Author: asalamonczyk@ichf.edu.pl

Naukowcy po raz pierwszy zajrzeli w głąb struktury białka, które może decydować o naszym widzeniu – i odkryli, że jest ono znacznie bardziej dynamiczne, niż przypuszczano. RBP3 nie tylko zmienia swój kształt w zależności od ładunku, ale może również odgrywać rolę w ochronie siatkówki przed chorobami – od retinopatii cukrzycowej po barwnikowe zwyrodnienie siatkówki.

Śródmiąższowe białko wiążące retinol 3 (RBP3) to glikoproteina o masie około 140 kDa, występująca w przestrzeni międzykomórkowej siatkówki. Odgrywa ona istotną rolę w transporcie retinoidów – cząsteczek niezbędnych do prawidłowego przebiegu procesu widzenia. Choć o istnieniu RBP3 wiadomo od lat, jego struktura i dokładne mechanizmy działania pozostawały dotąd nieznane. Brak tych informacji stanowił istotną lukę w badaniach nad chorobami oczu, zwłaszcza tymi prowadzącymi do nieodwracalnej utraty wzroku.

Zwyrodnienie barwnikowe siatkówki (retinitis pigmentosa, RP) to jedna z takich chorób – podstępna, postępująca i wciąż nieuleczalna. Dotyka miliony ludzi na całym świecie, prowadząc do stopniowego zaniku fotoreceptorów i ślepoty. Dotychczasowe badania sugerowały, że nieprawidłowości w funkcjonowaniu RBP3 mogą być jednym z czynników przyczyniających się do rozwoju tej choroby, jednak brakowało szczegółowej wiedzy na temat jego struktury i mechanizmu działania. Nowe odkrycia rzucają światło na tę zagadkę, otwierając drogę do potencjalnych terapii, które mogłyby spowolnić lub nawet zatrzymać degenerację siatkówki.

Międzynarodowy zespół naukowców, w tym badacze z ICTER, wykorzystał nowoczesne metody analizy strukturalnej, aby po raz pierwszy uzyskać obraz natywnej struktury RBP3 z bardzo wysoką dokładnością. Wyniki opublikowano w czasopiśmie Open Biology w pracy zatytułowanej „CryoEM structure and small-angle X-ray scattering analyses of porcine retinol- binding protein 3„.

– Po raz pierwszy udało nam się uchwycić pełną strukturę natywnego RBP3 u świń z rozdzielczością 3,67 Å. To istotny krok w zrozumieniu funkcji tego białka, zwłaszcza w kontekście jego roli w transporcie retinoidów i kwasów tłuszczowych w oku – mówi dr Humberto Fernandes z ICTER.

Dlaczego RBP3 jest takie ważne?

Widzenie jest procesem, który zaczyna się od przekształcenia światła w sygnał elektryczny przez fotoreceptory w siatkówce oka. Kluczowym elementem tej przemiany jest cykl wzrokowy – skomplikowany łańcuch reakcji chemicznych, w którym niezbędną rolę odgrywają retinoidy, czyli pochodne witaminy A. Jednak aby mogły one skutecznie pełnić swoją funkcję, muszą być transportowane pomiędzy różnymi komórkami siatkówki. Za ten transport odpowiada właśnie śródmiąższowe białko wiążące retinol 3 (RBP3), które funkcjonuje jak „kurier” dostarczający retinoidy tam, gdzie są potrzebne.

RBP3 występuje w interfotoreceptorowej macierzy pozakomórkowej (IPM), czyli przestrzeni pomiędzy nabłonkiem barwnikowym siatkówki a fotoreceptorami. To tam zachodzi transport cząsteczek niezbędnych do prawidłowego funkcjonowania oka, w tym tlenu, składników odżywczych oraz właśnie retinoidów. RBP3 odgrywa kluczową rolę w dostarczaniu all-trans-retinolu (at-ROL) z fotoreceptorów do nabłonka barwnikowego siatkówki, gdzie zostaje on przekształcony w 11-cis-retinal (11c-RAL) – cząsteczkę kluczową dla widzenia. Następnie 11c-RAL wraca do fotoreceptorów, gdzie wiąże się z opsynami, tworząc światłoczułe pigmenty, które umożliwiają widzenie. Bez białka RBP3 ten cykl transportowy byłby znacznie mniej efektywny, co mogłoby prowadzić do niedoborów retinoidów w fotoreceptorach, a w konsekwencji do degeneracji siatkówki.

