20.03.2025 Naukowcy ICTER otwierają nowe okno do wnętrza oka – miejsca, gdzie rodzi się widzenie, ale też zaczynają się choroby. Dzięki technice STOC-T można zajrzeć głębiej niż kiedykolwiek wcześniej, badając pojedyncze komórki nerwowe bez skomplikowanych układów optycznych.
Ludzkie oko od wieków fascynowało poetów, filozofów i naukowców. To w nim odbija się świat, to ono przekazuje naszemu umysłowi barwy, światło i ruch. Ale w głębi tej delikatnej struktury kryje się kruchy układ komórek nerwowych, który może zostać niezauważalnie uszkodzony – aż do chwili, gdy jest już za późno. Jaskra, jedna z najgroźniejszych chorób neurodegeneracyjnych, powoli i nieubłaganie pozbawia wzroku miliony ludzi na całym świecie. Jej podstępność polega na tym, że przez długi czas pozostaje bezobjawowa, rozwija się w ciszy, aż nagle odbiera człowiekowi to, co najcenniejsze.
Czy można zajrzeć w głąb siatkówki, dostrzec pojedyncze komórki nerwowe i uchwycić pierwsze oznaki choroby, zanim pojawią się nieodwracalne zmiany? Dzięki przełomowej technice stworzonej przez naukowców z ICTER to pytanie nie jest już tylko domeną przyszłości. Przestrzenno-czasowa tomografia optyczna OCT (STOC-T) pozwala po raz pierwszy zobaczyć siatkówkę w niespotykanej dotąd rozdzielczości – rejestrując nie tylko światłoczułe czopki i pręciki, ale także same komórki zwojowe, kluczowe dla przesyłania obrazu do mózgu. Wyniki opublikowano w czasopiśmie Biocybernetics and Biomedical Engineering w pracy zatytułowanej „Imaging of retinal ganglion cells and photoreceptors using Spatio-Temporal Optical Coherence Tomography (STOC-T) without hardware-based adaptive optics”.
Skomplikowana sieć siatkówki oka
Siatkówka oka to skomplikowana, wielowarstwowa struktura, której precyzyjna organizacja umożliwia odbieranie, przetwarzanie i przesyłanie bodźców świetlnych do mózgu. Tworzy ją kilka rodzajów wyspecjalizowanych komórek, z których każda pełni określoną funkcję w mechanizmie widzenia. W zewnętrznej warstwie znajdują się fotoreceptory – czopki odpowiedzialne za widzenie barwne i ostrość obrazu oraz pręciki, które umożliwiają widzenie w słabym oświetleniu.
Głębiej leży warstwa komórek dwubiegunowych, które zbierają informacje z fotoreceptorów i przekazują je dalej do komórek zwojowych siatkówki (GCC). To właśnie one są kluczowe dla przesyłania sygnałów wzrokowych do mózgu, gdzie zostają przetworzone na obraz. Aksony komórek zwojowych łączą się, tworząc nerw wzrokowy – swego rodzaju „kabel”, którym impulsy elektryczne docierają do kory wzrokowej mózgu.
Delikatna równowaga tego układu może zostać zakłócona przez choroby neurodegeneracyjne, takie jak jaskra. W jej przebiegu komórki zwojowe siatkówki stopniowo obumierają, a uszkodzenia nerwu wzrokowego prowadzą do nieodwracalnej utraty wzroku. Proces ten przez długi czas może przebiegać bezobjawowo, dlatego tak istotne jest wczesne wykrywanie zmian w strukturze siatkówki. Nowoczesne metody obrazowania, pozwalające dostrzec te subtelne zmiany na poziomie komórkowym, stają się kluczowym narzędziem w walce z tą podstępną chorobą.
– Precyzyjna diagnostyka siatkówki na poziomie pojedynczych komórek ma ogromne znaczenie dla wczesnego wykrywania zmian patologicznych. Jednym z największych wyzwań w tej dziedzinie jest obrazowanie komórek nerwowych, które są niemal przezroczyste i mają bardzo podobny współczynnik załamania światła do otaczających je struktur – mówi dr inż. Marta Mikuła-Zdańkowska z ICTER, pierwsza autorka publikacji.
