23.10.2024

Klucz do niewidzialnego świata znaleziony. Naukowcy z ICTER rozszyfrowali widzenie dwufotonowe

Widzenie dwufotonowe to nowatorska metoda, która niesie ogromny potencjał dla przyszłości diagnostyki okulistycznej. Choć wyróżnia się wieloma zaletami, wymaga doskonalenia w kluczowych obszarach. Naukowcy z ICTER zrobili krok naprzód, usprawniając tę technologię i otwierając nowe perspektywy w medycynie oka.

Wyobraź sobie, że zamiast oglądać obraz przez soczewkę, spoglądasz przez kalejdoskop, który skupia niewidzialne światło, by uzyskać nową gamę barw. Foton, ten efemeryczny posłaniec światła, zazwyczaj występuje solo, lecz tu pojawia w duecie, co jest podstawą widzenia dwufotonowego. To niezwykłe zjawisko, w którym ludzkie oko, zamiast postrzegać tradycyjne światło, odbiera impulsy laserów podczerwonych, stanowiące wrota do niewidzialnego świata.

Ale kluczem do nich jest zmierzenie jasności bodźców dwufotonowych, co do tej pory było możliwe tylko w przypadku światła widzialnego. Naukowcy ICTER dokonali przełomu i określili wartość luminancji dla podczerwieni przy użyciu jednostek fotometrycznych (cd/m2). Dzięki temu podejściu możliwe było powiązanie luminacji bodźców dwufotonowych z nową wielkością fizyczną związaną z postrzeganą jasnością: dwufotonowym natężeniem oświetlenia siatkówki.

Badania przeprowadzone przez naukowców z Międzynarodowego Centrum Badań Oka (ICTER) z udziałem doktorantki Oliwii Kaczkoś, dr inż. Katarzynę Komar i prof. Macieja Wojtkowskiego wykazały, że luminacja dwufotonowego bodźca może osiągnąć prawie 670 cd/m2 w bezpiecznym zakresie mocy lasera dla oka. Efektem jest praca pt. „Method for the determination of the luminance of two-photon vision stimuli” opublikowana w czasopiśmie Biomedical Optics Express.

Od lewej: Oliwia Kaczkoś oraz dr Katarzyna Komar. Zdjęcie: dr Karol Karnowski.

Zobaczyć niewidzialny świat

Ludzkie oko jest w stanie odbierać bodźce z otaczającego świata w postaci fal elektromagnetycznych w zakresie od ok. 380 nm do 780 nm (od fioletu do czerwieni). Fale poza tym zakresem, takie jak podczerwień (powyżej 780 nm) i ultrafiolet (poniżej 380 nm), są dla nas niewidoczne bez specjalnych urządzeń, choć mogą oddziaływać na zmysły w inny sposób.

Każdy proces widzenia przebiega tę samą drogę, gdy foton światła widzialnego zostaje zaabsorbowany przez pigment wzrokowy fotoreceptora w siatkówce (światłoczułej części oka). To zdarzenie inicjuje szereg reakcji chemicznych, w wyniku których kwant światła jest zamieniany na sygnał elektryczny, przetwarzany w mózgu.

Widzenie dwufotonowe jest zjawiskiem, w którym oko ludzkie jest w stanie postrzegać ultrakrótkie impulsy laserów podczerwonych o długości fali w zakresie 800-1300 nm dzięki absorpcji dwóch fotonów. Proces ten powoduje izomeryzację pigmentów wzrokowych, co prowadzi do percepcji światła o długości fali odpowiadającej połowie fali podczerwonej. Mimo że lasery te znajdują się poza widzialnym zakresem spektrum, ich wpływ na pigmenty wzrokowe umożliwia widzenie światła podczerwonego w postaci różnych kolorów.

Widzenie dwufotonowe różni się od jednofotonowego przede wszystkim sposobem absorpcji światła. W widzeniu jednofotonowym każdy foton o określonej energii jest absorbowany przez cząsteczki w oku, co pozwala na percepcję światła w widzialnym zakresie. W widzeniu dwufotonowym natomiast dwa fotony o dwukrotnie mniejszej energii są jednocześnie absorbowane przez pigmenty wzrokowe, co prowadzi do percepcji światła o połowie długości fali, które teoretycznie nie powinno być widoczne.

Co więcej, jasność bodźca dwufotonowego zmienia się wraz z kwadratem mocy promieniowania optycznego, a więc światło rozproszone w oku nie będzie postrzegane. Jasność zależy również od zogniskowania wiązki na siatkówce obserwatora – odbierane bodźce są ostrzejsze i o lepszym kontraście niż w przypadku „normalnego”, jednofotonowego widzenia.

Naukowcy ICTER od dawna badają zjawisko widzenia dwufotonowego, jako pierwsi na świecie je opisali, a teraz dokonali kolejnego przełomowego odkrycia.

Oliwia Kaczkoś. Zdjęcie: dr Karol Karnowski.

Nowatorska metoda określania jasności bodźców dwufotonowych

Widzenie dwufotonowe wykazuje potencjał w dwóch kluczowych obszarach: diagnostyce medycznej oraz rzeczywistości wirtualnej/rozszerzonej (VR/AR). Może być wykorzystane do zaawansowanych badań diagnostycznych, szczególnie w neurologii i okulistyce, gdzie impulsy podczerwone pozwalają na bezpieczne monitorowanie funkcji wzrokowych bez konieczności użycia światła widzialnego. Z drugiej strony, zjawisko to umożliwia tworzenie nowych, realistycznych doznań wizualnych poprzez manipulowanie bodźcami świetlnymi z zakresu podczerwieni, otwierając nowe możliwości w interakcji z obrazami wirtualnymi (VR/AR).

Wszystkie przyszłe zastosowania tego zjawiska wymagają znajomości luminacji bodźców dwufotonowych, ale funkcja względnej czułości oka V(λ) poza zakresem widzialnym jest nieznana. Konieczne jest niestandardowe podejście do kwantyfikacji luminancji bodźców dwufotonowych z użyciem podczerwieni – co właśnie zrobili naukowcy z ICTER.