Pod względem budowy, RBP3 jest dużą glikoproteiną składającą się z czterech modułów wiążących retinoidy. Każdy z tych modułów ma charakterystyczną strukturę umożliwiającą interakcję z różnymi cząsteczkami, w tym retinoidami i kwasami tłuszczowymi, takimi jak kwas dokozaheksaenowy (DHA). Dotychczas nie było jednak jasne, jak dokładnie białko to oddziałuje ze swoimi ligandami oraz czy jego struktura ulega zmianom w zależności od rodzaju transportowanej cząsteczki.

Wiadomo natomiast, że RBP3 pełni dodatkowe funkcje ochronne. Chroni retinoidy przed degradacją pod wpływem światła, ograniczając ich utlenianie i rozpad. Jego obecność w IPM stabilizuje środowisko biochemiczne siatkówki, co ma kluczowe znaczenie dla zdrowia oczu. Co więcej, mutacje w genie kodującym RBP3 są związane z szeregiem chorób oczu, takich jak zwyrodnienie barwnikowe siatkówki (RP) oraz z niektórymi formami krótkowzroczności.

Jak przeprowadzono badania?

Aby uchwycić trójwymiarową strukturę RBP3, badacze wykorzystali kriomikroskopię elektronową (cryoEM), czyli technikę pozwalającą na uzyskanie obrazów biomolekuł w niemal natywnym stanie, w temperaturze kriogenicznej. W badaniach zastosowano również analizę rozpraszania promieniowania rentgenowskiego pod małymi kątami (SAXS), dzięki której możliwe było określenie konformacyjnych zmian białka w roztworze.

Pierwszym krokiem było pozyskanie białka w formie natywnej. W tym celu badacze wyizolowali RBP3 z siatkówek świńskich gałek ocznych pozyskanych z lokalnych rzeźni. Tkanki były przechowywane w warunkach minimalizujących degradację białek – na lodzie, w ciemności.. Następnie oczyszczono RBP3 za pomocą zaawansowanych technik chromatograficznych, w tym chromatografii powinowactwa, chromatografii jonowymiennej oraz filtracji żelowej. Każdy etap tej procedury miał na celu uzyskanie stabilnej i funkcjonalnej postaci białka, co było kluczowe dla dalszych badań.

Po uzyskaniu czystych próbek białka, naukowcy rozpoczęli eksperymenty z użyciem kriomikroskopii elektronowej. Próbki RBP3 zostały schłodzone do ekstremalnie niskich temperatur i umieszczone w wiązce elektronów, co pozwoliło na uzyskanie setek tysięcy obrazów pojedynczych cząsteczek. Złożenie tych obrazów w trójwymiarowy model umożliwiło odtworzenie struktury białka w niespotykanej dotąd rozdzielczości 3,67 Å.

Równolegle zastosowano analizę SAXS, która dostarczyła dodatkowych informacji o konformacyjnej plastyczności RBP3 w roztworze. Eksperymenty te pozwoliły na obserwację, jak białko zmienia swój kształt po związaniu różnych cząsteczek, w tym retinoidów i kwasów tłuszczowych. Dzięki temu badacze odkryli, że RBP3 przyjmuje różne konformacje w zależności od rodzaju transportowanego ładunku, co może być kluczowe dla jego funkcji jako dynamicznego nośnika retinoidów.

– To jedno z najdokładniejszych badań strukturalnych RBP3, jakie kiedykolwiek przeprowadzono. Dzięki połączeniu metod cryoEM i SAXS uzyskaliśmy wyjątkowy wgląd w sposób działania tego białka – wyjaśnia dr Humberto Fernandes z ICTER.

Co udało się ustalić?

