許公報JP2004-57628A,200418)KandaH,SawaiH,MorimotoTetal:Electrophysiologicalstudiesofthefeasibilityofsuprachoroidaltransretinalstimulationforarti?cialvisioninnormalandRCSrats.?????????????????????????45:560-566,200419)KameiM,FujikadoT,KandaHetal:Suprachoroidal-transretionalstimulation(STS)arti?cialvisionsystemforpatientswithretinitispigmentosa.?????????????????????????47:E-Abstract1537,2006眼科学【監修】眞鍋禮三(大阪大学名誉教授)I.総論VIII.ぶどう膜XV.屈折・調節異常II.眼科診療室にてIX.水晶体XVI.光覚・色覚の異常III.眼瞼X.網膜硝子体XVII.全身疾患と眼IV.涙器(涙腺,涙道)XI.視路,瞳孔,眼球運動XVIII.眼のプライマリーケアV.結膜XII.眼窩XIX.眼治療学総論VI.角膜XIII.緑内障XX.付録VII.強膜XIV.斜視,弱視A.眼科略語集/B.眼科関連法律(法令)/C.リハビリテーション/D.主な眼科雑誌の紹介基礎と臨床との関連性を強く前面に打ち出し、単に眼科学の知識の羅列でなく、何故そうなるのかがわかる記載を心がけた。また、基礎編の記載でも必ず臨床を念頭においた書き方に努めることとした。教科書の内容になじまないトピックス的なものにも触れようと囲み記事として随所に配したが、勉強中の息抜きの読み物として楽しんでもらえれば幸いである。楽しみながら、そして考えながら「眼科学」を身につけることができる教科書として、広く親しまれることを願ってやまない次第である。(あとがきより)B5判2色刷り総674頁カラー写真・図・表多数収録定価23,100円(本体22,000円+税5%)メディカル葵出版〒113─0033東京都文京区本郷2─39─5片岡ビル5F振替00100─5─69315電話(03)3811─0544■内容内容■考える診療のために!あの名著が更にUp-To-Dateな情報を盛り込んで!待望の改訂版、登場!■疾患とその基礎■<改訂版>株式会社(64)