Przedstawiona w artykule metoda umożliwiła wyrażenie jasności bodźców dwufotonowych w jednostkach fotometrycznych. Dzięki przeprowadzonym pomiarom, naukowcy byli w stanie wykazać związek między mocą wiązki podczerwieni a mocą wiązki widzialnej, która została subiektywnie dostosowana tak, aby obie były postrzegane jako mające tę samą luminancję. Korzystając z zależności między gęstością mocy lasera VIS a luminancją rzutowanych bodźców, udało się określić subiektywną luminancję bodźców podczerwonych przy użyciu jednostek fotometrycznych (cd/m2). Wyniki te podkreślają nieliniową naturę widzenia dwufotonowego, co jest zgodne z poprzednimi badaniami.

– Celem badania było opracowanie powtarzalnej metody do określenia jasności bodźców dla widzenia dwufotonowego. Standardowe metody nie pozwalają zrobić tego poza widzialnym spektrum światła, ale nasze badania otwierają drzwi do realizacji tego celu, co jest niezbędne do dalszych badań i rozwoju zastosowań tego zjawiska w diagnostyce medycznej oraz technologiach rozszerzonej (AR) i wirtualnej rzeczywistości (VR). Nowe podejście umożliwi także porównanie jasności bodźców dwufotonowych z tradycyjnymi wyświetlaczami bazującymi na standardowym, jednofotonowym widzeniu – mówi Oliwia Kaczkoś, doktorantka ICTER i optometrystka, główna autorka badań.

Od lewej: dr Katarzyna Komar oraz Oliwia Kaczkoś. Zdjęcie: dr Karol Karnowski.

Platforma dla kolejnych odkryć

Efektem badań jest zaproponowanie zupełnie nowej wielkości fizycznej, nazwanej dwufotonowym natężeniem oświetlenia siatkówki (ang. two-photon retinal illumination), która jest odpowiednia do opisu układów emitujących bodźce dwufotonowe. Związek ten umożliwił przewidywanie wartości luminancji bodźców dwufotonowych, które mogłyby osiągnąć 670 cd/m2 w bezpiecznym zakresie mocy lasera dla ludzkiego oka bez korekcji optyką adaptacyjną (AO).

Co więcej, naukowcy z ICTER udokumentowali dwukrotnie lepszą powtarzalność dla pomiarów wykonanych na tle o luminancji 10 cd/m2. Jest to kluczowe dla rozwoju przyszłych technologii, takich jak dwufotonowe wyświetlacze na siatkówce, które mogą być stosowane w okularach rozszerzonej rzeczywistości (AR) lub w zaawansowanych narzędziach diagnostycznych, takich jak mikroperymetria dwufotonowa.

Autorzy pracy „Method for determination of luminance of two-photon vision stimuli”: Oliwia Kaczkoś, Agnieszka Zielińska, Jacek Pniewski, Maciej Wojtkowski i Katarzyna Komar.

Autor notki prasowej: Marcin Powęska.

Zdjęcia: dr Karol Karnowski.


ICTER, czyli International Centre for Translational Eye Research (polskie tłumaczenie: Międzynarodowe Centrum Badań Oka) to ośrodek naukowo-badawczy działający przy Instytucie Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk (IChF) z siedzibą w Warszawie. ICTER powstał w 2019 r. celu rozwinięcia nowoczesnych technologii wspierających diagnostykę i terapię chorób oczu, w oparciu o finansowanie z programu Międzynarodowe Agendy Badawcze Fundacji na Rzecz Nauki Polskiej, współfinansowanego ze środków Unii Europejskiej – Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego. Obecnie ICTER realizuje grant MAB FENG Fundacji na Rzecz Nauki Polskiej. W 2024 r. IChF zdobył prestiżowy grant w ramach programu Teaming for Excellence / WIDERA Horyzontu Europa, co umożliwi rozwój jednostki ICTER do rangi europejskiego centrum doskonałości. Strona: www.icter.pl

02.04.2024

Choroba Stargardta niejedno ma imię. Różne odmiany wymagają różnego podejścia – badania ICTER opublikowane w magazynie PNAS

Choroba Stargardta to rzadkie schorzenie oczu, które dotyka zarówno dzieci, jak i dorosłych, w wielu przypadkach prowadząc do ślepoty. Ma kilka różnych odmian, a nowe badania wskazują, że każde z nich wymaga nieco innego podejścia terapeutycznego. To kluczowe odkrycie może przyczynić się do opracowania skutecznych metod walki z tą nieuleczalną dziś chorobą.

Na początku u pacjentów dochodzi do nagłego zaniku ostrego i centralnego widzenia. Zaburzenia postępują, często utrudniając normalne funkcjonowanie, m.in. czytanie czy rozpoznawanie twarzy. Dla wielu osób samo patrzenie na źródło światła jest bolesne. Po pewnym czasie choroba może się ustabilizować, ale często uszkodzenie plamki żółtej jest tak znaczące, że dochodzi do utraty wzroku.

Powyższy opis dotyczy choroby Stargardta, zaburzenia dotykającego ok. 1 na 10 000 osób, najczęściej dzieci między 8. a 12. rokiem życia. Na tę dystrofię plamki żółtej nie ma leku, ale zrozumienie mechanizmów zachodzących w fotoreceptorach podczas choroby jest kluczowe dla potencjalnych działań terapeutycznych (kilka leków w trakcie testów). Okazuje się bowiem, że różne odmiany choroby Stargardta – choć mają podobne podłoże – inaczej reagują na różne klasy leków.