Jednym z kluczowych odkryć tego badania jest zdolność RBP3 do zmiany kształtu w zależności od rodzaju wiązanej cząsteczki. W eksperymentach wykazano, że po związaniu 11-cis-retinalu (11c-RAL) oraz all-trans-retinolu (at-ROL) białko przybiera różne konformacje – od zwartej do otwartej. Analizy SAXS wykazały, że przy wyższych stężeniach tych retinoidów RBP3 ulega wydłużeniu, co może sugerować mechanizm jego działania jako dynamicznego transportera retinoidów.

– To odkrycie jest szczególnie interesujące, ponieważ sugeruje, że RBP3 może działać jako elastyczny nośnik retinoidów, zmieniający kształt w celu optymalizacji transportu tych cząsteczek między nabłonkiem barwnikowym siatkówki a fotoreceptorami – mówi dr Vineeta Kaushik z ICTER.

Dodatkowe informacje na temat plastyczności białka dostarczyły analizy dokowania molekularnego, które wskazały na obecność dwóch głównych miejsc wiązania ligandów. Co ciekawe, analiza SAXS wykazała, że wiązanie kwasów tłuszczowych, takich jak DHA (dokozaheksaenowy), nie prowadziło do znaczących zmian w strukturze RBP3, co oznacza, że jego rola w transporcie tych cząsteczek może różnić się od transportu retinoidów.

To przełomowe odkrycie zmienia nasze rozumienie roli RBP3 w oku. Zamiast traktować je jako bierny transporter retinoidów, zaczynamy dostrzegać w nim aktywny, adaptujący się mechanizm, który może precyzyjnie regulować dostarczanie kluczowych cząsteczek do fotoreceptorów. Zrozumienie tej dynamiki otwiera nowe możliwości dla badań nad cyklem wzrokowym i potencjalnych terapii chorób degeneracyjnych siatkówki.

Co dalej?

Odkrycie pełnej struktury RBP3 i jego konformacyjnej plastyczności otwiera nowy rozdział w badaniach nad funkcjonowaniem cyklu wzrokowego oraz mechanizmami prowadzącymi do degeneracji siatkówki. Wyniki mogą mieć kluczowe znaczenie dla diagnostyki i terapii chorób oczu, w tym retinopatii cukrzycowej, barwnikowego zwyrodnienia siatkówki oraz wysokiej krótkowzroczności.

Wcześniejsze badania sugerowały, że obniżony poziom RBP3 w siatkówce jest powiązany z progresją retinopatii cukrzycowej, a jego stabilizacja mogłaby działać ochronnie. Teraz, dzięki precyzyjnym danym strukturalnym, naukowcy mogą skupić się na opracowaniu nowych strategii terapeutycznych, które modulowałyby aktywność RBP3 i mogłyby spowolnić postęp tej choroby. Możliwe jest również wykorzystanie RBP3 jako biomarkera diagnostycznego, co mogłoby pomóc w identyfikacji pacjentów zagrożonych utratą wzroku na wczesnym etapie choroby. Zespół planuje dalsze badania nad dynamiką funkcji RBP3 zarówno w warunkach fizjologicznych, jak i patologicznych.

– To dopiero początek. Teraz, gdy mamy trójwymiarowy model RBP3, możemy badać, jak dokładnie oddziałuje on z innymi białkami siatkówki i jak możemy wykorzystać te informacje do opracowania nowych metod leczenia – podsumowuje dr Humberto Fernandes.

Autorzy pracy „CryoEM structure and small-angle X-ray scattering analyses of porcine retinol-binding protein 3„: Vineeta Kaushik, Luca Gessa, Nelam Kumar, Matyáš Pinkas, Mariusz Czarnocki-Cieciura, Krzysztof Palczewski, Jiří Nováček i Humberto Fernandes.

Autor: red. naukowy Marcin Powęska

Choroby wzroku często rozwijają się bezobjawowo przez długie lata. Naukowcy z ICTER opracowali technikę f-ORG, która analizuje reakcję siatkówki na światło, pomagając wykryć zagrożenie, zanim pojawią się pierwsze objawy. Nowe badania udowadniają, że w ten sposób można wykryć nawet najdrobniejsze zmiany w fotoreceptorach.

