A light-sensitive, externally powered microchip was surgically implanted subretinally near the macular region of volunteers blind from hereditary retinal dystrophy. The implant contains an array of 1500 active microphotodiodes (‘chip’), each with its own amplifier and local stimulation electrode. At the implant's tip, another array of 16 wire-connected electrodes allows light-independent direct stimulation and testing of the neuron–electrode interface. Visual scenes are projected naturally through the eye's lens onto the chip under the transparent retina. The chip generates a corresponding pattern of 38 × 40 pixels, each releasing light-intensity-dependent electric stimulation pulses. Subsequently, three previously blind persons could locate bright objects on a dark table, two of whom could discern grating patterns. One of these patients was able to correctly describe and name objects like a fork or knife on a table, geometric patterns, different kinds of fruit and discern shades of grey with only 15 per cent contrast. Without a training period, the regained visual functions enabled him to localize and approach persons in a room freely and to read large letters as complete words after several years of blindness. These results demonstrate for the first time that subretinal micro-electrode arrays with 1500 photodiodes can create detailed meaningful visual perception in previously blind individuals.

This study aims at substituting the essential functions of photoreceptors in patients who are blind owing to untreatable forms of hereditary retinal degenerations. A microelectronic neuroprosthetic device, powered via transdermal inductive transmission, carrying 1500 independent microphotodiode-amplifier-electrode elements on a 9 mm(2) chip, was subretinally implanted in nine blind patients. Light perception (8/9), light localization (7/9), motion detection (5/9, angular speed up to 35 deg s(-1)), grating acuity measurement (6/9, up to 3.3 cycles per degree) and visual acuity measurement with Landolt C-rings (2/9) up to Snellen visual acuity of 20/546 (corresponding to decimal 0.037° or corresponding to 1.43 logMAR (minimum angle of resolution)) were restored via the subretinal implant. Additionally, the identification, localization and discrimination of objects improved significantly (n = 8; p < 0.05 for each subtest) in repeated tests over a nine-month period. Three subjects were able to read letters spontaneously and one subject was able to read letters after training in an alternative-force choice test. Five subjects reported implant-mediated visual perceptions in daily life within a field of 15° of visual angle. Control tests were performed each time with the implant's power source switched off. These data show that subretinal implants can restore visual functions that are useful for daily life.

Summary

 Human organoids recapitulating the cell-type diversity and function of their target organ are valuable for basic and translational research. We developed light-sensitive human retinal organoids with multiple nuclear and synaptic layers and functional synapses. We sequenced the RNA of 285,441 single cells from these organoids at seven developmental time points and from the periphery, fovea, pigment epithelium and choroid of light-responsive adult human retinas, and performed histochemistry. Cell types in organoids matured in vitro to a stable "developed" state at a rate similar to human retina development in vivo. Transcriptomes of organoid cell types converged toward the transcriptomes of adult peripheral retinal cell types. Expression of disease-associated genes was cell-type-specific in adult retina, and cell-type specificity was retained in organoids. We implicate unexpected cell types in diseases such as macular degeneration. This resource identifies cellular targets for studying disease mechanisms in organoids and for targeted repair in human retinas.

A subretinal visual implant (Alpha IMS, Retina Implant AG, Reutlingen, Germany) was implanted in 29 blind participants with outer retinal degeneration in an international multicenter clinical trial. Primary efficacy endpoints of the study protocol were a significant improvement of activities of daily living and mobility to be assessed by activities of daily living tasks, recognition tasks, mobility, or a combination thereof. Secondary efficacy endpoints were a significant improvement of visual acuity/light perception and/or object recognition (clinicaltrials.gov, NCT01024803). During up to 12 months observation time twenty-one participants (72%) reached the primary endpoints, of which thirteen participants (45%) reported restoration of visual function which they use in daily life. Additionally, detection, localization, and identification of objects were significantly better with the implant power switched on in the first 3 months. Twenty-five participants (86%) reached the secondary endpoints. Measurable grating acuity was up to 3.3 cycles per degree, visual acuities using standardized Landolt C-rings were 20/2000, 20/2000, 20/606 and 20/546. Maximal correct motion perception ranged from 3 to 35 degrees per second. These results show that subretinal implants can restore very-low-vision or low vision in blind (light perception or less) patients with end-stage hereditary retinal degenerations.

Abstract Stargardt disease is a currently untreatable, inherited neurodegenerative disease that leads to macular degeneration and blindness due to loss-of-function mutations in the ABCA4 gene. We have designed a dual adeno-associated viral vector encoding a split-intein adenine base editor to correct the most common mutation in ABCA4 (c.5882G>A, p.Gly1961Glu). We optimized ABCA4 base editing in human models, including retinal organoids, induced pluripotent stem cell-derived retinal pigment epithelial (RPE) cells, as well as adult human retinal explants and RPE/choroid explants in vitro. The resulting gene therapy vectors achieved high levels of gene correction in mutation-carrying mice and in female nonhuman primates, with average editing of 75% of cones and 87% of RPE cells in vivo, which has the potential to translate to a clinical benefit. No off-target editing was detectable in human retinal explants and RPE/choroid explants. The high editing rates in primates show promise for efficient gene editing in other ocular diseases that are targetable by base editing.

Stargardt disease is a currently untreatable, inherited neurodegenerative disease that leads to macular degeneration and blindness due to loss-of-function mutations in the ABCA4 gene. We have designed a dual adeno-associated viral vector split-intein adenine base-editing strategy to correct the most common mutation in ABCA4 (c.5882G>A, p.G1961E). We optimized ABCA4 base editing in human models, including retinal organoids, iPSC-derived retinal pigment epithelial cells (RPE), as well as adult human retinal- and RPE/choroid explants in vitro. The resulting gene therapy vectors achieved high levels of gene correction in mutation-carrying mice and in non-human primates, with an average editing of 37% of photoreceptors and 73% of RPE cells in vivo. The high editing rates in primates make way for precise and efficient gene editing in other neurodegenerative ocular diseases.

How closely human organoids recapitulate cell-type diversity and cell-type maturation of their target organs is not well understood. We developed human retinal organoids with multiple nuclear and synaptic layers. We sequenced the RNA of 158,844 single cells from these organoids at six developmental time points and from the periphery, fovea, pigment epithelium and choroid of light-responsive adult human retinas, and performed histochemistry. Cell types in organoids matured in vitro to a stable 'developed' state at a rate similar to human retina development in vivo and the transcriptomes of organoid cell types converged towards the transcriptomes of adult peripheral retinal cell types. The expression of disease-associated genes was significantly cell-type specific in adult retina and cell-type specificity was retained in organoids. We implicate unexpected cell types in diseases such as macular degeneration. This resource identifies cellular targets for studying disease mechanisms in organoids and for targeted repair in adult human retinas.

Targeting genes to specific neuronal or glial cell types is valuable both for understanding and for repairing brain circuits. Adeno-associated viral vectors (AAVs) are frequently used for gene delivery, but targeting expression to specific cell types is a challenge. We created a library of 230 AAVs, each with a different synthetic promoter designed using four independent strategies. We show that ~11% of these AAVs specifically target expression to neuronal and glial cell types in the mouse retina, mouse brain, non-human primate retina in vivo, and in the human retina in vitro. We demonstrate applications for recording, stimulation, and molecular characterization, as well as the intersectional and combinatorial labeling of cell types. These resources and approaches allow economic, fast, and efficient cell-type targeting in a variety of species, both for fundamental science and for gene therapy.