Badania przeprowadzone z udziałem naukowców z Międzynarodowego Centrum Badań Oka (ICTER) przy Instytucie Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk, m.in. dr Marcina Tabakę, dr Andrzeja Foika, dr Damiana Panasa, dr Jagodę Płaczkiewicz i dr Katarzynę Kordecką, we współpracy z Center for Translational Vision Research przy Gavin Herbert Eye Institute (CTVR) z UC Irvine w Kalifornii, pod kierunkiem prof. Krzysztofa Palczewskiego, zaowocowały opublikowaną w PNAS pracą zatytułowaną „Distinct mouse models of Stargardt disease display differences in pharmacological targeting of ceramides and inflammatory responses”, która zwiększa nasze rozumienie chorobyStargardta.

Choroba Stargardta to nie jedna choroba

Lipidy są istotnym składnikiem aktywności biologicznej i fizjologii większości komórek w organizmie, a w szczególności odgrywają kluczową rolę w funkcjonowaniu siatkówki. Potwierdzono, że zaburzona homeostaza lipidowa występuje w różnych chorobach zwyrodnieniowych siatkówki, choć wciąż niewiele wiadomo na temat profili lipidowych w normalnej i chorej siatkówce.

Choroba Stargardta charakteryzuje się nagromadzeniem niedegradowalnej pochodnej pigmentu wzrokowego – lipofuscyny – w nabłonku barwnikowym siatkówki (RPE, ang. Retinal Pigment Epithelium), co powoduje jego zanik. Począwszy od pierwszego opisu choroby Stargardta aż do niedawna, jej diagnoza opierała się na ocenie fenotypu za pomocą badania oka, ale od czasu pojawienia się testów genetycznych, obraz schorzenia stał się pełniejszy.

To, co pierwotnie uważano za jedną chorobę, w rzeczywistości oznacza prawdopodobnie co najmniej trzy jej odmiany (STGD1, STGD4, STGD3), z których każda związana z inną zmianą genetyczną. Dlatego jednoznaczne określenie, czym jest choroba Stargardta jest niezwykle trudne, nie mówiąc już o myśleniu o potencjalnych metodach leczenia.

Najczęstszą postać choroby Stargardta – STGD1 – wywołują bialleliczne warianty genu Abca4 (tj. autosomalne recesywne), a ich dokładny genotyp (tj. kombinacje obu wariantów) ma duże znaczenie prognostyczne co do wieku wystąpienia choroby i jej postępu. Częstotliwość nosicielstwa alleli Abca4 w populacji ogólnej wynosi 5-10%, a różne kombinacje genów wpływają na wiek zachorowania i ciężkość samej choroby. Co więcej, nasilenie choroby jest odwrotnie proporcjonalne do funkcji ABCA4 i uważa się, że mutacje tego genu mogą odgrywać rolę w innych chorobach, takich jak retinopatia barwnikowa, dystrofie czopków i pręcików oraz zwyrodnienie plamki żółtej związane z wiekiem (AMD, ang. Age-Related Macular Degeneration).

Biochemia choroby Stargardta

Z dziedzicznymi chorobami zwyrodnieniowymi siatkówki powiązano dwa geny kodujące białka przetwarzające lipidy. Mutacje w genie kodującym enzym zwany elongazą ELOVL4, zaangażowany w budowanie długołańcuchowych kwasów tłuszczowych, powiązano z autosomalną dominującą chorobą Stargardta podobną do AMD – wariant STDG3. U pacjentów cierpiących na tę chorobę w młodym wieku dochodzi do utraty widzenia centralnego. Z kolei chorobę u osób cierpiących na STGD4 powiązano z mutacjami w genie Prom1. Ten wariant chorobowy odkryto w 1999 r. i niewiele wiadomo o jego podłożu, poza tym, że dochodzi do mutacji w miejscu p.R373C, co powoduje dystrofię czopków i pręcików.

Ale najpopularniejsza postać choroby Stargardta – STDG1 – jest całkiem dobrze poznana. U pacjentów wykazano postępujące obustronne pojawianie się żółto-pomarańczowych plamek (lipofuscyny) w plamce żółtej, w której jest największe zagęszczenie czopków. Takie zmiany powodują atrofię RPE i śmierć fotoreceptorów w tym regionie, a co za tym idzie – utratę wzroku. Akumulacja lipofuscyny w RPE jest charakterystycznym objawem w oczach pacjentów z STGD1 i mysim modelu choroby Stargardta.

Wcześniejsze badania wykazały, że ABCA4 ulega ekspresji w dyskach zewnętrznych segmentów fotoreceptorów (ang. photoreceptor outer segment disc, POS disc) i w błonie plazmatycznej komórek RPE. ABCA4 transportuje związek fosfolipidowy siatkówki, znany jako N-retinylideno-fosfatydyloetanoloamina (N-ret-PE) po fotowzbudzeniu, umożliwiając jego usunięcie z komórek receptorów – podobnie jest w komórkach RPE, gdzie N-ret-PE zostaje przenoszony do lizosomów lub fagosomów. U osób z chorobą Stargardta (STDG1) N-ret-PE gromadzi się w krążkach POS i prowadzi do powstawania prekursora bisretinoidu A2E (A2PE). Wewnątrz lizosomów RPE, A2PE przekształca się w A2E – związek, który nie może być rozkładany przez żadne enzymy w organizmie. Uważa się, że A2E reaguje z innymi lipidami i przekształca się w złogi lipofuscyny.

Zgodnie z obowiązującym stanem wiedzy, ponad 100 mutacji wpływa na funkcje ABCA4 i jest powiązanych z szerokim spektrum fenotypów choroby Stargardta. Sugestia, że mutacje w różnych domenach ABCA4 mogą inaczej wpływać na RPE i fotoreceptory jest kusząca, co oznacza, że ABCA4 pełni w nich nieco inne funkcje. To z kolei otwiera okno na potencjalny mechanizm terapeutyczny związany z lekami obniżającymi poziom lipidów.

