Kategoria: Aktualności

Na świecie na poważne zaburzenia wzroku lub ślepotę cierpi aż 285 milionów ludzi. Niestety, większość z nich nie ma dostępu do nowoczesnych metod leczenia, przez co na pomoc często przychodzi za późno. Może się to zmienić dzięki usprawnieniu narzędzia diagnostycznego do wykrywania patologii oka znanego od trzech dekad.

Tomografia optyczna OCT jest jednym z najbardziej podstawowych i najdokładniejszych badań wykorzystywanych w diagnostyce chorób oczu. Pozwala szczegółowo obejrzeć poszczególne struktury oczu, a tym samym wykryć choroby plamki żółtej, zmiany cukrzycowe siatkówki, jaskrę czy nowotwory. Niestety, nie jest to metoda idealna, bo naturalnie pojawiające się szumy podczas badania znacznie ograniczają dokładność obrazowania. Zespół naukowców z Międzynarodowego Centrum Badań Oka (ICTER) postanowił to zmienić, wprowadzając do metody OCT istotne zmiany. Tak powstała jeszcze lepsza czasowo-częstotliwościowa tomografia optyczna OCT, która tłumi szumy i pozwala na uzyskiwanie dokładnych obrazów.

Badania zostały przeprowadzone przez dr Edgidijusa Auksoriusa, dr Dawida Boryckiego, Piotra Węgrzyna i prof. Macieja Wojtkowskiego z ICTER, a wyniki opublikowano w czasopiśmie „Optics Letters” w pracy zatytułowanej „Multimode fiber as a tool to reduce cross talk in Fourier-domain full-field optical coherence tomography„.

Jak przebiega badanie OCT?

Metodę OCT cechuje wysoka rozdzielczość, dlatego jest jednym z najczęściej stosowanych badań okulistycznych. Jest całkowicie bezbolesna i bezpieczna – nie ma żadnych przeciwwskazań do jej stosowania (badanie może być wykonywane nawet u kobiet w ciąży). Najlepiej sprawdza się w diagnostyce oczu, np. postępu jaskry, retinopatii cukrzycowej, czy zwyrodnienia plamki żółtej związanego z wiekiem (AMD), które stanowią najczęstszą przyczynę utraty widzenia centralnego wśród osób w podeszłym wieku. W początkowej fazie AMD na dnie oka można zaobserwować pojedyncze złogi, czyli przegrupowania barwnika oraz subtelne zmiany zanikowe. Podczas gdy w przypadku rozwoju cukrzycy w obrazach OCT obserwuje się zmiany struktury mikronaczyniowej siatkówki.

Samo badanie OCT trwa kilka-kilkanaście minut. Pacjent siada przed specjalnym aparatem i ma patrzeć we wskazany przez lekarza punkt, ograniczając mruganie. Głowica pomiarowa ustawiona jest 2-3 cm od oka, więc nie ma możliwości, by miała jakikolwiek kontakt z naszym narządem wzroku. W większości przypadków badanie OCT nie wymaga specjalnego przygotowania – pacjent może przyjechać na nie samochodem. Sama interpretacja wyników jest jednak złożona, dlatego powinna być przeprowadzona przez doświadczonego okulistę.

Biofizyka OCT

Zrozumienie podstaw fizycznych badania OCT nie jest łatwe. Technika ta pozwala na przeprowadzenie „biopsji optycznej” w czasie rzeczywistym, czyli wizualizacje mikrostruktury tkanki oraz zdiagnozowanie ewentualnych zmian patologicznych. W tomografii optycznej wszelkie dane o strukturze obiektu są uzyskiwane z natężenia sygnału interferencyjnego (powstałego w wyniku nakładania się dwóch wiązek laserowych). Tomografia optyczna OCT stosowana obecnie w gabinetach okulistycznych na całym świecie wykorzystuje ciekawą własność światła, zwaną spójnością w czasie lub spójnością w przestrzeni. Podczas badania OCT wykorzystuje się źródła światła częściowo spójnego (czasowo, ale nie przestrzennie) – aparat dokonuje pomiaru różnicy dróg optycznych między zwierciadłem w interferometrze a kolejnymi warstwami próbki obiektu (okiem).

Wewnątrz interferometru znajduje się specjalna płytka, która dzieli promienie na dwie części i rejestruje interferencję promienia odbitego od struktur tkanek i promienia padającego. Znając różnice dróg optycznych, można określić położenie analizowanych struktur oka. Dane są przetwarzane przez komputer, a następnie prezentowane pod postacią dwuwymiarowych obrazów przekrojów (tomogramów).

