Hundratals miljoner människor lider av diabetes världen över, utsätta dem för en smygande blindhet, eller diabetisk retinopati, som kommer med sjukdomen i dess mer avancerade stadier. Befintliga behandlingar, även om det är effektivt, är smärtsamma och invasiva, med laser och injektioner i ögongloben. Caltech doktorand Colin Cook (MS '16) tycker att det finns ett bättre sätt.

Laga mat, tillsammans med en grupp forskare från Yu-Chong Tais labb, Caltechs Anna L. Rosen professor i elektroteknik och medicinsk teknik, har utvecklat en potentiell behandling som kan vara mycket mindre läskig och invasiv, i form av en kontaktlins som lyser i mörkret.

Förlusten av syn som följer med diabetes är resultatet av den skada sjukdomen orsakar små blodkärl i hela kroppen, inklusive de i ögat. Den skadan resulterar i minskat blodflöde till nervcellerna i näthinnan och deras slutliga död. När sjukdomen fortskrider, kroppen försöker motverka effekterna av de skadade blodkärlen genom att växa fram nya i näthinnan. Hos diabetespatienter, dock, dessa kärl tenderar att vara dåligt utvecklade och blöda in i den klara vätskan inuti ögat, skymmer synen och förvärrar synproblem. När blodkärlen blöder, de orsakar ytterligare skador på näthinnan som kroppen reparerar med ärrvävnad snarare än nya ljusavkännande celler. Över tid, en diabetespatients syn blir suddig och fläckig innan den försvinner helt.

Eftersom skador på näthinnan börjar med otillräcklig tillförsel av syre, det ska vara möjligt att förhindra ytterligare synförlust genom att minska näthinnans syrebehov. Tills nu, det har uppnåtts genom att använda en laser för att bränna bort cellerna i näthinnans perifera delar, så syre som dessa celler skulle ha behövt kan användas av de viktigare syncellerna i mitten av näthinnan. En annan behandling kräver injicering av medicin som minskar tillväxten av nya blodkärl direkt in i ögongloben.

Cook hoppas att hans kontaktlinser kommer att erbjuda en lösning som patienterna är mer villiga att prova eftersom ansträngningen är minimal, liksom biverkningarna.

Liksom laserbehandlingen, linserna minskar de metaboliska kraven på näthinnan, men på ett annat sätt. Nyckeln till deras framgång är ögats stavceller, som ger syn vid svagt ljus. Stavcellerna behöver och använder mycket mer syre i mörkret än de gör när de är full av ljus - medan, säga, tittar på den här datorskärmen - och det har under två decennier antagits att mycket av skadan på näthinnan orsakas av diabetisk retinopati uppstår när stavcellerna ökar deras syrebehov på natten.

"Dina stavceller, som det visar sig, konsumerar ungefär dubbelt så mycket syre i mörker som de gör i ljuset, " säger Cook.

Av den anledningen, kontaktlinserna är designade för att minska näthinnans syrebehov nattetid genom att ge stavcellerna den svagaste mängden ljus att titta på medan bäraren sover.

"Om vi ​​sänker ämnesomsättningen i näthinnan, vi borde kunna förhindra en del av de skador som uppstår, " han säger.

För att ge näthinnan ljus hela natten, linserna lånar teknik från armbandsur som har glödande markörer i ansiktet. Belysningen tillhandahålls av små flaskor fyllda med tritium, en radioaktiv form av vätgas som avger elektroner när den sönderfaller. Dessa elektroner omvandlas till ljus av en fosforescerande beläggning. Detta system säkerställer en konstant ljuseffekt under kontaktlinsens livstid.

Flaskorna, som bara är bredden på ett fåtal människohår, implanteras i linsen i ett radiellt mönster som strålarna från en tecknad sol. Flaskorna skapar en cirkel som är precis tillräckligt stor för att falla utanför bärarens syn när pupillerna är sammandragna i ljusa förhållanden. I mörkret, pupillen expanderar, och den svaga glöden från flaskorna kan lysa upp näthinnan.

Ljusterapi för diabetisk retinopati har försökts tidigare i form av tända sömnmasker, men resultatet var dåligt, dels för att patienterna hade svårt att tolerera maskerna och ignorerade ljuset som lyste in i deras ögon när de sov.

Sömnmaskens ljuskälla är inte fäst på ögat, så när ögat rör sig, bäraren ser ett flimmer och det är väldigt distraherande när du försöker somna, han säger.

Cook säger att hans linser undviker det problemet genom att placera ljuskällan på ögats yta, så när ögat rör sig, ljuskällan rör sig med den, och det finns inget flimmer för bäraren att lägga märke till.

"Det finns neural anpassning som händer när du har en konstant ljuskälla på ögat. Hjärnan subtraherar den signalen från synen och bäraren kommer att uppfatta mörker igen på bara några sekunder, " han säger.

Kontaktlinsdesignen säkerställer också att näthinnan får en lämplig dos ljus hela natten.

"När vi sover, våra ögon rullar tillbaka. För en sömnmask betyder detta att ögat inte längre får lika mycket ljus, men kontaktlinserna rör sig med ögat, så det finns inget sådant problem, " han säger.

Tidiga tester av linserna utförda i samarbete med Mark Humayuns labb vid University of Southern California visar lovande resultat, with rod cell activity reduced by as much as 90 percent when worn in the dark. Cook says in the next few months, he and his fellow researchers will start testing the lenses to see if their ability to reduce retinal metabolism will translate into the prevention of diabetic retinopathy. Following those tests, they will seek FDA permits to begin clinical trials.

"This is an innovative solution with a potentially huge impact on diabetic retinopathy, " says Tai, who also holds the Andrew and Peggy Cherng Medical Engineering Leadership Chair and is executive officer for medical engineering.

The team recently took their invention to TigerLaunch, an entrepreneurship competition hosted by Princeton University. Their work was recognized as the top medical technology, and the team came in third place overall.

"Having our work recognized by a panel of venture capitalists is really exciting, " Cook says, "but it was the audience members who came up afterwards and shared stories about loved ones being impacted by the disease who really reinvigorated my efforts."