Nadzieje terapeutyczne

Mimo że na chorobę Stargardta nie ma leku, to trwają prace nad kilkoma terapiami mającymi na celu ograniczenie lub całkowite zatrzymanie postępu tego schorzenia. Zespoły prof. Palczewskiego z CTVR oraz ICTER postanowiły zbadać dwa alternatywne mysie modele niedoboru funkcjonalnego ABCA4 w celu modelowania heterogeniczności mutacji u pacjentów z chorobą Stargardta i sprawdzenia, czy w każdym przypadku konieczne może być różne podejście terapeutyczne do ustabilizowania zdrowia siatkówki.

Stosując kombinację technik molekularnych, naukowcy zbadali myszy z nokautem Abca4 (wyłączony gen, tzw. knock-out) i myszy z dodatkowym Abca4 (knock-in). Naukowcy porównali oba szczepy, aby ustalić, czy wykazują zróżnicowaną odpowiedź na czynniki wpływające na sygnalizację cytokin i/lub metabolizm ceramidów, ponieważ zmiany w którymkolwiek z tych szlaków mogą zaostrzyć fenotypy zwyrodnieniowe siatkówki.

Myszy z nokautem Abca4 i myszy z włączonym Abca4PV/PV wykazywały odmienną reakcję na lek obniżający poziom ceramidów i lek immunomodulujący. Okazało się, że oba modele mysie mają rozbieżne poziomy wyjściowego stresu komórkowego i sygnalizacji, które nasilają się we wczesnych stadiach zwyrodnienia siatkówki wywołanego światłem. Co najważniejsze – te działania niepożądane można złagodzić profilaktycznie za pomocą leku immunomodulującego, a więc i nieco „wyhamować” przebieg choroby Stargardta.

– Stwierdziliśmy różny stopień reakcji na marawirok, znanego immunomodulującego antagonistę CCR5, oraz na środek obniżający poziom ceramidów AdipoRon, agonistę receptorów ADIPOR1 i ADIPOR2. Nasze fenotypowe porównanie dwóch różnych modeli myszy z mutacją Abca4 rzuca światło na potencjalne możliwości terapeutyczne, wcześniej niezbadane w leczeniu choroby Stargardta i zapewnia zastępczy test do oceny skuteczności terapii genowej – mówi dr Marcin Tabaka, lider Zespołu Genomiki Obliczeniowej ICTER.

Warto wspomnieć, że we wcześniejszym badaniu, także opublikowanym w PNAS, zatytułowanym „Stress resilience-enhancing drugs preserve tissue structure and function in degenerating retina via phosphodiesterase inhibition”, przebadano cząsteczki, które aktywują biologiczne mechanizmy odporności na stres. To z kolei może przełożyć się do opracowania nowej klasy farmaceutyków, tzw. leków zwiększających odporność na stres (SRED) o potencjalnie szerokim znaczeniu klinicznym do zwalczania patologicznych zmian siatkówki, nie tylko choroby Stargardta. Duży wkład w pracę badawczą miał Zespół Genomiki Obliczeniowej ICTER, który przenalizował dane z sekwencjonowania pojedynczych komórek, umożliwiając identyfikację uniwersalnych mechanizmów molekularnych biorących udział w chorobach oczu związanych z wiekiem i dziedzicznych zwyrodnień siatkówki.

Najnowsze badanie przedstawia argumenty za wykorzystaniem transgenicznych linii myszy typu knock-in, które mają mutacje analogiczne do mutacji u ludzi. Służy też jako wstęp do przyjęcia tych modeli do testowania sposobów edycji genomu, które mogą precyzyjnie korygować mutacje genetyczne. Dzięki tym staraniom choroba Stargardta, która dzisiaj jest uważana za „nieuleczalną”, może stać się schorzeniem, które można utrzymać w ryzach, a co za tym idzie – ocalić wzrok.

Autor notki prasowej: Marcin Powęska.
Zdjęcie: Deposit Photos.

Wymienione publikacje:
https://doi.org/10.1073/pnas.2314698120
https://doi.org/10.1073/pnas.2221045120

13.12.2023

„Optoretinografia przyszłością okulistyki, a z wiedzy ICTER czerpią najlepsi” – wywiad z prof. Robertem Zawadzkim z UC Davis

Dzięki postępowi medycyny, coraz więcej chorób związanych z widzeniem jesteśmy w stanie wyleczyć, a wąskim gardłem udanych interwencji okulistycznych jest diagnostyka. To, na jakim etapie wykryjemy zmiany w siatkówce, bezpośrednio przekłada się na szanse wyleczenia pacjenta. Jedną z najbardziej innowacyjnych i najszybciej rozwijających się technik okulistycznych jest optoretinografia (ORG), której liderem w Polsce jest prof. Maciej Wojtkowski z ICTER. Na świecie jest wiele ośrodków, które zajmują się badaniem ORG i wiele z nich korzysta ze skarbnicy wiedzy uczonych z ICTER.

Jednym z najważniejszych ośrodków badawczych specjalizujących się ORG w Stanach Zjednoczonych jest Uniwersytet Kalifornijski w Davis (UC Davis), gdzie od ok. 20 lat pracuje prof. Robert Zawadzki, absolwent Uniwersytetu Mikołaja Kopernika (UMK) w Toruniu, wieloletni współpracownik ICTER. Zapytaliśmy go, czym zajmuje się w UC Davis; jak jego badania mogą przełożyć się na zdrowie pacjentów; jakie są jego odczucia po wizycie w ICTER i dlaczego współpraca ośrodków z całego świata jest kluczowa dla przyszłości okulistyki.

Proszę opowiedzieć przy jakim projekcie i z kim współpracował Pan podczas ostatniej wizyty w ICTER w drugiej połowie 2022 r. oraz nad czym pracuje Pan aktualnie, podczas obecnej 3-tygodniowej wizyty w centrum we wrześniu 2023 roku?