Tkanki to struktury wieloskładnikowe, które w różny sposób rozpraszają światło. W zależności od stopnia odbicia lub pochłaniania promieniowania, prezentowany jest obraz w skali szarości lub barwach. Obiekty o najwyższym współczynniku odbicia widoczne są na czerwono lub biało, a o najsłabszym sygnale w ciemnych kolorach lub ciemnoszaro. Tkanki o pośrednich wartościach odbijania światła prezentują się w barwie żółto-zielonej lub odcieniach szarości.

W przypadku tomografii optycznej z użyciem światła częściowo spójnego wykorzystywana jest interferometria niskokoherentna, czyli taka, w której interferencja promieniowania zachodzi na drodze rzędu mikrometrów (dzięki zastosowaniu diod superluminescencyjnych lub laserów o krótkich impulsach). Zazwyczaj stosuje się źródła promieniowania z zakresu podczerwieni. Do klasycznego badania OCT nie można stosować źródeł światła niespójnego (np. halogenów, LED-ów czy żarówek).

Zespół naukowców z Międzynarodowego Centrum Badań Oka (ICTER) jako pierwszy na świecie połączył właściwości spójności światła w czasie i przestrzeni, co umożliwia dokładniejszą diagnostykę oka.

Jak można usprawnić metodę OCT?

Czasowo-częstotliwościowa tomografia optyczna OCT (Spatio-Temporal Optical Coherence Tomography STOC-T) jest skutecznym narzędziem do obrazowania oka dzięki swojej szybkości i zdolności do pozyskiwania stabilnej informacji fazowej w pełnym polu widzenia (nie dla skanującej, skupionej wiązki  jak w przypadku lasera). Do tej pory, głównym problemem przy stosowaniu tej metody (od 2006 r.), był szum (tzw. plamki), który utrudnia dokładną wizualizację naczyniówki – części oka kluczowej ze względu na udział w patogenezie wielu chorób (dostarcza tlen i składniki odżywcze do fotoreceptorów). Naukowcy z ICTER wykoncypowali, że użycie światłowodu wielomodowego o odpowiedniej długości, poprawia obrazowanie oka.

Światłowód wielomodowy to taki, który na swoim końcu emituje kilkaset niepowtarzających się wzorów przestrzennych w przekroju wiązki (tzw. modów poprzecznych). Do tej pory wykorzystywano wielokrotnie takie urządzenia do transmisji danych za pomocą światła, ale nikt nie wpadł na to, że kilkaset metrów takiego światłowodu powoduje, że każdy ze wzorków przestrzennych będzie wychodził z niego w różnym czasie. Dzięki temu uzyskuje się kilkaset obrazów OCT rejestrowanych w tym samym pomiarze, które po dodaniu do siebie redukują niepożądane efekty, takie jak szum plamkowy. Dzięki wykorzystaniu tego pomysłu do OCT zespół uczonych z ICTER opracował nowy sposób kontroli fazy optycznej STOC-T, który pozwolił na uzyskanie in vivo obrazów siatkówki i rogówki w wysokiej rozdzielczości. Ta metoda pozwala znacznie lepiej zobaczyć obrazy przekrojów z warstwy naczyniowej znajdującej się pod siatkówką (do tej pory nie było to możliwe). Warto podkreślić, że światłowód był używany pasywnie, bez żadnych ruchomych elementów.

Tomografia optyczna OCT jest jednym z rutynowych badań okulistycznych na całym świecie. Dzięki usprawnieniom zespołu ICTER, pozwoli ona na identyfikowanie zmian na poziomie komórkowym, co przełoży się na lepszą diagnostykę oraz zrozumienie powstawania różnych chorób oczu.

Autor: Marcin Powęska

Zdjęcia Piotra Węgrzyna wykonał: Karol Karnowski

Publikacja

Tytuł:

Multimode fiber as a tool to reduce cross talk in Fourier-domain full-field optical coherence tomography

Autorzy:

Egidijus Auksorius, Dawid Borycki, Piotr Wegrzyn, Ieva Žičkienė, Karolis Adomavičius, Bartosz L. Sikorski, and Maciej Wojtkowski.

Magazyn naukowy:

Optics Letters Vol. 47,Issue 4, pp. 838-841(2022) DOI: https://doi.org/10.1364/OL.449498

4 lutego to Światowy Dzień Walki z Rakiem. To okazja, żeby poprawić świadomość społeczeństwa na temat tej ciężkiej i trudnej do zwalczenia choroby dotykającej miliony ludzi na całym świecie.

Rak jest nazwą ogólną dla grupy nowotworów złośliwych wywodzących się z tkanki nabłonkowej, choć potocznie używana jest w odniesieniu do wszystkich nowotworów złośliwych, rozwijających się w różnych częściach ciała.

