"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.