Jest to rzeczywiście moja kolejna wizyta w ICTER na zaproszenie prof. M. Wojtkowskiego. Naszym planem przy poprzedniej wizycie było rozpoczęcie współpracy przy dwóch projektach badawczych prowadzonych w ICTER. Pierwszy dotyczył ustawiania i testowania funduskamery, która była zbudowana do układu STOC-T, który jest teraz używany do funkcjonalnego obrazowania oka. Te badania są prowadzone przy współpracy z zespołem doktora Andrei Curatolo z Wiktorem Kuleszą i z Piotrem Węgrzynem. Udało nam się w trakcie tamtego pobytu dostać taki obraz dna oka przy użyciu funduskamery ze można jej było używać do znajdowania dokładnego położenia siatkówki, na którym potem będzie przeprowadzany pomiar funkcjonalny przy użyciu STOC-T. Drugi projekt, dotyczył współpracy z doktorem  Michałem Dąbrowskim, chodziło o pomoc w układzie używanym do obrazowania dwufotonowej fluorescencji z siatkówki, tutaj również pomagałem panu Michałowi w tym, żeby skorygować obraz z układu pomocniczego jednofotonowego skanującego oftalmoskopu, z pomiarem dwufotonowym. Zarówno w tym 1szym projekcie STOC-T jak i w projekcie dwufotonowym te główne naukowe instrumenty nie produkują obrazu wysokiej jakości w czasie rzeczywistym, i tu właśnie była potrzebna pomoc, by zbudować takie układy, które będą pomocne w ustawieniu oczu do badania. W czasie obecnego pobytu brałem udział w konferencji CRATER, a następnie skupiłem się głównie na pracy z zespołem doktora Andrei Curatolo. Pracowaliśmy wspólnie nad manuskryptem opisującym układ pomiarowy STOC-T do obrazowania myszy jak i jego zastosowań. Poza tym omawialiśmy problemy związane ze znajdywaniem bezpiecznych natężeń światła dla pomiarów STOC-T na zwierzętach eksperymentalnych, jak również omawialiśmy szczegóły układu optycznego STOC-T i potencjalnego wpływu różnych elementów na rozdzielczość układu pomiarowego.

Te dwa ostatnie pobyty nie były pana pierwszymi w naszym centrum. Proszę krótko opowiedzieć o tym, co udało się osiągnąć podczas poprzednich wizyt i w jakim kierunku idzie dalsza współpraca z badaczami z ICTER.

Rzeczywiście byłem już wcześniej w ICTER. Wtedy również współpracowałem z tymi samymi zespołami. W czasie mojego wcześniejszego pobytu, ponad dwa lata temu, doktor Michał Dąbrowski dopiero budował swój układ, więc nasza współpraca ograniczyła się do pomocy w wybieraniu parametrów układu, które były potrzebne przy doświadczeniach, które przeprowadziliśmy w 2022. Natomiast w przypadku Andrei Curatolo, przy poprzednich wizytach kooperowaliśmy na poziomie projektowania, budowania i wstępnego ustawiania układu. Mam nadzieję, że obydwa projekty będą się dalej rozwijać i pozwolą na – w przypadku dr Curatolo – pomiary funkcjonalne na dnie oka zwierząt laboratoryjnych przy użyciu STOC-T, a w przypadku dr Dąbrowskiego – przydadzą się do pomiarów dwufotonowych fluorescencji, które być może pozwolą nam zdobyć więcej informacji na temat chorób siatkówki, które dotykają fotoreceptorów jak i komórek nabłonka barwnikowego zawierających fluoryzujące molekuły w oku.

Od lewej: Piotr Węgrzyn, prof. Robert Zawadzki, Wiktor Kulesza oraz dr Andrea Curatolo w laboratorium ICTER.

W jakich dziedzinach Pan się specjalizuje i jakie są unikalne efekty tego nieoczywistego połączenia w praktyce?

Specjalizuję się w dziedzinie biomedycznej inżynierii albo biofotoniki, a dokładnie zajmuję się budowaniem i wykorzystywaniem układów do pomiaru funkcjonalnego w oku a w szczególności na siatkówce, zarówno u ludzi, jak i u zwierząt laboratoryjnych. Efektami tej pracy jest tworzenie nowych urządzeń, które pozwalają na mierzenie zmian funkcjonalnych na poziomie komórkowym, które wynikają ze zmian chorobowych albo ze zmian związanych z tym, że się starzejemy, i być może w przyszłości te właśnie metody pozwolą na lepszą diagnostykę, i też na sprawdzanie tego, czy nowoczesne terapie genowe, czy też terapie komórkowe przynoszą zamierzony efekt i reperują lub poprawiaj funkcje siatkówki w takich przypadkach.

Proszę opowiedzieć o swoich badaniach i swojej pracy na UC Davis.

Na UC Davis jestem od ok. 20 lat, jestem profesorem uczelnianym na wydziale okulistyki i nauk widzenia, jestem też członkiem dwóch grup badawczych. Jedna grupa zajmuje się właśnie testowaniem i budowaniem takich urządzeń do badan klinicznych, nazywa się CHOIR, Center for Human Ophthalmic Imaging Research, (w tłumaczeniu centrum rozwoju metod obrazowania oka u ludzi) a druga grupa badawcza której jestem członkiem jest nazwana przez nas EyePod Small Animal Ocular Imaging Laboratory (w tłumaczeniu centrum obrazowania oczu małych zwierząt laboratoryjnych) i to jest zespół, który zajmuje się, tworzeniem i testowaniem nowych urządzeń do pomiarów strukturalnych i pomiarów funkcjonalnych oka w naszym przypadku głównie myszy jak również innych małych zwierząt laboratoryjnych. Te badania, którymi się zajmujemy, służą do tego żeby tworzyć nowe metody, które będą przydatne zarówno dla lekarzy klinicznie, jak i dla naukowców zajmujących się badaniami podstawowymi w dziedzinie medycyny, w których wymyślane są nowe metody terapii pozwalających na odzyskiwanie wzroku przez pacjentów, i my właśnie jesteśmy taką grupą, która pozwala innym grupom badawczym na bardziej efektywne testowanie ich nowych wynalazków i pozwala im szybciej znajdować potencjalne problemy, jak i pomagać im w znajdowaniu nowych kierunków rozwoju tych terapii.