Jako jednostka naukowa, ICTER (ang. International Centre for Translational Eye Research, pl. Międzynarodowe Centrum Badań Oka) jest szczególnie zainteresowane nowotworami złośliwymi rozwijającymi się w obrębie narządu wzroku. Do najczęstszych należą: czerniak, chłoniak, rak płaskonabłonkowy, oraz dotykający dzieci – siatkówczak oka.

Czerniak zarówno oka jak i bardziej powszechny rozwijający się na skórze pochodzi z dzielących się szybko i w sposób niekontrolowany komórek barwnikowych – melanocytów. Czerniaki oka umiejscawiają się w różnych miejscach gałki ocznej, a także na powiekach. 

Wśród czynników predysponujących do rozwoju nowotworu należą: jasny kolor oczu i skóry, obecność na skórze znamion o nieregularnych kształtach, nadużywanie kąpieli słonecznych w tym solariów, a także wiek (powyżej 50 r. ż.). Badania wielu zespołów naukowych nad genetycznymi uwarunkowaniamijednego z czerniaków oka, tzw. uveal melanoma (UM) wskazały na szereg genów, których mutacje prowadzą do rozwoju nowotworu. Wśród nich znajdują się geny: GNAQ, GNA11, PLCB4,CYSLTR2, BAP1, SF3B1, EIF1AX oraz ostatnio zidentyfikowany MBD4, których produkty białkowe zaangażowane są w wiele procesów biologicznych. Wcześnie zdiagnozowany nowotwór na początkowych stadiach wzrostu może być skutecznie leczony. Natomiast przerzuty z guza pierwotnego do innych części ciała, jakie odnotowuje się u około połowy chorych prowadzą do śmierci w 20-30% przypadków w ciągu 5 lat, a aż w 45% w ciągu 15 lat od diagnozy. To przerzuty stanowią największe wyzwanie w leczeniu nowotworów nie tylko narządu wzroku.

W leczeniu czerniaka lekarze wspomagają się radioterapią, zabiegami laserowymi oraz operacjami chirurgicznymi mającymi na celu usunięcie nowotworu z zachowaniem oka. Opisane są też przypadki dające nadzieję na sukces w leczeniu UM z wykorzystaniem inhibitorów PD1 – preparatów stosowanych w obiecującej i stosunkowo nowej terapii celującej w punk kontrolujący programowaną śmierć komórki. Poza wspomnianą terapią testowane są inne rozwiązania będące w różnych fazach badań klinicznych. Poza immunoterapią, badane są potencjalne leki w ramach tzw. terapii celowanej (wymierzonej np. w konkretny enzym działający w komórce), terapii epigenetycznej (wymierzonej w białka modyfikujące DNA), czy leczenia specyficznego dla wątroby, będącej głównym narządem, w którym rozwijają się przerzuty czerniaka oka. Poszukiwania skutecznych leków nie ustają, wiele badań zakończyło się porażką, wiele z nich wciąż daje nadzieje, a kolejne są w początkowych fazach i rekrutacje ochotników trwają.

Podobnie rzecz się ma z mniej popularnym chłoniakiem wewnątrzgałkowym oka. Pierwotny chłoniak wewnątrzgałkowy jest „odmianą” chłoniaka centralnego układu nerwowego, podczas gdy wtórny chłoniak okarozwija się poza układem nerwowym i zajmuje oko w wyniku przerzutowania. Etiologia chłoniaka pierwotnego jest wciąż tajemnicza. Uważa się, że rozwój nowotworu wewnątrz oka jest następstwem “zwabienia” odpowiednich komórek krążących w naczyniówce oka do nabłonka barwnikowego siatkówki poprzez obecne w nim chemoatraktanty takie jak BLC (ang. B-lymphocyte chemoattractant), czy SDF-1 (ang. stromal cell-derived factor-1). Większość chłoniaków pierwotnych oka powstaje z limfocytów B, a jedynie nieliczne z limfocytów T. Według innej teorii – proponowanej dla chorych z upośledzonym układem immunologicznym np. z AIDS, czynniki infekcyjne takie wirus EPV (ang. Epstein-Barr virus) powodują niekontrolowaną proliferację limfocytów B pod nieobecność supresorowych limfocytów T.

Przy obrazowaniu chłoniaka, czy siatkówczaka oka (opisanego poniżej), wykorzystuje się wiele metod, w tym opracowaną przez założyciela ICTER metodę OCT (ang. Optical coherence tomography). 

