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.
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).
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.
Siatkówka jest istotną częścią oka, ponieważ jest odpowiedzialna za przekształcanie światła w sygnały elektryczne, które są później przetwarzane w mózgu. Działa jak biologiczny fotodetektor. Obrazowanie struktury i funkcji żywej siatkówki ma kluczowe znaczenie dla skutecznego diagnozowania i leczenia chorób oczu oraz opracowywania leków. Informacje strukturalne o siatkówce można uzyskać m.in. dzięki badaniom OCT. Jednakże, zmiany funkcjonalne są pierwszymi oznakami wczesnych procesów patologicznych i często poprzedzają zmiany strukturalne; uzyskanie tych informacji jest obecnie bardzo trudne.
Siatkówka ma strukturę warstwową, która jest wypełniona różnymi fluoroforami. Na przykład, nabłonek barwnikowy siatkówki (RPE) zawiera lipofuscynę, produkt uboczny cyklu widzenia. Lipofuscyna gromadzi się z wiekiem, ale także wraz z postępem choroby. Inne przykłady to retinol i estry retinylowe (pochodne witaminy A aktywne w cyklu wzrokowym), melanina, FAD, NADH, kolagen i elastyna. Substancje te mogą dostarczyć cennych informacji o stanie zdrowia siatkówki i mogą być cennym narzędziem do wykrywania zmian funkcjonalnych w przebiegu zwyrodnienia plamki związanego z wiekiem, retinopatii cukrzycowej lub jaskry.
Standardowe obrazowanie autofluorescencji oka wizualizuje rozkład fluoroforów siatkówki, ale dostępna jest tylko informacja o intensywności. W rezultacie sygnały pochodzące od różnych fluoroforów nie mogą być rozróżnione. Lipofuscyna jest dominującym fluoroforem, a jej silny sygnał miesza się z innymi, pochodzącymi zwykle z znacznie słabszych źródeł. Różne fluorofory różnią się właściwościami fluorescencji, tj. czasem życia fluorescencji i widmem fluorescencji. Stanowi to dodatkowy parametr dyskryminacyjny, który pozwala je od siebie odróżnić.
Oko jest oknem na świat, ale ma też określony zakres transmisji. W związku z tym, wiele fluoroforów o widmach wzbudzenia w zakresie UV/niebieskim (<420 nm) nie może być wzbudzonych, a informacja w nich zawarta jest niedostępna. Naszym rozwiązaniem tego problemu jest zastosowanie wzbudzenia dwufotonowego. Schemat ten wykorzystuje krótkie (femtosekundowe) impulsy w bliskiej podczerwieni (dwukrotna długość fali), co pozwala ominąć ograniczenia wynikające z transmisji oka. Przykładowo, użycie impulsów femtosekundowych o długości fali 730 nm jest równoważne wzbudzeniu jednofotonowemu o długości fali 365 nm, co nie byłoby możliwe w żywym oku. Dodatkowe zalety tej metody to lepsza rozdzielczość, mniejsza fototoksyczność i mniejsze rozpraszanie.
W naszych badaniach dążymy do wizualizacji struktury i składu molekularnego tkanek oka, wykorzystując zarówno dyskryminację spektralną, jak i czasową. Przykładowo, obraz poniżej przedstawia rozkład czasu życia fluorescencji (FLIM) komórek nabłonka pigmentu siatkówki myszy Abca4PV/PV (model choroby Stargardta u ludzi). Obraz odzwierciedla różnice w subkomórkowej dystrybucji endogennych fluoroforów w nabłonku barwnikowym. Krótsze czasy życia (kolor niebiesko-zielony) są związane z A2E, składnikiem lipofuscyny. Czerwone granulki (dłuższy czas życia) mogą być związane z estrami retinylowymi.
Podobnej dyskryminacji można dokonać patrząc na widma fluorescencji. Piksele wykazujące cechy spektralne retinosomów zostały oznaczone kolorem czerwonym, natomiast te o właściwościach zbliżonych do A2E – kolorem niebieskim. Analiza wykazała, że retinosomy znajdują się głównie w pobliżu granic komórek RPE, a niektóre w pobliżu jąder komórkowych. Badania takie wymagają specjalistycznych ultraszybkich źródeł światła, oftalmoskopów skaningowych, czułych detektorów światła oraz dedykowanego oprogramowania do analizy danych.
Grazyna Palczewska, Jakub Boguslawski, Patrycjusz Stremplewski, Lukasz Kornaszewski, Jianye Zhang, Zhiqian Dong, Xiao-Xuan Liang, Enrico Gratton, Alfred Vogel, Maciej Wojtkowski, Krzysztof Palczewski, “Noninvasive two-photon optical biopsy of retinal fluorophores”, Proceedings of the National Academy of Sciences 117(36), 22532-22543 (2020).
DOI: doi.org/10.1073/pnas.2007527117
Grazyna Palczewska, Patrycjusz Stremplewski, Susie Suh, Nathan Alexander, David Salom, Zhiqian Dong, Daniel Ruminski, Elliot H. Choi, Avery E. Sears, Timothy S. Kern, Maciej Wojtkowski, Krzysztof Palczewski, “Two-photon imaging of the mammalian retina with ultrafast pulsing laser”, Journal of Clinical Investigation Insight 3(17), e121555 (2018).
