Development of a new prototype of a multi-electrode Electroretinogram system for the mouse eye

Retinal diseases are increasingly common and, if not diagnosed in time, they can lead to complete blindness. In most cases, damage begins to develop from the peripheral areas of the retina itself, which is why conventional Electroretinogram (ERG) techniques (which use a single measuring electrode) have proven to be ineffective in the early diagnosis of these diseases, as the spatial resolution of the recorded signals is relatively low. Numerous surgical techniques have been introduced to seek a remedy for these dysfunctions, but these are often only remedies that can slow the course of the disease, without being able to cure it permanently. In recent years, Gene Therapy is gaining in importance in finding permanent remedies for some of these diseases. It is therefore of paramount importance to be able to flank techniques that can effectively monitor the effect of these treatments on patients. Many studies have shown that mice provide an extremely valuable model for studying the course and treatment of these diseases, but to date, due to their very small size, being able to combine an ERG test with the use of multiple recording channels has always been a difficult challenge. This work proposes the development of an innovative device, a Contact Lens Electrode Arrays (CLEAr) lens, capable of performing a five-channel multi-electrode Electroretinogram (meERG) on the eye of a mouse, with the aim of being able to study the health status of the retina with better spatial resolution. The first phase dealt with the design of the various components of the prototype using Fusion360 CAD software and was followed by a second phase of actual fabrication, both of the device and of all the front-end and data acquisition circuitry necessary for recording retinal potentials. Numerous innovative techniques were employed, including 3D printing and the use of an automated Milling machine, thanks to which a physical version of a prototype capable of both recording signals and generating a light stimulus via an LED installed inside was achieved. Finally, an initial phase of validating the functionality of this device was reached by performing numerous recordings of both electrical signals and actual biopotentials (ECG and the ERG itself). The tests carried out, although valid for a preliminary evaluation, have confirmed from the outset a good efficiency of the device. If further optimized, the device promises to be a valid prospective sidekick in the field of Electroretinogram for monitoring the effectiveness of treatment for all those retinal diseases for which to date there is still no definitive remedy.

Le malattie della retina sono sempre più diffuse e, se non diagnosticate in tempo, possono portare alla completa cecità. Solitamente, i danni iniziano nelle aree periferiche della retina stessa, motivo per cui le tecniche convenzionali di Elettroretinogramma (ERG), che utilizzano un singolo elettrodo di misurazione, si sono dimostrate inefficaci nella diagnosi precoce di queste malattie, a causa della scarsa risoluzione spaziale dei segnali. Negli ultimi anni sono state introdotte numerose tecniche chirurgiche innovative, che riescono solo a rallentare il corso della malattia senza curarla definitivamente, mentre nella ricerca di un rimedio permanente ha sempre più importanza la terapia genica. Dunque, è fondamentale affiancare tecniche per monitorare efficacemente l'effetto di questi trattamenti sui pazienti. Molte ricerche hanno dimostrato che i topi sono un modello di studio estremamente valido, ma, a causa delle loro dimensioni ridotte, riuscire a combinare un test ERG con più canali di registrazione è sempre stata una sfida difficile. Questo lavoro propone lo sviluppo di un dispositivo innovativo costituito da una lente Contact Lens Electrode Arrays (CLEAr) in grado di eseguire un Elettroretinogramma multi-elettrodo a cinque canali (meERG) sull'occhio di un topo, per poter studiare lo stato di salute della retina con una migliore risoluzione spaziale. La prima fase si è occupata della progettazione dei vari componenti del prototipo utilizzando il software CAD Fusion360 ed è stata seguita da una seconda fase di fabbricazione vera e propria, sia del dispositivo che di tutti i circuiti di front-end e di acquisizione dati necessari alla registrazione dei potenziali retinici. Sono state impiegate numerose tecniche innovative, tra cui la stampa 3D e l'utilizzo di una fresatrice automatica, grazie alle quali è stata realizzata una versione fisica di un prototipo in grado sia di registrare i segnali sia di generare uno stimolo luminoso attraverso un LED installato al suo interno. Infine, una prima fase di validazione della funzionalità di questo dispositivo è stata raggiunta eseguendo numerose registrazioni sia di segnali elettrici che di bio-potenziali veri e propri (ECG e lo stesso ERG). I test effettuati, pur validi per una valutazione preliminare, hanno confermato fin da subito una buona efficienza del dispositivo che, se ulteriormente ottimizzato, promette in futuro di essere una valida spalla nel campo dell'Elettroretinogramma per il monitoraggio dell'efficacia nel trattamento di tutte quelle patologie retiniche per le quali ad oggi non esiste ancora un rimedio definitivo.