W leczeniu chłoniaka wykorzystuje się zarówno rozwiązania o działaniu miejscowym – nastrzykiwanie oka lekami (Methotrexate, Rituximab) radioterapię, czy witrektomię (operację przeprowadzaną w tylnym odcinku gałki ocznej, na ciele szklistym i siatkówce), jak również rozwiązania systemowe. Obecnie stosuje się chemoterapię z użyciem pojedynczych leków oraz wersję kombinowaną, kiedy pacjent otrzymuje jednocześnie różne leki. Powszechnym staje się łączenie chemioterapii z naświetlaniem. Mimo dopuszczenia do kliniki kilku preparatów, wciąż opracowywane są nowe – bardziej skuteczne i bezpieczne.

Kolejnym przykładem nowotworu oka jest siatkówczak. Pacjenci to małe dzieci w wieku poniżej 5 roku życia, u których nowotwór rozwija się w siatkówce jednego bądź obu oczu. Wcześnie zdiagnozowany i odpowiednio leczony daje szanse na pełne wyleczenie. Szacuje się, że za 40% przypadków odpowiadają czynniki genetyczne – odziedziczone lub nabyte wskutek mutacji somatycznych. Geny, których mutacje prowadzą do rozwoju nowotworu to m. in.: RB1, BCOR, MDM4, KIF14, MYCN, DEK, E2F3, CDH11 czy RBL2, które kodują białka zaangażowane w różne procesy biologiczne. Ponadto zmiany w metylacji niektórych genów (np. SYK) oraz rozregulowany poziom pewnych mikro RNA (klaster miR-17~92 imiR-106b~25) są przyczyną rozwoju siatkówczaka. Sposób leczeniasiatkówczaka zależy od wielkości guza. W przypadku małych rozmiarów stosuje się krioterapię lub laserową fotokoagulację, czy termoterapię. Większe nowotwory leczone są z wykorzystaniem brachy- i radioterapii, chemioterapii ogólnej lub podawanej miejscowo, oraz w skrajnych przypadkach, gdy guz osiąga znaczne rozmiary, chirurgicznie (przez usuniecie całego oka). Nieleczony siatkówczak może się rozrastać i dawać przerzuty do węzłów chłonnych, kości, szpiku oraz centralnego układu nerwowego. Ponadto w przypadku chorych obciążonych genetycznie – z mutacją w genie RB1, istnieje zwiększone ryzyko rozwinięcia innych guzów pierwotnych. W późniejszym wieku u takich osób może rozwinąć się rak kości, płuc, pęcherza moczowego czy czerniak.

Rak płaskonabłonkowym rozwijający się w różnych częściach ludzkiego oka – najczęściej na powierzchni gałki ocznej jest mniej inwazyjny od omówionych powyżej nowotworów i zwykle nie daje przerzutów do innych organów. Nieleczony może rozprzestrzenić się w obrębie oka i doprowadzić do jego utraty.

W walce z nowotworami oka ważne jest szybkie ich wykrycie oraz zastosowanie odpowiednich środków leczenia, które dzięki osiągnieciom nauki wciąż są udoskonalane. Dla naukowców ICTER to jeden z ważniejszych celów.

Autor: Dr Magdalena Banach-Orłowska

Źródła:

https://www.zwrotnikraka.pl/swiatowy-dzien-walki-z-rakiem/

https://www.nhs.uk/conditions/eye-cancer/

https://www.cancerresearchuk.org/about-cancer/eye-cancer/treatment/decisions

https://academic.oup.com/jnci/article/113/1/80/5814932?login=false

https://www.nature.com/articles/s41467-018-04322-5

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC5824910/

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK576390/#article-140272.s2

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7774148/

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC6034991/

https://www.nhs.uk/conditions/retinoblastoma/

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7774148/

Międzynarodowe Centrum Badań Oka (ang. International Centre for Translational Eye Research, ICTER) powstało, by czynnie uczestniczyć w walce z chorobami oczu, jaką toczy wielu pacjentów, lekarzy oraz naukowców na całym świecie. Dzięki interdyscyplinarnemu charakterowi centrum działamy na wielu frontach.

Konstruujemy nowe narzędzia diagnostyczne, nowoczesne instrumenty chirurgiczne, poszukujemy nowych terapii farmakologicznych oraz genowych, badamy połączenia pomiędzy komórkami drogi wzrokowej w zdrowym i chorym układzie, budujemy narzędzia wspomagające widzenie u osób ze poważnymi zaburzeniami widzenia,a takżeszukamy nieznanych molekularnych mechanizmów rozwoju chorób oka.

Osiągnięcia naszych naukowców mają pomóc w diagnostyce, zapobieganiu i leczeniu wielu schorzeń, czy upośledzeń narządu wzroku prowadzących do pogarszania się, a nawet utraty widzenia.

