Obrazowanie oka – błyskotliwy sposób, by podejrzeć pracę fotoreceptorów

W zdrowym oku komórki fotoreceptorowe odrobinę zmieniają swoją długość, kiedy pojawią się błyski światła. Polski zespół opracowuje metodę, jak rejestrować te nanozmiany. A dzięki temu można będzie w precyzyjny sposób obrazować pracę oka i sprawdzać, czy wszystko działa prawidłowo.

Dzięki serii przełomów, do których doszło w nauce i medycynie w ostatnich latach, przed ludzkością otwierają się ogromne możliwości, jeśli chodzi o leczenie chorób oka. Jak uznał niedawno wybitny badacz oka prof. Krzysztof Palczewski z University of California w Irvine, prawdopodobnie w ciągu dekady będziemy w stanie uleczyć 99 proc. chorób prowadzących do ślepoty.

– Wprowadzanie nowych terapii w krótkim czasie wymaga jednak nie tylko prac biologicznych, medycznych, ale i nowych technologii, m.in. związanych z obrazowaniem oka – powiedział w rozmowie z PAP prof. Maciej Wojtkowski, szef Międzynarodowego Centrum Badań Oka ICTER, agendy badawczej przy Instytucie Chemii Fizycznej PAN (w prace tej jednostki zaangażowany jest również prof. Palczewski).

Skoro bowiem pojawiają się nowe możliwości poprawy widzenia, ważniejsze niż kiedykolwiek dotąd stanie się teraz wczesne diagnozowanie nieprawidłowości w działaniu oka, a także systematyczne badanie, jak funkcjonuje oko poddane nowatorskim terapiom.

– Ciągle jednak są deficyty w badaniach obrazowych oka. A przez to nowe terapie, które powstają, nie mogą być tak szybko wprowadzane, jak by chcieli lekarze. Nie ma sposobu, żeby robić predykcje skutków terapii – zwrócił uwagę prof. Wojtkowski.

Chodzi zwłaszcza o to, żeby poznać czynność komórek fotoaktywnych w oku. Mamy dwa typy takich komórek światłoczułych. Pręciki są bardziej wrażliwe i przetwarzają informacje o natężeniu światła (czy jest jasno, czy półmrok), a czopki dają informację o kolorach (są trzy rodzaje czopków: odpowiedzialne za widzenie światła niebieskiego, zielonego i czerwonego).

To właśnie w fotoreceptorach zaczynają zachodzić procesy, dzięki którym przetwarzamy niesione przez fotony informacje o świecie zewnętrznym na elektryczne sygnały, które rozumie mózg.

Obecnie pracę fotoreceptorów daje się badać przede wszystkim za pomocą elektroretinografii, w której mierzy się potencjały elektryczne w oku wywołane przez przyłożenie elektrod. A potem analizuje się zgrubnie punkty z których sygnał przychodzi. – Te badania są trudne, słabo powtarzalne, wymagają dobrej współpracy pacjenta i są wykonywane tylko w jednym procencie przypadków codziennej praktyki okulistycznej – skomentował prof. Wojtkowski.

Pojawił się jednak nowy pomysł, jak podejrzeć pracę fotoreceptorów. – Niedawno zidentyfikowano ciekawy efekt: kiedy zaświecimy na siatkówkę oka światłem widzialnym, fotoreceptory zaczynają zmieniać swoją długość – opisał naukowiec. Są dwa mechanizmy prowadzące do zmiany rozmiarów tych komórek.

– Jeśli zupełnie przyzwyczaimy się do ciemności i potem nagle zapalimy światło, wydłużanie się receptorów jest bardzo duże. Można powiedzieć, że siatkówka na chwilę puchnie – powiedział prof. Wojtkowski. Ma to jednak związek z procesem akomodacji – oko zaczyna się przystosowywać z trybu wyczulonego na niewielką ilość światła do trybu, w którym światła jest bardzo dużo. – To dlatego w nocy, kiedy wstaje się z łóżka i nagle zapala światło, łatwo o wypadek – fotoreceptory szybko stają się przesycone światłem i nic nie widzimy – wytłumaczył prof. Wojtkowski.