Jak można przełożyć wyniki badań na wymierne i przydatne wnioski dla pacjentów?

Nasze badania mają potencjał być przydatnymi dla pacjentów w następujących dwóch scenariuszach ich zastosowania. Pierwszy to rozwijanie urządzeń, które będą w przyszłości wykorzystywane do dokładniejszej diagnostyki chorób oczu, czyli ulepszanie tych metod, do takiego stopnia ze nawet dla osób które nie maja jeszcze obiektywnie żadnych zmian w widzeniu będzie można stwierdzić, czy już są jakieś postępujące zmiany chorobowe. To jest bardzo ważne szczególnie wśród osób, które mając specyficzne uwarunkowania genetyczne sprawiające, że są one w grupie powiększonego ryzyka. W tym przypadku znając już jaka dana osoba ma wadę genetyczna, można sobie tak dobrać te metody badawcze które pozwolą na stwierdzenie, czy już następuje zmiana funkcjonalna w niektórych komórkach siatkówki i przy obecnym stanie medycyny być może będzie można temu w jakiś sposób zapobiec albo przynajmniej opóźnić rozwój tej choroby. W przypadku, gdzie te terapie są bardzo drogie to jest rzeczywiście istotny element. Natomiast drugi scenariusz zastosowań naszych badań to potwierdzanie czy te metody, którymi leczymy pacjentów, działają i w tym wypadku, jeśli stwierdzimy ze nie ma żadnych zmian, być może lekarz będzie mógł wybrać inna metodę, która da lepsze wyniki. Także to jest może bardziej wymierne na poziomie pacjentów. Poza tym nasze badania przy wdrażaniu nowych metod terapeutycznych pozwalają na przyspieszony rozwój tych terapii.

Proszę opowiedzieć, w jaki sposób technologia optoretinografii rozwijana wspólnie z ICTER jest nowoczesna, gdzie na świecie jest obecnie opracowywana i jaki jest Pana unikalny wkład w jej rozwój?

Ta technologia optoretinografii, nazywana również metodą mierzenia funkcjonalnej odpowiedzi siatkówki na stymulację światłem, ze względu na swój potencjał diagnostyczny jest jedyna w swoim rodzaju i dlatego jest już rozwijana w wielu laboratoriach. Badania te skupiają się głownie na tym, żeby zrozumieć w jaki sposób sygnały, które mierzymy przy pomocy ORG można powiązać ze znanymi fizjologicznymi funkcjami poszczególnych neuronów z siatkówki. Głównymi ośrodkami zajmującymi się tymi badaniami w Europie jest grupa ICTER, Macieja Wojtkowskiego, jest również grupa Gerona Huettmann’a w Niemczech oraz dość silna grupa w Paryżu, tam m.in. jest Kate Grieve. Natomiast w Stanach Zjednoczonych, mamy nasza grupę na UC Davis, jest grupa Ramkumara Sabesan’a na University of Washington czy Dona Miller’a na Indiana University , są również grupy  na University of Illinois Chicago, , University of Wisconsin,  University of Pensylwania czy Stanford University wymieniając tylko kilka z nich. Wszystkie te grupy zajmują się rożnymi aspektami ORG i mój wkład w rozwój tej metody jest związany z rozpoznaniem fizjologicznych procesów odpowiedzialnych za te sygnały. Między innymi nam udało się potwierdzić, że przepływy wody w siatkówce są odpowiedzialne za część sygnałów, które mierzymy. Jest to jakby wtórny efekt po naświetleniu siatkówki, wynikający z lokalnej zmiany ciśnienia osmotycznego i towarzyszącym temu ruchom wody. Do tego w naszej grupie rozwijamy urządzenia do badań klinicznych, próbujemy tez tworzyć takie modele ORG, które pozwolą nam na analizowanie naszych wyników tak żeby było można w prosty sposób określać główne charakterystyki sygnału optoretinografii. Nasze badania idą w kierunku znajdowania lepszych metod do pomiarów optoretinograficznych, dalszego potwierdzenia co jest odpowiedzialne za sygnał, który mierzymy, bo mierzymy głównie zmiany grubości pewnych warstw na siatkówce, jak i zmiany rozpraszania światła. Dlatego jesteśmy zainteresowani rozwijaniem coraz dokładniejszych modeli tych sygnałów aby w prostszy sposób znajdować korelacje między parametrami krzywych ORG a różnymi chorobami siatkówki.

Od lewej: dr Michał Dąbrowski, prof. Robert Zawadzki oraz Bartłomiej Bałamut w laboratorium ICTER.

Proszę określić, jak wpłynęły na Pana karierę i podejście do nauki różne lokalizacje i jednostki, w których Pan dotychczas pracował: studia licencjackie i magisterskie na UMK w Toruniu, doktorat w Wiedniu oraz praca na UC Davis.