Lista badanych w ICTER chorób zawiera zarówno stosunkowo rzadkie nowotwory oka (siatkówczak, pierwotny chłoniak wewnątrzgałkowy, czerniak oka), chorobę Stargardta czy wrodzoną ślepotę Lebera; częściej występujące, jak np. retinopatię barwnikową oraz najbardziej powszechne wśród chorób i zwyrodnień oka: jaskrę, zaćmę, zwyrodnienie plamki żółtej związane z wiekiem, retinopatię cukrzycową, czy starczowzroczność.

Według ostatniego raportu WHO (World report on vision; https://www.who.int/news-room/fact-sheets/detail/blindness-and-visual-impairment) chorych na zaćmę na całym świecie w roku publikacji raportu było aż 65.2 mln. Choroba ta najczęściej dotyka ludzi po 60 roku życia i może prowadzić do zupełnej utraty wzroku. Objawia się zmętnieniem soczewki, pogorszeniem ostrości widzenia, problemami z czytaniem czy oglądaniem telewizji. Wedle szacunków z 2019 roku 10.4 mln ludzi na całym świecie cierpiało na zwyrodnienie plamki żółtej związane z wiekiem, polegające na uszkodzeniu centralnej części siatkówki oka i prowadzące doupośledzeniu widzenia, zniekształcenia linii prostych, pojawianiu się cieni i mroczek w polu widzenia. Kolejna w rankingu jaskra dotyka 6.9 mln osób na całym globie ipoczątkowo nie dając objawów, w dalszych etapach swojego rozwoju pogarsza jakość widzenia obrzeży obrazu by w skrajnych przypadkach prowadzić do utraty wzroku. Przyczyną jaskry jest wzrost ciśnienia wewnątrz gałki ocznej, a główne objawy to zaczerwienienie i ból gałki ocznej, mglistość widzianego po przebudzeniu obrazu oraz zawroty głowy. Raport WHO informuje o 4 mln ludzi cierpiących z powodu zmętnienia rogówki, spowodowanego jej uszkodzeniami, infekcjami, a także niedoborem w dzieciństwie witaminy A.

Retinopatia cukrzycowa (3 mln przypadków na rok 2019 według WHO) to kolejna choroba będąca przedmiotem zainteresowań badaczy z ICTER. Powodowana uszkodzeniem drobnych naczyń siatkówki oka, powstającym w odpowiedzi na długotrwały wzrost poziomu glukozy we krwi cukrzyka, objawia się poważnymi zaburzeniami widzenia. Nieostry obraz, mroczki, pogorszenie widzenia w nocy oraz postępująca utrata wzroku to konsekwencje zaburzeń krążenia krwi w naczyniach krwionośnych oka, wylewu krwi do siatkówki i ciała szklistego oraz odwarstwiania się siatkówki. Do diagnostyki retinopatii cukrzycowej, jak również wielu innych chorób oka i wad wzroku stosuje się powszechnie już tomografię OCT.

Wierzymy, że naukowcy z ICTER wynikami swojej codziennej pracy będą pomagać wielu ludziom na całym świecie. Zarówno tym cierpiącym na choroby oczu jak i tym, których wzrok pogarsza się w miarę upływu lat.

Autor: dr Magdalena Banach-Orłowska

Nawet łagodne urazy głowy mogą oznaczać poważne konsekwencje w działaniu mózgu na najbardziej pierwotnej płaszczyźnie. Badania opublikowane w Communications Biology pokazują, jak głęboko sięgają negatywne zmiany spowodowane mechanicznymi urazami mózgu.

Urazy tylnej części kory potylicznej są powszechne u ludzi. Mechaniczne uszkodzenie mózgu (ang. Traumatic brain injury; TBI) może prowadzić do długotrwałych zaburzeń widzenia (jak utrata ostrości wzroku) – szacunki wskazują, że aż 75% obecnych lub byłych żołnierzy żyje z trwałą dysfunkcją wzroku lub ślepotą korową. TBI wiąże się z mechanicznym uszkodzeniem mózgu i szerokim zakresem nieprawidłowości w funkcjonowaniu neuronów.

Ludzki mózg cechuje się zaskakującą plastycznością. Nawet w przypadku urazu jednej części, funkcje uszkodzonych neuronów przejmują inne komórki. Dzieje się tak, gdyż tkanka nerwowa ma niezwykłą zdolność do tworzenia nowych połączeń, mających na celu reorganizację, adaptację, zmienność i autonaprawę całego organu.

Taka neuroplastyczność charakteryzuje również obszary czuciowe kory wzrokowej. Jest to region mózgu odpowiedzialny za przetwarzanie wrażeń wzrokowych tj. orientację bodźca lub jego położenie i kierunek ruchu. Do pierwszorzędowej kory wzrokowej (V1) dochodzą włókna nerwowe promienistości wzrokowej, które przenoszą impulsy nerwowe z siatkówek obojga oczu.