Siatkówka oka jest niezwykle skomplikowaną strukturą, pełniącą funkcję biologicznego „przetwornika” światła na sygnały nerwowe. To właśnie tutaj, w warstwie fotoreceptorów – czopków i pręcików – rozpoczyna się proces widzenia. Światło, trafiając na zewnętrzne segmenty tych komórek, inicjuje serię reakcji biochemicznych znanych jako fototransdukcja. W jej trakcie zmienia się długość fotoreceptorów, a te mikroskopijne zmiany – niewidoczne gołym okiem – są nośnikiem informacji o stanie zdrowia siatkówki.

Dotychczasowe metody diagnostyczne, jak elektroretinografia (ERG), pozwalały na ocenę funkcji fotoreceptorów, jednak były obciążone wieloma ograniczeniami. Wymagały kontaktu z powierzchnią oka, długotrwałej adaptacji do ciemności oraz skomplikowanych procedur. Były też mało komfortowe dla pacjentów, szczególnie dzieci i osób starszych.

Naukowcy z Międzynarodowego Centrum Badań Oka (ICTER) postanowili znaleźć sposób, aby te ograniczenia przezwyciężyć. Opracowali nowatorską technikę – optoretinografię z migotaniem (f-ORG), która pozwala na szybkie, nieinwazyjne i precyzyjne monitorowanie procesów zachodzących w fotoreceptorach. Metoda może zrewolucjonizować diagnostykę chorób siatkówki, takich jak zwyrodnienie plamki żółtej, retinopatia barwnikowa czy wrodzone dystrofie siatkówki. Wyniki opublikowano w czasopiśmie Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) w pracy zatytułowanej „Photopic flicker optoretinography captures the light-driven length modulation of photoreceptors during phototransduction„.

– Nasza metoda umożliwia śledzenie molekularnych mechanizmów fototransdukcji bez potrzeby długotrwałego przebywania w ciemności i bez kontaktu z powierzchnią oka. To znaczący krok naprzód w diagnostyce chorób siatkówki – wyjaśnia prof. Maciej Wojtkowski, współautor badania.

Technika f-ORG, czyli „USG” dla fotoreceptorów

Elektroretinografia z użyciem migotania (f-ERG) jest cennym i z powodzeniem wykorzystywanym narzędziem do badania fizjologicznych funkcji siatkówki. Ale nie jest to metoda idealna, więc naukowcy z ICTER postanowili opracować jej optyczny odpowiedni. Optoretinografia z migotaniem (f-ORG) to technologia, która umożliwia obserwację w czasie rzeczywistym zmian zachodzących w zewnętrznych segmentach fotoreceptorów oka. Proces ten jest wynikiem konformacyjnych zmian białka fosfodiesterazy 6 (PDE6).

Fotoreceptory – czopki i pręciki – to niezwykle czułe komórki, które reagują na światło poprzez wydłużanie lub skracanie swoich zewnętrznych segmentów. Właśnie te zmiany są sygnałem o ich aktywności oraz o stanie zdrowia siatkówki. Technika f-ORG rejestruje te zjawiska dzięki przestrzenno-czasowej tomografia optyczna OCT (STOC-T), która pozwala na obrazowanie struktur siatkówki z dokładnością rzędu nanometrów.

To już kolejna praca badawcza zespołu ICTER skupiająca się na f-ORG. W 2022 roku zespół prof. Wojtkowskiego pokazał, że możliwe jest wykonanie pomiarów f-ORG w szerokim zakresie częstotliwości (aż do 50 Hz), a w 2024 r. naukowcy zaproponowali nowe podejście do pomiarów f-ORG pozwalające na szybkie wyznaczanie charakterystyki częstotliwościowej fotoreceptorów.

– STOC-T to prawdziwy przełom. Dzięki niej możemy w nieinwazyjny sposób śledzić, jak poszczególne fotoreceptory reagują na światło. To jak posiadanie mikroskopu, który działa bezpośrednio w oku pacjenta – podkreśla dr Andrea Curatolo.

Dlaczego enzym PDE6 jest taki ważny?