Moje studia na Uniwersytecie Mikołaja Kopernika (UMK) w Toruniu były rzeczywiście niezbędne do tego, żeby znaleźć się w miejscu, w którym teraz jestem, ale tak jak w większości przypadków ścieżka kariery, jak również ścieżka życiowa jest bardzo indywidualna i trudna do odtworzenia dla innych. Tak i w moim przypadku to gdzie teraz jestem jest wynikiem pewnych mniej lub bardziej świadomych wyborów, jak i zbiegów okoliczności, i pewnych możliwości, które pojawiały się na mojej drodze  z których byłem w stanie skorzystać, jak również tych z których nie skorzystałem. Moje studia licencjackie na UMK były bardzo ważne w zdobyciu niezbędnej wiedzy podstawowej z zakresu fizyki doświadczalnej i zastosowań komputerów w fizyce. Były to podstawy pozwalające mi niejako na nauczenie się podstaw alfabetu naukowego. Następnie w trakcie studiów magisterskich miałem niezwykle szczęście, ze zacząłem współpracę z prof. Andrzejem Kowalczykiem, który w tych latach, pod koniec lat 90-tych, miał grant europejski Tempus, który pozwalał na wysyłanie młodych studentów na różne staże zagraniczne, w moim wypadku dostałem się na taki staż  na uczelnie w Wiedniu i tam właściwie po raz pierwszy poznałem metodę Optycznej Koherentnej Tomografii (OCT), która zajmuje się do tej pory. W trakcie mojego stażu poznałem tez osobę, która jest jedna z wynalazców tej metody, prof. Adolfa Fercher’a. Właśnie po skończeniu studiów magisterskich otrzymałem propozycje robienia doktoratu w Wiedniu z prof. Fercher’em i tam właśnie zrobiłem studia doktoranckie i to już w pełni pozwoliło mi na poznanie zarówno metody OCT jak i zrozumienie różnych metod biofotoniki i tego jak się projektuje i buduje urządzenia do badania oczu, ale również innych narządów, jak również tego jak  stosować analizę danych. Także moja praca doktorska była niezbędna do zbudowania właściwej wiedzy potrzebnej do tego, czym zajmuje się teraz. Po doktoracie w Wiedniu pracowałem przez kilka miesięcy na UMK jako asystent i po pól roku dostałem ofertę postdoca w grupie Johna Werner’a na UC Davis i tam właśnie zacząłem się zajmować dużym projektem finansowanym przez Narodowy Instytut Badan Oka, który polegał na zbudowaniu pierwszego na świecie układu, który połączy optykę adaptywna, z OCT. Właśnie ta wiedza, która zdobyłem w trakcie moich studiów doktoranckich, podczas których zajmowałem się używaniem OCT do badania kształtu rogówki i znajdowania aberracji w oku, okazały się być idealna do tego projektu, bo miałem już podstawy znajomości aberracji optycznych, znajomości tego jak funkcjonuje oko jako element obrazujący, oraz miałem podstawy OCT i dzięki temu właśnie ze byłem w Wiedniu miałem okazje poznać również wtedy jeszcze raczkująca metodę pomiaru sygnału OCT w przestrzeni Fourierowskiej, Fourier domain OCT. Czyli jadąc do UC Davis miałem pełną wiedze potrzebna, aby ten projekt zrealizować i tam rzeczywiście w przeciągu dwóch lat zbudowaliśmy pierwszy działający układ optyki adaptywnej z OCT i pokazywaliśmy pierwsze obrazy z rozdzielczością komórkową na siatkówce. Przez kolejne lata pracy na UC Davis utrzymywałem współpracę zarówno z grupa w Toruniu i prof. Maciejem Wojtkowskim, jak również z grupa w Wiedniu i tak jak one staraliśmy się rozwijać metody OCT. Jedna z nich jest angiografia OCT czy metoda do mierzenia bezinwazyjnego przepływu w krwi w oku, następnie zajmowaliśmy się rozwijaniem metod obrazowania wielomodowego które łączyły kilka różnych urządzeń w jedno, jak OCT z SLO.  czyli takie wielomodowe systemy. Około 12 lat temu zacząłem się również zajmować rozwijaniem tych układów do pomiarów na zwierzętach eksperymentalnych, to właśnie było możliwe dzięki współpracy UC Davis z Wydziałem Okulistyki w grupie prof. Johna Werner’a z wydziałem Fizjologii, na którym jest prof. Edward Pugh. I to właśnie we współpracy z Edwardem Pugh stworzyliśmy zespół EyePod, który zajmuje się badaniem siatkówki na zwierzętach eksperymentalnych i tam właśnie rozpoczęliśmy pierwsze prace nad ORG około 2015 roku. Jak widać przez cały czas mojej kariery naukowej zajmuje się do tej pory tym samym, czyli pojętym ogólnie rozwijaniem i zastosowaniem metod OCT w medycynie. Byłem w stanie to zrobić dlatego ze byłem zawsze otwarty na zastosowanie i testowanie najnowszych technologii, jak i rozwijanie nowych pól badawczych które się pojawiały i pozwalały mi na ciągłe na dokładanie i powiększanie swojej wiedzy jak i na przeprowadzanie badan które były istotne jak i na czasie dla tych kierunków.

Co chciałby Pan przekazać kolegom naukowcom zajmującym się badaniami oka i rozwijaniem nowych terapii okulistycznych?

Chciałbym powiedzieć, że pomimo tego, że nasze nowe metody badawcze i nowe terapie wydają się bardzo zaawansowane, jest cały czas wiele rzeczy, których nie wiemy i których nie potrafimy jeszcze zmierzyć i podejrzewam, że przed nami jeszcze bardzo dużo pracy nad tym, żeby rzeczywiście te metody, którymi zajmujemy się, były dostępne klinicznie. Wszystkie te dziedziny, o których wspominałem, cały czas się aktywnie rozwijają, także polecałbym młodym naukowcom przyjrzenie się, jakie są problemy obecnie związane z badaniami oka, i być może ich indywidualne doświadczenia, które mają, mogą pozwolić im na znajdowania kolejnych rozwiązań. Także obrazowanie strukturalne i funkcjonalne oka i siatkówki w szczególności jest czymś, czym warto się cały czas zajmować.

Bardzo dziękujemy za ten wywiad, Panie Profesorze. Z entuzjazmem oczekujemy dalszej owocnej współpracy w przyszłości.


Serdeczne podziękowania dla wszystkich naukowców z ICTER, którzy uczestniczyli w sesji zdjęciowej w naszych laboratoriach.

Wywiad z prof. Robertem Zawadzkim przeprowadziła dr Anna Przybyło-Józefowicz (wrzesień 2023 r.)

Tytuł, wstęp i materiał na social media: red. Marcin Powęska

Zdjęcia: dr Karol Karnowski

15.09.2023

Raport Przeglądowy ICTER za lata 2019-2023

Z przyjemnością przedstawiamy Raport Przeglądowy ICTER za lata 2019-2023.