Do tej pory naukowcy niewiele wiedzieli na temat wpływu TBI na długotrwałe funkcjonowanie obwodów wzrokowych. Jan C. Frankowski i Andrzej T. Foik wraz ze współpracownikami zbadali in vivo u dorosłych myszy, jak wygląda odpowiedź neuronów na bodźce wzrokowe dwa tygodnie i trzy miesiące po łagodnym urazie pierwotnej kory wzrokowej (V1). Neurony V1 normalnie wykazują wrażliwość na różne cechy bodźca, takie jak kolor czy kierunek ruchu. Stamtąd przetworzone dane przekazywane są do kolejnych obszarów kory wzrokowej.

Badania wykazały, że chociaż pierwotna kora wzrokowa pozostała w dużej mierze nienaruszona po urazie mózgu, nastąpiła redukcja liczby neuronów o 35%. Dotyczyło to w znacznym zakresie neuronów hamujących niż neuronów pobudzających, które – jak wskazują nazwy – hamują lub pobudzają działanie w komórce docelowej.

Po TBI mniej niż połowa wyizolowanych neuronów była wrażliwa na bodźce wzrokowe (32% po 2 tygodniach od urazu; 49% po 3 miesiącach od zdarzenia), w porównaniu z 90% komórek V1 w grupie kontrolnej. Nawet trzykrotnie spadła aktywność neuronów po urazie mózgu, a same komórki gorzej reagowały na bodźce przestrzenne. To oznacza, że nawet niewielkie urazy mózgu powodują długotrwałe upośledzenie sposobu odbioru bodźców wzrokowych – utrzymujące się kilka miesięcy po zdarzeniu.

Głębsze zrozumienie zaburzeń funkcjonalnych w uszkodzonej korze wzrokowej jest ważne, ponieważ może zapewnić podstawy dla rozwoju terapii na poziomie obwodów neuronalnych w przypadku uszkodzenia kory wzrokowej.

Autor informacji prasowej: Marcin Powęska.

Zdjęcie dr Andrzeja Foika wykonał fotograf Grzegorz Krzyżewski.

Publikacja

Tytuł:

Traumatic brain injury to primary visual cortex produces long-lasting circuit dysfunction

Autorzy:

Jan C. Frankowski, Andrzej T. Foik, Alexa Tierno, Jiana R. Machhor, David C. Lyon & Robert F. Hunt 

Magazyn naukowy:

Communications Biology volume 4, Article number: 1297 (2021) Cite this article

Biochemia widzenia to skomplikowany proces. Molekuły pozwalające oglądać otaczającą rzeczywistość przez długi czas pozostawały nieuchwytne dla naukowców. Zespół prowadzony przez prof. Macieja Wojtkowskiego z Międzynarodowego Centrum Badań Oka (ICTER) proces ten umożliwia dzięki innowacyjnemu dwufotonowemu skaningowemu oftalmoskopowi fluorescencyjnemu.

Zwykło się mawiać, że oczy są zwierciadłem duszy – bez wątpienia są jednak naszym oknem na świat. Mechanizmy zachodzące w siatkówce są kluczowe dla odbioru bodźców wzrokowych ze środowiska. To pierwszy i bardzo ważny etap drogi, jaką musi przejść impuls światła, by zostać przetworzony na obraz.

Przez wiele lat naukowcy i lekarze nie byli w stanie obserwować procesów zachodzących w fotoczułych komórkach siatkówki u ludzi. Zespół naukowców prowadzony przez prof. Macieja Wojtkowskiego z ICTER w Instytucie Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk (IChF PAN) stworzył dwufotonowy skaningowy oftalmoskop fluorescencyjny (TPEF-SLO). Jest to instrument pozwalający na podglądanie biochemii widzenia w żywym oku. Prof. Wojtkowski zwraca uwagę, że „dzięki ścisłej współpracy z biochemikiem prof. Krzysztofem Palczewskim z University of California Irvine oraz laserową grupą prof. Grzegorza Sobonia z Politechniki Wrocławskiej jesteśmy w stanie szybko i skutecznie walidować nową metodę obrazową i wykorzystać ją w praktyce”.

Jak to się dzieje, że widzimy?

Ludzkie oko jest jednym z najbardziej precyzyjnych narządów naszego ciała, umożliwiającym rozróżnienie ok. 200 barw czystych. Mieszając te barwy można uzyskać ok. 17 000 rozróżnialnych odcieni, a uwzględniając nasze możliwości odróżnienia ok. 300 stopni nasilenia barw związanych z natężeniem światła, uzyskamy oszałamiającą liczbę 5 milionów odbieranych kolorów.

