07.11.2021

Mikroperymetria dwufotonowa

Mikroperymetria jest subiektywną metodą badania pola widzenia, która umożliwia ocenę funkcji siatkówki w różnych jej miejscach. Mikroperymetria dwufotonowa jest rozwinięciem tej techniki. W przeciwieństwie do tradycyjnej mikroperymetrii, która wykorzystuje bodziec widzialny, mikroperymetria dwufotonowa wykorzystuje impulsowe lasery podczerwone jako źródło promieniowania optycznego. Osoba badana postrzega taki bodziec jako kolorowy dzięki zjawisku widzenia dwufotonowego [1].

Możliwość zastosowania mikroperymetrii dwufotonowej zależy w dużej mierze od parametrów lasera użytego do eksperymentów. Dlatego w ICTER prowadzimy szeroko zakrojone badania nad wpływem parametrów impulsowego lasera podczerwonego, takich jak: czas trwania impulsu, częstotliwość powtarzania impulsów, długość fali, na percepcję przez człowieka [2, 3]. Ponadto, prowadzimy kliniczną ocenę przydatności mikroperymetrii dwufotonowej do wcześniejszego i skuteczniejszego wykrywania zaburzeń funkcji wzrokowych oka [4]. Wierzymy, że głębsze zrozumienie zjawiska widzenia dwufotonowego, optymalizacja procedur badania pola widzenia oraz testy kliniczne pozwolą nam na dostarczenie użytecznego narzędzia dla okulistów na całym świecie.

Tekst: mgr inż. Marcin Marzejon

mmarzejon@ichf.edu.pl

[1] Ruminski et al., BOE 10(9), pp. 4551-4567 (2019). DOI: 10.1364/BOE.10.004551

[2] Marzejon et al., BOE 12(2), pp. 462-479 (2021). DOI: 10.1364/BOE.411168

[3] Marzejon et al., Proc. SPIE 11623, 116231N (2021). DOI: 10.1117/12.2582735

[4] Komar et al., AOVS 62(8), 2009 (2021)

Mikroperymetria dwufotonowa z impulsami pikosekundowymi

Marcin J. Marzejon, Łukasz Kornaszewski, Jakub Bogusławski, Piotr Ciąćka, Miłosz Martynow, Grażyna Palczewska, Sebastian Maćkowski, Krzysztof Palczewski, Maciej Wojtkowski & Katarzyna Komar

Abstract

Two-photon vision is a phenomenon associated with the perception of short pulses of near-infrared radiation (900-1200 nm) as a visible light. It is caused by the nonlinear process of two-photon absorption by visual pigments. Here we present results showing the influence of pulse duration and repetition rate of short pulsed lasers on the visual threshold. We compared two-photon sensitivity maps of the retina obtained for subjects with normal vision using a cost-effective fiber laser (λc = 1028.4 nm, τp = 12.2 ps, Frep = 19.17 MHz) and a solid-state laser (λc = 1043.3 nm, τp = 0.253 ps, Frep = 62.65 MHz). We have shown that in accordance with the description of two-photon absorption, the average optical power required for two-photon vision for a fiber laser is 4 times greater than that for a solid-state laser. Mean sensitivity measured for the first one is 5.9 ± 2.8 dB lower than for the second but still 17 dB away from the safety limit, confirming that picosecond light sources can be successfully applied in microperimetry. This development would dramatically reduce the cost and complexity of future clinical devices.

Link do publikacji

https://doi.org/10.1364/BOE.411168

03.11.2021

Obrazowanie STOC

Konwencjonalna skaningowa tomografia optyczna z detekcją w dziedzinie Fourierowskie (ang. Fourier-Domain Optical Coherence Tomography, FD-OCT) łączy bramkowanie czasowe z konfokalnym, umożliwiając szybkie, wysokiej rozdzielczości obrazowanie przekrojów siatkówki ludzkiej. Klasyczna FD-OCT nie zapewnia jednak wysokiej rozdzielczości obrazów zewnętrznych warstw siatkówki ze względu na aberracje oka i zasadniczy kompromis pomiędzy głębokością obrazowania a rozdzielczością poprzeczną.

Ten kompromis jest redukowany przez metodę pełno-polowej OCT (FF-OCT), która wykorzystuje dwuwymiarową kamerę zamiast jednoelementowej fotodiody. Jednak próba zwiększenia szybkości obrazowania FF-OCT poprzez detekcję w domenie Fouriera (FD) spowodowała kolejne poważne ograniczenie – spójność przestrzenna lasera generuje artefakty koherentne, co zmniejsza rozdzielczość przestrzenną.