Niniejszy raport pozwala na zgłębienie działalności naszej organizacji:

  • Poznaj nasz międzynarodowy i interdyscyplinarny zespół.
  • Zapoznaj się z naszą misją promocji zdrowia oczu na skalę globalną.
  • Dowiedz się, jakie źródła finansowania napędzają nasze inicjatywy.
  • Zyskaj wgląd w nasze projekty grantowe.
  • Prześledź naszą historię dzięki krótkiemu przeglądowi.
  • Zagłęb się w nasze wkłady w dziedzinę publikacji.
  • Zrozum nasze strategie komunikacji i działań wewnetrznych oraz zewnętrznych.
  • Odkryj naszą owocną współpracę z przemysłem.
  • Zapoznaj się z naszym ekosystemem.
  • Poznaj nasze różnorodne grupy naukowe i ich obszary badań.
  • Prześledź podsumowanie organizowanych przez nas wydarzeń i wizyt znamienitych gości.
  • Dowiedz się, jakie dotychczas otrzymaliśmy wyróżnienia i nagrody.

Zachęcamy do zapoznania się z raportem, który odzwierciedla nasze dążenia do doskonalenia badań nad zdrowiem oczu oraz tworzenia pozytywnego wpływu na rozwój okulistyki na skalę globalną.

04.09.2023

ICTER: Rozjaśniamy Życie (wideo o działalności Międzynarodowego Centrum Badań Oka)

Naukowcy z International Centre for Translational Eye Research (ICTER) podjęli wyzwanie stworzenia technologii diagnostycznej, która może okazać się fundamentalna dla zrozumienia chorób oczu. Ich rozwiązanie pomoże w szybkim diagnozowaniu takich schorzeń jak zwyrodnienie plamki żółtej związane z wiekiem (AMD), wrodzona ślepota, retinopatia cukrzycowa czy niedrożność naczyń siatkówki.

Zespół naukowców z ICTER wprowadził nową metodę obrazowania funkcjonalnego zwaną optoretinografią opartą na migotaniu (ORG). Dzięki tej technice rejestrowane są nanometrowe zmiany długości fotoreceptorów związane z procesem widzenia. Technologia wykorzystywana przez naukowcóww z ICTER do pomiarów ORG to Spatio-Temporal Optical Coherence Tomography (STOC-T).

ORG umożliwi okulistom diagnozowanie chorób znacznie szybciej i skuteczniej niż obecnie. Co najważniejsze, badanie z udziałem pacjenta zajmie zaledwie jedną setną sekundy.

———————————————————————————————————————————————————

Realizacja filmu: agencja nFinity

Reżyser: Radek Furmanek

Scenariusz i tytuł filmu: dr n. med. Piotr Chaniecki

Animacja: Ramona Visuals

Specjalny udział gościnny w filmie: Prof. Olaf Strauss

Koordynacja naukowa: dr Karol Karnowski

Optymalizacja: Anna Salamończyk

Koordynacja projektu: Anna Przybyło-Józefowicz

Wsparcie: Zespół PR ICTER

———————————————————————————————————————————————————

Dziękujemy wszystkim pracownikom ICTER za ich zaangażowanie w proces powstawania filmu.

13.10.2022

Wywiad o wyzwaniach okulistyki i ochronie wzroku dla Radia Kampus

Każdego dnia nasze oczy odbierają miliony bodźców, a rozwój technologii zmienił sposób odpoczywania także naszego wzroku. Starzejące się społeczeństwo i współczesny styl życia stawiają nowe wyzwania w dziedzinie okulistyki prof. Maciej Wojtkowski jeden z pomysłodawców i założycieli Międzynarodowego Centrum Badań Oka mówi w programie o głównych celach placówki, planach na kolejne badania oraz podpowiada jak dbać o wzrok.

Prof. Wojtkowski udzielił tego wywiadu dla Radia Kampus (97,1 FM) we wrześniu 2022 r. Rozmowa była emitowana w ramach programu „Mów Nauka” w warszawskim Akademickim Radiu Kampus oraz w rozgłośniach studenckich w Lublinie, Łodzi i Wrocławiu.

Audycje Mówi Nauka: https://www.fsd.edu.pl/mowinauka/.
Bezpośredni link do podcastu: https://www.fsd.edu.pl/mowinauka/wyspecjalizowane-osrodki-naukowe-powstaja-w-polsce/.

Zapraszamy do odsłuchania audycji bezpośrednio klikając w link poniżej:

28.07.2022

„Prometeusze przyszłości” – wywiad opublikowany w magazynie Poland Weekly

W dniu 28 lipca 2022 roku w magazynie anglojęzycznym Poland Weekly ukazał się artykuł „Prometeusze przyszłości. Jak międzynarodowy zespół naukowców z siedzibą w Polsce toczy globalną bitwę o nasze oczy.” W materiale przedstawiono serię wywiadów z Principal Investigators kierującymi naszymi pięcioma grupami badawczymi. Opowiadają oni o swoich osiągnięciach badawczych, długoterminowych celach, wyzwaniach naukowych, marzeniach i swojej koncepcji wzroku.

Przeczytaj artykuł na stronie Poland Weekly.

26.01.2022

Co dzieje się w oku? Audycja w Radiu TOK FM o wzroku, chorobach i zdrowiu oczu, oraz tomografii optycznej OCT

W programie Radia TOK FM „Homo Science” wziął udział Prof. Maciej Wojtkowski, kierownik ICTER. Z prowadzącymi Piotrem i Aleksandrą Stanisławską, twórcami popularno-naukowego bloga Crazy Nauka, rozmawiał o wyjątkowej (bezbolesnej, bezdotykowej, bezproblemowej) metodzie diagnostyki siatkówki oka i świeżych wynikach badania pokazującego, dlaczego właściwie cokolwiek widzimy.

Gość programu jest fizykiem specjalizującym się w optyce stosowanej oraz fizyce medycznej i doświadczalnej. Prowadzi grupę badawczą Zespół Obrazowania Optycznego w ICTER.

Słuchaj audycji online