W siatkówce, czyli części oka, która odbiera bodźce wzrokowe, występują czopki i pręciki. Czopki umożliwiają widzenie i rozróżnianie barw w silnym oświetleniu, a pręciki cechuje wrażliwość na pojedyncze impulsy światła widzialnego o zmroku lub w nocy. Wrażenia wzrokowe są przekazywane nerwem wzrokowym do mózgu (pierwotnej kory wzrokowej), ale impuls, który je przenosi powstaje w wyniku reakcji chemicznych zachodzących w komórkach siatkówki. „Upraszczając możemy powiedzieć, że ludzkie oko jest fabryką biochemiczną, której aktywność jest uzależniona od reakcji chemicznych jednej molekuły – retinalu. Ta cząsteczka jest niezbędna dla funkcji receptorów białek G, np. rodopsyny w pręcikach, i przetwarzania światła na impulsy elektryczne – mówi prof. Maciej Wojtkowski.

Rodopsyna jest światłoczułym receptorem białka G. Zaabsorbowanie kwantu promieniowania powoduje izomeryzację 11-cis-retinalu związanego z rodopsyna, jego uwolnienie i inicjację impulsu wzrokowego przekazywanego do mózgu. W przypadku niedoboru witaminy A, która jest źródłem retinalu, dochodzi do tzw. kurzej ślepoty i ograniczenia zdolności do widzenia o zmroku lub w nocy.

Niestety, praktycznie przez cały cykl widzenia, molekuły niezbędne do prawidłowej funkcji siatkówki pozostają niewykrywalne dla instrumentów naukowych. To dlatego, że łatwo można je pomylić z lipofuscynami, czyli związkami odkładającymi się w siatkówce. „Jest jednak jeden proces fizyczny, dzięki któremu molekuły mogą być widoczne – nie możemy ich wykryć za pomocą promieniowania UV, ale możemy je dostrzec stosując fluorescencję ze wzbudzeniem dwufotonowym” – dodaje dr inż. Jakub Bogusławski – główny wykonawca projektu.

Proces dwufotonowy, paleta barw

Okulistyczne techniki obrazowania to podstawa w diagnozowaniu patologii siatkówki. Dzięki optycznej tomografii OCT, skaningowej oftalmoskopii laserowej (SLO) i autofluorescencji dna oka, dokonaliśmy postępów w mechanizmach ich zrozumienia. To jednak niewystarczający arsenał do pełnego wglądu w chemię widzenia. Nieinwazyjna ocena procesów metabolicznych zachodzących w komórkach siatkówki (regeneracja pigmentu wzrokowego) jest niezbędna dla rozwoju przyszłych terapii. W przypadku zwyrodnienia plamki żółtej związanego z wiekiem (AMD), które jest jedną z najczęstszych chorób powodujących ślepotę, na wczesnym etapie nie można odróżnić komórek zmienionej i prawidłowej siatkówki. Można jednak je wychwycić dzięki biochemicznym markerom – o ile udałoby się je wzbudzić fluorescencyjnie.

Właśnie taka jest idea obrazowania fluorescencyjnego ze wzbudzeniem dwufotonowym (TPE). Jest to zaawansowana technika pomiaru czynnościowego barwników siatkówki, która może ujawnić różne cechy tej części oka, niewidoczne w innych badaniach. W porównaniu do tradycyjnych metod obrazowania opartych na jednofotonowej fluorescencji, TPE pozwala oglądać metabolity witaminy A, które biorą udział w widzeniu. „Oko jest idealnym narządem do obrazowania metodą wielofotonową” – mówi prof. Wojtkowski, którego zespół odpowiada za odkrycie. Tkanki oka, takie jak twardówka, rogówka czy soczewka, są wysoce przezroczyste dla światła w bliskiej podczerwieni. To z kolei w sposób nieinwazyjny przenika do tkanek siatkówki.

Obrazy uzyskane dzięki TPEF-SLO potwierdziły, że jest to satysfakcjonujący sposób oglądania molekuł niezbędnych dla prawidłowej funkcji cyklu widzenia. Porównanie danych między ludźmi i mysimi modelami chorób siatkówki ujawniło podobieństwo do modeli mysich, w których szybko gromadzą się produkty kondensacji bisretinoidów, składników lipofuscyny. „Wierzymy, że molekuły kluczowe dla cyklu wzrokowego i toksyczne produkty uboczne tego szlaku metabolicznego będą mogły być mierzone i określane ilościowo za pomocą obrazowania TPE” – mówi dr Grażyna Palczewska, jeden z głównych wykonawców projektu.