Fosfodiesteraza 6 (PDE6) to kluczowy enzym w procesie fototransdukcji, czyli przemiany światła na sygnały elektryczne, które mózg interpretuje jako obraz. Znajduje się w zewnętrznych segmentach fotoreceptorów – czopków i pręcików – i pełni funkcję regulatora sygnału świetlnego. Jego zadaniem jest rozkład cGMP (cyklicznego guanozyno-3′,5′-monofosforanu), który w stanie ciemności utrzymuje kanały jonowe otwarte, umożliwiając przepływ jonów sodu i wapnia do wnętrza komórki.

Gdy na siatkówkę pada światło, w fotoreceptorach aktywowany zostaje rodopsynowy szlak sygnałowy, w wyniku czego PDE6 zostaje pobudzona. Enzym ten gwałtownie rozkłada cGMP, co powoduje zamknięcie kanałów jonowych i spadek przepływu jonów. W efekcie zmienia się potencjał elektryczny komórki, co jest pierwszym etapem przekazania informacji wzrokowej do mózgu.

– PDE6 to molekularny przełącznik, który reguluje czułość fotoreceptorów na światło. Jego aktywacja to jak naciśnięcie pedału hamulca w samochodzie – światło jest bodźcem, który uruchamia ten proces, a PDE6 decyduje, jak silna będzie odpowiedź – tłumaczy dr inż. Sławomir Tomczewski, główny autor badania.

Fototransdukcja to proces trwający ułamki sekund, jednak od jej prawidłowego przebiegu zależy nasza zdolność widzenia. Zakłócenia w działaniu PDE6 są związane z wieloma chorobami siatkówki, w tym z retinopatią barwnikową i dystrofiami siatkówki. Nowa technika f-ORG umożliwia bezpośrednią obserwację efektów działania tego enzymu w czasie rzeczywistym, co daje naukowcom i lekarzom nowe narzędzie do badania tych schorzeń oraz oceny skuteczności terapii genowych i farmakologicznych.

Jak przeprowadzono badania?

Badania nad techniką f-ORG zostały przeprowadzone na grupie zdrowych ochotników, a ich celem było potwierdzenie skuteczności metody w śledzeniu dynamicznych zmian w fotoreceptorach oraz zrozumienie roli białka PDE6 w tym procesie. Uczestnicy zostali poddani krótkiej, jednominutowej adaptacji do światła, co stanowi istotną różnicę w porównaniu z tradycyjnymi metodami wymagającymi długiego przebywania w ciemności. Następnie stymulowano ich siatkówki światłem o zmiennej częstotliwości – od 1,5 Hz do 45 Hz – i rejestrowano zmiany w długości zewnętrznych segmentów fotoreceptorów (OS).

Technika STOC-T, wykonując około 200 trójwymiarowych skanów na sekundę, pozwoliła na zaobserwowanie subtelnych oscylacyjnych wydłużeń tych struktur pod wpływem światła. Badania wykazały, że wydłużenie fotoreceptorów jest zgodne z przewidywaniami teoretycznymi dotyczącymi aktywacji kaskady fototransdukcji. W kolejnym etapie eksperymentów zbadano wpływ sildenafilu – inhibitor PDE6, znany z działania blokującego proces fototransdukcji – na odpowiedź fotoreceptorów. Po jego podaniu zaobserwowano znaczące osłabienie reakcji fotoreceptorów, co potwierdziło kluczową rolę PDE6 w mechanizmie wydłużania się zewnętrznych segmentów komórek światłoczułych.

– To był przełomowy moment. Po podaniu sildenafilu reakcja fotoreceptorów uległa znacznemu zmniejszeniu. Uzyskane wyniki wydają się potwierdzać, że to rzeczywiście konformacyjne zmiany w białku PDE6 są odpowiedzialne za wydłużanie się zewnętrznych segmentów pod wpływem światła – mówi dr inż. Sławomir Tomczewski.

Do czego może się przydać f-ORG?