Aby rozwiązać ten problem, opracowaliśmy nowy sposób kontroli fazy optycznej o nazwie STOC (Spatio-Temporal Optical Coherence). Zastosowanie STOC do pełnopolowej optycznej koherentnej tomografii Fouriera (FD-FF-OCT) nazywane jest tomografią STOC (STOC-T) lub obrazowaniem STOC i umożliwiło uzyskanie in vivo wysokorozdzielczych, wolumetrycznych obrazów skóry [1], siatkówki [2] i rogówki [3]. Dodatkowo, w naszej metodzie aberracje geometryczne są usuwane numerycznie, dzięki czemu uzyskujemy wysokorozdzielcze trójwymiarowe obrazy obiektów biologicznych na poziomie pojedynczych komórek [4,5].

Fig. 1. STOC imaging enables high-resolution imaging of the retina by spatial phase modulation (a). Computational aberration correction enables to correct the data in post-processing to remove aberrations (b). By repeating measurements at different locations, and stitching together the resulting images we obtain high fidelity wide area retinal images (c).

Tekst: dr Dawid Borycki, e-mail: dborycki@ichf.edu.pl

Referencje:

  1. Borycki, D., et al., Spatiotemporal optical coherence (STOC) manipulation suppresses coherent cross-talk in full-field swept-source optical coherence tomography. Biomed Opt Express, 2019. 10(4): p. 2032-2054.
  2. Stremplewski, P., et al., In vivo volumetric imaging by crosstalk-free full-field OCT. Optica, 2019. 6(5): p. 608-617.
  3. Auksorius, E., D. Borycki, and M. Wojtkowski, Crosstalk-free volumetric in vivo imaging of a human retina with Fourier-domain full-field optical coherence tomography. Biomed Opt Express, 2019. 10(12): p. 6390-6407.
  4. Auksorius, E., et al., In vivo imaging of the human cornea with high-speed and high-resolution Fourier-domain full-field optical coherence tomography. Biomed Opt Express, 2020. 11(5): p. 2849-2865.
  5. Borycki, D., et al., Computational aberration correction in spatiotemporal optical coherence (STOC) imaging. Opt Lett, 2020. 45(6): p. 1293-1296.
21.10.2021

Obrazowanie rogówki In Vivo

Multimode fiber enables control of spatial coherence in Fourier-domain full-field optical coherence tomography for in vivo corneal imaging

Egidijus Auksorius, Dawid Borycki, and Maciej Wojtkowski

Abstract

Fourier-domain full-field optical coherence tomography (FD-FF-OCT) has recently emerged as a fast alternative to point-scanning confocal OCT in eye imaging. However, when imaging the cornea with FD-FF-OCT, a spatially coherent laser can focus down on the retina to a spot that exceeds the maximum permissible exposure level. Here we demonstrate that a long multimode fiber with a small core can be used to reduce the spatial coherence of the laser and, thus, enable ultrafast in vivo volumetric imaging of the human cornea without causing risk to the retina.

Link to publication

https://doi.org/10.1364/OL.417178

21.10.2021

Aplikacje telemedyczne

Smartphone-based optical palpation: towards elastography of skin for telehealth applications

Rowan W. Sanderson, Qi Fang, Andrea Curatolo, Aiden Taba, Helen M. DeJong, Fiona M. Wood, and Brendan F. Kennedy

Abstract

Smartphones are now integral to many telehealth services that provide remote patients with an improved diagnostic standard of care. The ongoing management of burn wounds and scars is one area in which telehealth has been adopted, using video and photography to assess the repair process over time. However, a current limitation is the inability to evaluate scar stiffness objectively and repeatedly: an essential measurement for classifying the degree of inflammation and fibrosis. Optical elastography detects mechanical contrast on a micrometer- to millimeter-scale, however, typically requires expensive optics and bulky imaging systems, making it prohibitive for wide-spread adoption in telehealth. More recently, a new variant of optical elastography, camera-based optical palpation, has demonstrated the capability to perform elastography at low cost using a standard digital camera. In this paper, we propose smartphone-based optical palpation, adapting camera-based optical palpation by utilizing a commercially available smartphone camera to provide sub-millimeter resolution imaging of mechanical contrast in scar tissue in a form factor that is amenable to telehealth. We first validate this technique on a silicone phantom containing a 5 × 5 × 1 mm3 embedded inclusion, demonstrating comparative image quality between mounted and handheld implementations. We then demonstrate preliminary in vivo smartphone-based optical palpation by imaging a region of healthy skin and two scars on a burns patient, showing clear mechanical contrast between regions of scar tissue and healthy tissue. This study represents the first implementation of elastography on a smartphone device, extending the potential application of elastography to telehealth.