Ten instrument pozwalający na nieinwazyjną ocenę stanu metabolicznego ludzkiej siatkówki otwiera liczne możliwości terapeutyczne dla wszystkich chorób degeneracyjnych siatkówki. Może być przydatny także do testowania nowych leków, bo dzięki zrozumieniu biochemii widzenia, lekarze będą w stanie trafiać dokładnie tam, gdzie potrzeba. Badania dotyczące TPEF-SLO zostały opublikowane w czasopiśmie: „The Journal of Clinical Investigation”.

Autor informacji prasowej: Marcin Powęska.

Zdjęcia prof. Macieja Wojtkowskiego wykonał fotograf Grzegorz Krzyżewski.

Publikacja

Tytuł:

In vivo imaging of the human eye using a two-photon excited fluorescence scanning laser ophthalmoscope

Magazyn naukowy:

The Journal of Clinical Investigation, Free access | 10.1172/JCI154218

Autorzy:

Jakub Boguslawski, Grazyna Palczewska, Slawomir Tomczewski, Jadwiga Milkiewicz, Piotr Kasprzycki, Dorota Stachowiak, Katarzyna Komar, Marcin J. Marzejon, Bartosz L. Sikorski, Arkadiusz Hudzikowski, Aleksander Głuszek, Zbigniew Łaszczych, Karol Karnowski, Grzegorz Soboń, Krzysztof Palczewski, and Maciej Wojtkowski.

Delegacja ICTER w składzie: prof. dr hab. Maciej Wojtkowski, dr Andrea Curatolo – kierownik Zespołu Badawczego IDoc, oraz Dyrektor Zarządzająca Anna Pawlus, reprezentowała Instytut Chemii Fizycznej oraz nasze centrum naukowo-badawcze podczas wydarzenia Back2business, Polish Research and Innovation networking event, we wtorek 9 listopada 2021 r., w Brukseli.

W wydarzeniu wzięli udział: dr Wojciech Kamieniecki – Dyrektor NCBR, Andrzej Sadoś – Stały Przedstawiciel RP przy UE, Signe Ratso – Zastępca Dyrektora Generalnego, DG Research and Innovation, Komisja Europejska, Ewa Kocińska-Lange – Dyrektor Biura NCBR w Brukseli / BSP, Agnieszka Ratajczak – Narodowe Centrum Badań i Rozwoju – moderator, prof. dr hab. Zbigniew Błocki – Narodowe Centrum Nauki, Przemysław Kurczewski – Narodowe Centrum Badań i Rozwoju, Malwina Górecka – Narodowa Agencja Wymiany Akademickiej, Michał Pietras – Fundacja na rzecz Nauki Polskiej, prof. dr hab. Paweł Rowiński – Polska Akademia Nauk, dr Piotr Dardziński – Sieć Naukowa Łukasiewicz oraz prof. dr hab. Elżbieta Żądzińska – Konferencja Rektorów Akademickich Szkół Polskich.

Nasza delegacja zaprezentowała osiągnięcia i wyniki badań Instytutu Chemii Fizycznej PAN oraz ICTER, a także nawiązała cenne kontakty na przyszłość.

Więcej informacji o wydarzeniu: Wydarzenie „Back2Business: Polish Research and Innovation” – podstawą innowacji jest współpraca – Narodowe Centrum Badań i Rozwoju – Portal Gov.pl (www.gov.pl)

Zdjęcia: Narodowego Centrum Badań i Rozwoju (NCBR) w Brukseli.

• 

• 

• 

Prof. dr hab. Robert Zawadzki przybył do ICTER, aby zainicjować współpracę nad rozwojem i zastosowaniem nowej generacji systemów obrazowania oka. W szczególności, wraz z badaczami POB oraz głównym badaczem i naukowcami IDoc, prof. Zawadzki skupił się na budowie i testowaniu prototypu Full Field Swept Source Optical Coherence Tomography (FF-SS-OCT) do obrazowania siatkówki in vivo. Prof. Zawadzki jest profesorem nadzwyczajnym okulistyki i nauki o widzeniu na Uniwersytecie Kalifornijskim w Davis. We współpracy z prof. Edwardem N. Pugh Jr. stworzył wspólne urządzenie do obrazowania oka u myszy, „EyePod” w Tupper Hall na głównym kampusie UC Davis. Jeden z nowych testów funkcjonalnych siatkówki opracowanych w tym laboratorium, tzw. optoretinografia (ORG), koncentruje się na pomiarze sygnałów optycznych wywołanych światłem z fotoreceptorów za pomocą OCT. 

W wyniku kolejnej rekrutacji na stanowiska Liderów Grup Badawczych, do naszego zespołu dołączyło dwóch kolejnych utalentowanych naukowców: dr Humberto Fernandes (Portugalia) i dr Marcin Tabaka.