Choroby siatkówki, takie jak zwyrodnienie plamki żółtej (AMD), retinopatia barwnikowa czy wrodzone dystrofie, rozwijają się często niezauważalnie przez wiele lat. Ich wczesna diagnoza jest niezwykle trudna, ponieważ pierwsze objawy kliniczne pojawiają się, gdy znaczna część fotoreceptorów jest już nieodwracalnie uszkodzona. Dotychczasowe metody diagnostyczne koncentrowały wizualnej obserwacji zmian strukturalnych oraz na pomiarach elektrycznej aktywności siatkówki, pomijając subtelne zmiany strukturalne na poziomie molekularnym. f-ORG wypełnia tę lukę, pozwalając na rejestrację zmian w długości zewnętrznych segmentów fotoreceptorów, co jest bezpośrednim wskaźnikiem procesów zachodzących w siatkówce podczas odbioru światła.

– Dzięki f-ORG możemy obserwować reakcje siatkówki w czasie rzeczywistym. To jak monitorowanie pracy silnika bez konieczności jego demontażu – wyjaśnia prof. Maciej Wojtkowski.

Potencjalne zastosowania techniki f-ORG są ogromne. Dzięki możliwości rejestrowania reakcji fotoreceptorów w nanoskali lekarze mogą wykrywać patologiczne zmiany znacznie wcześniej niż w przypadku tradycyjnych metod. Nowa technika może znaleźć zastosowanie nie tylko w okulistyce, ale także w neurologii i badaniach nad neurodegeneracją. Siatkówka jest bowiem naturalnym „oknem” na układ nerwowy i może dostarczać cennych informacji na temat funkcjonowania mózgu.

– Technika f-ORG pozwala nam zrozumieć mechanizmy działania fotoreceptorów, a w przyszłości może pomóc w znalezieniu źródeł chorób neurodegeneracyjnych na poziomie niespotykanym dotąd w badaniach okulistycznych – podkreśla dr inż. Sławomir Tomczewski.

Przyszłość f-ORG w praktyce klinicznej

Naukowcy z ICTER planują dalszy rozwój technologii f-ORG oraz jej adaptację do zastosowań klinicznych. Obecnie trwają przygotowania do badań na pacjentach z wczesnymi objawami zwyrodnienia plamki żółtej oraz retinopatii barwnikowej. W planach jest również opracowanie przenośnej wersji urządzenia, które mogłoby być wykorzystywane w gabinetach okulistycznych, a nawet podczas badań przesiewowych wśród populacji o podwyższonym ryzyku chorób siatkówki.

– Chcemy, by f-ORG stała się standardem w okulistyce. To technologia, która może pomóc milionom pacjentów na całym świecie, umożliwiając wczesne wykrycie chorób i skuteczniejsze leczenie – mówi prof. Wojtkowski.

Autorzy pracy „Photopic flicker optoretinography captures the light-driven length modulation of photoreceptors during phototransduction„: Sławomir Tomczewski, Andrea Curatolo, Andrzej Foik, Piotr Węgrzyn, Bartłomiej Bałamut, Maciej Wielgo, Wiktor Kulesza, Anna Galińska, Katarzyna Kordecka, Sahil Gulatie, Humberto Fernandes, Krzysztof Palczewski, Maciej Wojtkowski.

Autor: red. naukowy Marcin Powęska

Naukowcy ICTER otwierają nowe okno do wnętrza oka – miejsca, gdzie rodzi się widzenie, ale też zaczynają się choroby. Dzięki technice STOC-T można zajrzeć głębiej niż kiedykolwiek wcześniej, badając pojedyncze komórki nerwowe bez skomplikowanych układów optycznych.

Ludzkie oko od wieków fascynowało poetów, filozofów i naukowców. To w nim odbija się świat, to ono przekazuje naszemu umysłowi barwy, światło i ruch. Ale w głębi tej delikatnej struktury kryje się kruchy układ komórek nerwowych, który może zostać niezauważalnie uszkodzony – aż do chwili, gdy jest już za późno. Jaskra, jedna z najgroźniejszych chorób neurodegeneracyjnych, powoli i nieubłaganie pozbawia wzroku miliony ludzi na całym świecie. Jej podstępność polega na tym, że przez długi czas pozostaje bezobjawowa, rozwija się w ciszy, aż nagle odbiera człowiekowi to, co najcenniejsze.