Link to publication

https://doi.org/10.1364/BOE.424567

21.05.2021

dr Andrzej Foik – kierownik Zespołu Biologii Okulistycznej otrzymał grant w ramach programu SONATA 16 finansowanego przez NCN

05.05.2021

NCN ogłosiło wyniki konkursu na polsko-litewskie projekty badawcze – DAINA 2. Wśród laureatów znaleźli się prof. Wojtkowski i dr Auksorius.

05.03.2021

Widzenie dwufotonowe

Effects of laser pulse duration in two-photon vision threshold measurements

Marcin Marzejon, Łukasz Kornaszewski, Maciej Wojtkowski, Katarzyna Komar

Abstract

Pulsed near-infrared (NIR) light sources can be successfully applied for both imaging and functional testing of the human eye, as published recently. These two groups of applications have different requirements. For imaging applications, the most preferable is invisible scanning beam while efficiently visible stimulating beam is preferable for functional testing applications. The functional testing of human eye using NIR laser beams is possible due to two-photon vision (2PV) phenomenon. 2PV enables perception of pulsed near-infrared laser light as color corresponding to approximately half of the laser wavelength. This study aims to characterize two-photon vision thresholds for various pulse lengths from a solidstate sub-picosecond laser (λc = 1043.3 nm, Frep = 62.65 MHz), either of 253 fs duration or elongated by Martinez- type stretcher to 2 ps, and fiber-optic picosecond laser (λc = 1028.4 nm, Frep = 19.19 MHz, τp = 12.2 ps).

Link to publication

https://doi.org/10.1117/12.2582735

19.10.2020

Edycja zasad adeninowych

Nabłonek barwnikowy siatkówki (ang. Retinal pigment epithelium; RPE) znajduje się w tylnej części oka, bezpośrednio za siatkówką i odpowiada za dostarczanie do fotoreceptorów cząsteczek chemicznych wykorzystywanych w procesie widzenia. Jednym z białek produkowanych w komórkach RPE i niezbędnym dla widzenia jest enzym RPE65. Mutacja genu RPE65 leży u podstaw wrodzonej choroby genetycznej oczu objawiającej się ślepotą. W naszych badaniach wykorzystywaliśmy edytory adeniny (adenine base editors, ABEs) w systemie Cas9 – sg RNA (ang. single-guide RNA), aby otworzyć de novo ścieżkę mutacji punktowych w celu ich naprawy. Geny kodujące ABEs i system Cas9 dostarczyliśmy do komórek nabłonka barwnikowego siatkówki za pomocą wektorów lentiwirusowych w iniekcji podsiatkówkowej. W wyniku zastosowanej metody terapeutycznej chorobotwórcze mutacje zostały naprawione z wydajnością do 29% z bardzo ograniczonym występowaniem mutacji typu indel (insercja -delecja) lub off-target. Uzyskana wydajność naprawcza edytorów adeniny była wystarczająca, aby u myszy poddanych terapii przywrócona została zarówno ekspresja białka RPE65 i jego aktywność niezbędna dla cyklu widzenia. Zaobserwowaliśmy również odzyskane  niemal na poziomie normalnym funkcje siatkówki i funkcje wzrokowe. Obiecujące wyniki naszych badań są przesłanką do dalszych testów terapii wrodzonych chorób siatkówki z wykorzystaniem edytorów adeniny oraz badań nad korygowaniem chorobotwórczych mutacji za pomocą niekanonicznych sekwencji PAM (ang. non-canonical protospacer-adjacent motifs).

Autorzy:

dr Andrzej Foik, e-mail: afoik@ichf.edu.pl & dr Anna Posłuszny, e-mail: aposluszny@ichf.edu.pl

Publikacja:

Restoration of visual function in adult mice with an inherited retinal disease via adenine base editing

Susie Suh, Elliot H. Choi, Henri Leinonen, Andrzej T. Foik, Gregory A. Newby, Wei-Hsi Yeh, Zhiqian Dong, Philip D. Kiser, David C. Lyon, David R. Liu & Krzysztof Palczewski

Abstract

Cytosine base editors and adenine base editors (ABEs) can correct point mutations predictably and independent of Cas9-induced double-stranded DNA breaks (which causes substantial indel formation) and homology-directed repair (which typically leads to low editing efficiency). Here, we show, in adult mice, that a subretinal injection of a lentivirus expressing an ABE and a single-guide RNA targeting a de novo nonsense mutation in the Rpe65 gene corrects the pathogenic mutation with up to 29% efficiency and with minimal formation of indel and off-target mutations, despite the absence of the canonical NGG sequence as a protospacer-adjacent motif. The ABE-treated mice displayed restored RPE65 expression and retinoid isomerase activity, and near-normal levels of retinal and visual functions. Our findings motivate the further testing of ABEs for the treatment of inherited retinal diseases and for the correction of pathological mutations with non-canonical protospacer-adjacent motifs.

Link to publication

https://doi.org/10.1038/s41551-020-00632-6