Jest jeszcze drugi efekt. – Kiedy zaświeci się tylko bardzo krótkim błyskiem w oko, fotoreceptory zaczynają się delikatnie kurczyć. Kiedy znowu robi się ciemno, powracają do swojej długości podstawowej. Ten proces jest krótki i raczej nie jest związany z akomodacją oka, ale z cyklem widzenia. Na razie nie wyjaśniono jeszcze, dlaczego tak się dzieje – zrelacjonował badacz.

To właśnie ten drugi efekt chcą wykorzystać naukowcy z Polski w swoim pomyśle, który nazywają optoretinografią (ang. optoretinography ORG). – W ramach badania świecimy więc krótkimi błyskami, które odpowiadają czasowi reakcji oka na światło, czyli o częstotliwości mniejszej niż 50 herców. I obserwujemy te bardzo małe – nanometrowych rozmiarów – zmiany długości fotoreceptorów. W jednym momencie widzimy, czy fotoreceptory w całym oku odpowiadają prawidłowo, czy nie – dostaniemy informację o tym, czy siatkówka działa prawidłowo – wyjaśnił ekspert.

Żeby jednak zebrać informacje o zmianach długości komórek światłoczułych, naukowcy musieli opracować zupełnie nową metodę obrazową trochę bazującą na tomografii optycznej – to tzw. technologia STOC-T (Spatio-Temporal Optical Coherence Tomography).

– Patrzymy na całe obrazy z dna oka wykonane bardzo szybką kamerą. Zbieramy wiele obrazów dla różnych długości fal. Do tego wprowadziliśmy jeszcze tak zwane rozspójnianie przestrzenne, aby widzieć dokładniej strukturę siatkówki – pozbyć się efektów ubocznych związanych z rozpraszaniem światła – opisał prof. Wojtkowski, laureat Nagrody Fundacji na rzecz Nauki Polskiej.

Jak to zbadać? – Możemy wyróżnić warstwę, gdzie fotoreceptory się zaczynają, i warstwę, gdzie się kończą. Wiemy, że tam, gdzie się zaczynają, warstwa będzie cały czas taka sama, a tam, gdzie się kończą, będzie się zmieniać (przesuwać) pod wpływem światła – wytłumaczył.

Analizowana jest tylko różnica względna, a więc różnice między cechami światła wyświecanego przez te warstwy. – Trik polega na tym, że w naszej metodzie mamy dostęp do fazy światła. Jeśli światło możemy przedstawić jako falę sinusoidalną, możemy zobaczyć, jak sinus przedstawiający tę falę przesunął się nawet o ułamek. A dzięki temu jesteśmy w stanie dostrzec nawet nanometrowej wielkości różnice w obrazach – stwierdził naukowiec, przypominając, że nanometr to milionowa część milimetra.

Różnice między fazami światła będą czytelne, nawet jeśli oko pacjenta się poruszy w czasie badania. Komputerowo można bowiem tak ustabilizować obraz, aby wychwycić interesujące różnice. Badanie wygląda jak standardowe badanie okulistyczne – kładzie się brodę na podstawce i patrzy w urządzenie, a ocena trwa niecałą sekundę. W tym czasie zbieranych jest ok. 100 pomiarów, które potem analizowane są przez algorytm komputerowy.

Zespół prof. Wojtkowskiego spodziewa się, że prototyp urządzenia będzie gotowy pod koniec tego roku. – Potrzebujemy jednak kilku lat, żeby rozwinąć badania, zrobić bazę danych, poprawić instrument, dopracować software – zapowiedział naukowiec.

– Nasz zespół jest o tyle unikatowy na świecie, że wiemy, jak połączyć umiejętności fizyczne, wiedzę optyczną, techniczną, informatyczną i biochemiczną. To wymaga niezłej koordynacji grup – podsumował prof. Wojtkowski.