Czy można zajrzeć w głąb siatkówki, dostrzec pojedyncze komórki nerwowe i uchwycić pierwsze oznaki choroby, zanim pojawią się nieodwracalne zmiany? Dzięki przełomowej technice stworzonej przez naukowców z ICTER to pytanie nie jest już tylko domeną przyszłości. Przestrzenno-czasowa tomografia optyczna OCT (STOC-T) pozwala po raz pierwszy zobaczyć siatkówkę w niespotykanej dotąd rozdzielczości – rejestrując nie tylko światłoczułe czopki i pręciki, ale także same komórki zwojowe, kluczowe dla przesyłania obrazu do mózgu. Wyniki opublikowano w czasopiśmie Biocybernetics and Biomedical Engineering w pracy zatytułowanej „Imaging of retinal ganglion cells and photoreceptors using Spatio-Temporal Optical Coherence Tomography (STOC-T) without hardware-based adaptive optics”.

Skomplikowana sieć siatkówki oka

Siatkówka oka to skomplikowana, wielowarstwowa struktura, której precyzyjna organizacja umożliwia odbieranie, przetwarzanie i przesyłanie bodźców świetlnych do mózgu. Tworzy ją kilka rodzajów wyspecjalizowanych komórek, z których każda pełni określoną funkcję w mechanizmie widzenia. W zewnętrznej warstwie znajdują się fotoreceptory – czopki odpowiedzialne za widzenie barwne i ostrość obrazu oraz pręciki, które umożliwiają widzenie w słabym oświetleniu.

Głębiej leży warstwa komórek dwubiegunowych, które zbierają informacje z fotoreceptorów i przekazują je dalej do komórek zwojowych siatkówki (GCC). To właśnie one są kluczowe dla przesyłania sygnałów wzrokowych do mózgu, gdzie zostają przetworzone na obraz. Aksony komórek zwojowych łączą się, tworząc nerw wzrokowy – swego rodzaju „kabel”, którym impulsy elektryczne docierają do kory wzrokowej mózgu.

Delikatna równowaga tego układu może zostać zakłócona przez choroby neurodegeneracyjne, takie jak jaskra. W jej przebiegu komórki zwojowe siatkówki stopniowo obumierają, a uszkodzenia nerwu wzrokowego prowadzą do nieodwracalnej utraty wzroku. Proces ten przez długi czas może przebiegać bezobjawowo, dlatego tak istotne jest wczesne wykrywanie zmian w strukturze siatkówki. Nowoczesne metody obrazowania, pozwalające dostrzec te subtelne zmiany na poziomie komórkowym, stają się kluczowym narzędziem w walce z tą podstępną chorobą.

– Precyzyjna diagnostyka siatkówki na poziomie pojedynczych komórek ma ogromne znaczenie dla wczesnego wykrywania zmian patologicznych. Jednym z największych wyzwań w tej dziedzinie jest obrazowanie komórek nerwowych, które są niemal przezroczyste i mają bardzo podobny współczynnik załamania światła do otaczających je struktur – mówi dr inż. Marta Mikuła-Zdańkowska z ICTER, pierwsza autorka publikacji.

Dotychczasowa technologia pozwalała na obrazowanie siatkówki w wysokiej rozdzielczości, ale wymagała zastosowania optyki adaptacyjnej (AO-OCT), czyli systemów dynamicznie korygujących aberracje, co wiązało się z wysokimi kosztami i skomplikowaną kalibracją.

STOC-T odsłania to, co „niewidoczne”

Opracowana przez naukowców ICTER przestrzenno-czasowa tomografia optyczna OCT (STOC-T) pozwala na obrazowanie siatkówki na poziomie komórkowym bez potrzeby stosowania optyki adaptacyjnej. Dzięki wykorzystaniu specjalnych technik uśredniania obrazu i korekcji aberracji, możliwe jest uzyskanie obrazów ciał komórek nerwowych w badaniach in vivo.