Jedną z metod wywołujących zmiany plastyczne w układzie wzrokowym jest jego powtarzalna stymulacja odpowiednimi bodźcami wzrokowymi. Wielokrotne prezentowanie danego typu bodźca wzrokowego może indukować zmiany w sieci neuronalnej i prowadzić do wzmocnienia odpowiedzi. Taki efekt został zaobserwowany i opisany na poziomie pierwszorzedowej kory wzrokowej (ang. primary visual cortex: V1). Celem przeprowadzonych przez nas badań było sprawdzenie wpływu powtarzalnego treningu wzrokowego, również na poziomie podkorowym, w szczególności we wzgórku czworaczym górnym (ang. superior colliculus; SC), strukturą wchodzącą w skład pozakolankowatej drogi wzrokowej. W badaniu wykazano, iż trzygodzinny, bierny trening wzrokowy, oparty na wielokrotnie powtarzanych, prostych bodźcach wzrokowych wywołuje wzmocnienie odpowiedzi wzrokowych zarówno na poziomie korowym, jak i we wzgórku czworaczym górnym u szczura. Kolejna część pracy dotyczyła wyjaśnienia powstałego wzmocnienia w SC, do którego informacja wzrokowa dostarczana jest zarówno z siatkówki jak i z warstwy 5 V1. Trening wzrokowy przeprowadzony z farmokologicznym wyciszeniem aktywności korowej nie wykazał wyciszenia odpowiedzi wzrokowych w SC, co świadczy o wystąpieniu plastyczności na tym poziomie przetwarzania wzrokowego niezależnie od V1.
Uzyskane wyniki mają nie tylko znaczenie poznawcze, ale także aplikacyjne, ponieważ wskazały wzgórek czworaczy górny, jako możliwy cel treningów poprawiających efektywność procesu widzenia np. przy uszkodzeniach pierwszorzędowej kory wzrokowej.
Autorka:
dr Katarzyna Kordecka, e-mail: kkordecka@ichf.edu.pl
Publikacja:
Cortical Inactivation Does Not Block Response Enhancement in the Superior Colliculus
Katarzyna Kordecka, Andrzej T. Foik, Agnieszka Wierzbicka and Wioletta J. Waleszczyk
Abstract
Repetitive visual stimulation is successfully used in a study on the visual evoked potential (VEP) plasticity in the visual system in mammals. Practicing visual tasks or repeated exposure to sensory stimuli can induce neuronal network changes in the cortical circuits and improve the perception of these stimuli. However, little is known about the effect of visual training at the subcortical level. In the present study, we extend the knowledge showing positive results of this training in the rat’s Superior colliculus (SC). In electrophysiological experiments, we showed that a single training session lasting several hours induces a response enhancement both in the primary visual cortex (V1) and in the SC. Further, we tested if collicular responses will be enhanced without V1 input. For this reason, we inactivated the V1 by applying xylocaine solution onto the cortical surface during visual training. Our results revealed that SC’s response enhancement was present even without V1 inputs and showed no difference in amplitude comparing to VEPs enhancement while the V1 was active. These data suggest that the visual system plasticity and facilitation can develop independently but simultaneously in different parts of the visual system.
Two-photon microperimetry: sensitivity of human photoreceptors to infrared light
Daniel Ruminski, Grazyna Palczewska, Maciej Nowakowski, Agnieszka Zielińska, Vladimir J. Kefalov, Katarzyna Komar, Krzysztof Palczewski, and Maciej Wojtkowski
Abstract
Microperimetry is a subjective ophthalmologic test used to assess retinal function at various specific and focal locations of the visual field. Historically, visible light has been described as ranging from 400 to 720 nm. However, we previously demonstrated that infra-red light can initiate visual transduction in rod photoreceptors by a mechanism of two-photon absorption by visual pigments. Here we introduce a newly designed and constructed two-photon microperimeter. We provide for the first time evidence of the presence of a nonlinear process occurring in the human retina based on psychophysical tests using newly developed instrumentation. Since infra-red light penetrates the aged front of the eye better than visible light, it has the potential for improved functional diagnostics in patients with age-related visual disorders.
We use cookies to optimize our website and our service.
Functional
Zawsze aktywne
The technical storage or access is strictly necessary for the legitimate purpose of enabling the use of a specific service explicitly requested by the subscriber or user, or for the sole purpose of carrying out the transmission of a communication over an electronic communications network.
Preferences
The technical storage or access is necessary for the legitimate purpose of storing preferences that are not requested by the subscriber or user.
Statistics
The technical storage or access that is used exclusively for statistical purposes.The technical storage or access that is used exclusively for anonymous statistical purposes. Without a subpoena, voluntary compliance on the part of your Internet Service Provider, or additional records from a third party, information stored or retrieved for this purpose alone cannot usually be used to identify you.
Marketing
The technical storage or access is required to create user profiles to send advertising, or to track the user on a website or across several websites for similar marketing purposes.
21.10.2021 