– W naszej metodzie zastosowaliśmy dynamiczne zwierciadło odkształcalne, które pozwala na aktywne mieszanie modów świetlnych i redukcję zakłóceń wynikających z interferencji. Dzięki temu możemy eliminować szumy i uzyskiwać obrazy o jakości porównywalnej z metodami optyki adaptacyjnej, ale bez konieczności stosowania skomplikowanych i kosztownych układów skanujących – mówi dr inż. Marta Mikuła-Zdańkowska.

Optymalizacja elementów optycznych pozwoliła osiągnąć boczną rozdzielczość na poziomie ok. 3 mikrometrów, co umożliwia precyzyjną wizualizację ciał komórek zwojowych siatkówki oraz fotoreceptorów, w tym mozaiki czopków. Jest to szczególnie istotne w kontekście diagnozowania chorób neurodegeneracyjnych, takich jak jaskra, w której pierwsze objawy często pojawiają się na poziomie zmian w komórkach nerwowych siatkówki. Wysoka jakość obrazowania pozwala na dokładniejsze monitorowanie procesu utraty neuronów, co może mieć kluczowe znaczenie dla wdrażania terapii we wczesnych stadiach choroby. STOC-T umożliwia również obrazowanie warstw głębiej położonych, w tym ciał komórek amakrynowych, które odgrywają istotną rolę w przetwarzaniu informacji wzrokowych, a których uszkodzenia mogą być związane z różnymi chorobami neurodegeneracyjnymi.

– Dzięki STOC-T możemy znacznie zwiększyć komfort pacjenta, skracając czas badania i eliminując konieczność stosowania długich, skomplikowanych procedur pomiarowych. Nasza metoda może być przełomem w diagnostyce jaskry, ale widzimy dla niej także szerokie zastosowanie w badaniach nad neurodegeneracją i innymi schorzeniami siatkówki – wyjaśnia dr inż. Marta Mikuła-Zdańkowska.

Jednym z największych atutów tej techniki jest znaczące skrócenie czasu badania, które może być przeprowadzone w czasie poniżej jednej minuty. W porównaniu z metodami tomografii OCT wykorzystującymi optykę adaptacyjną, które wymagają co najmniej 15 minut obrazowania i skomplikowanych procedur kalibracyjnych, STOC-T otwiera nowe możliwości dla praktyki klinicznej. Krótszy czas badania minimalizuje wpływ ruchów gałki ocznej na jakość obrazów, zwiększa komfort pacjenta oraz ułatwia wdrożenie tej technologii w standardowych gabinetach okulistycznych, a nie tylko w wyspecjalizowanych laboratoriach badawczych.

– Chcielibyśmy, aby nasza metoda stała się standardem w nowoczesnej diagnostyce siatkówki. Nasze badania pokazują, że można uzyskać wysokiej jakości obrazy siatkówki w czasie rzeczywistym, co znacząco zwiększa potencjał kliniczny tej technologii – podkreśla dr inż. Marta Mikuła-Zdańkowska.

Badania przeprowadzone przez naukowców ICTER potwierdzają skuteczność STOC-T w obrazowaniu siatkówki na poziomie komórkowym, co otwiera drogę do dalszego rozwoju tej techniki oraz jej integracji z nowoczesnymi narzędziami diagnostycznymi. Możliwość precyzyjnego śledzenia zmian neurodegeneracyjnych w czasie rzeczywistym sprawia, że metoda ta może mieć szerokie zastosowanie nie tylko w okulistyce, ale także w neurologii i badaniach nad schorzeniami, takimi jak choroba Alzheimera czy choroba Parkinsona, w których zmiany w siatkówce mogą stanowić jedno z wczesnych kryteriów diagnostycznych.

Autorzy pracy „Imaging of retinal ganglion cells and photoreceptors using Spatio-Temporal Optical Coherence Tomography (STOC-T) without hardware-based adaptive optics„: Marta Mikuła-Zdańkowska, Dawid Borycki, Piotr Węgrzyn, Karolis Adomavicius, Egidijus Auksorius, Maciej Wojtkowski.

Autor: red. naukowy Marcin Powęska