Dotychczasowa technologia pozwalała na obrazowanie siatkówki w wysokiej rozdzielczości, ale wymagała zastosowania optyki adaptacyjnej (AO-OCT), czyli systemów dynamicznie korygujących aberracje, co wiązało się z wysokimi kosztami i skomplikowaną kalibracją.
STOC-T odsłania to, co „niewidoczne”
Opracowana przez naukowców ICTER przestrzenno-czasowa tomografia optyczna OCT (STOC-T) pozwala na obrazowanie siatkówki na poziomie komórkowym bez potrzeby stosowania optyki adaptacyjnej. Dzięki wykorzystaniu specjalnych technik uśredniania obrazu i korekcji aberracji, możliwe jest uzyskanie obrazów ciał komórek nerwowych w badaniach in vivo.
– W naszej metodzie zastosowaliśmy dynamiczne zwierciadło odkształcalne, które pozwala na aktywne mieszanie modów świetlnych i redukcję zakłóceń wynikających z interferencji. Dzięki temu możemy eliminować szumy i uzyskiwać obrazy o jakości porównywalnej z metodami optyki adaptacyjnej, ale bez konieczności stosowania skomplikowanych i kosztownych układów skanujących – mówi dr inż. Marta Mikuła-Zdańkowska.
Optymalizacja elementów optycznych pozwoliła osiągnąć boczną rozdzielczość na poziomie ok. 3 mikrometrów, co umożliwia precyzyjną wizualizację ciał komórek zwojowych siatkówki oraz fotoreceptorów, w tym mozaiki czopków. Jest to szczególnie istotne w kontekście diagnozowania chorób neurodegeneracyjnych, takich jak jaskra, w której pierwsze objawy często pojawiają się na poziomie zmian w komórkach nerwowych siatkówki. Wysoka jakość obrazowania pozwala na dokładniejsze monitorowanie procesu utraty neuronów, co może mieć kluczowe znaczenie dla wdrażania terapii we wczesnych stadiach choroby. STOC-T umożliwia również obrazowanie warstw głębiej położonych, w tym ciał komórek amakrynowych, które odgrywają istotną rolę w przetwarzaniu informacji wzrokowych, a których uszkodzenia mogą być związane z różnymi chorobami neurodegeneracyjnymi.
– Dzięki STOC-T możemy znacznie zwiększyć komfort pacjenta, skracając czas badania i eliminując konieczność stosowania długich, skomplikowanych procedur pomiarowych. Nasza metoda może być przełomem w diagnostyce jaskry, ale widzimy dla niej także szerokie zastosowanie w badaniach nad neurodegeneracją i innymi schorzeniami siatkówki – wyjaśnia dr inż. Marta Mikuła-Zdańkowska.
Jednym z największych atutów tej techniki jest znaczące skrócenie czasu badania, które może być przeprowadzone w czasie poniżej jednej minuty. W porównaniu z metodami tomografii OCT wykorzystującymi optykę adaptacyjną, które wymagają co najmniej 15 minut obrazowania i skomplikowanych procedur kalibracyjnych, STOC-T otwiera nowe możliwości dla praktyki klinicznej. Krótszy czas badania minimalizuje wpływ ruchów gałki ocznej na jakość obrazów, zwiększa komfort pacjenta oraz ułatwia wdrożenie tej technologii w standardowych gabinetach okulistycznych, a nie tylko w wyspecjalizowanych laboratoriach badawczych.
– Chcielibyśmy, aby nasza metoda stała się standardem w nowoczesnej diagnostyce siatkówki. Nasze badania pokazują, że można uzyskać wysokiej jakości obrazy siatkówki w czasie rzeczywistym, co znacząco zwiększa potencjał kliniczny tej technologii – podkreśla dr inż. Marta Mikuła-Zdańkowska.
Badania przeprowadzone przez naukowców ICTER potwierdzają skuteczność STOC-T w obrazowaniu siatkówki na poziomie komórkowym, co otwiera drogę do dalszego rozwoju tej techniki oraz jej integracji z nowoczesnymi narzędziami diagnostycznymi. Możliwość precyzyjnego śledzenia zmian neurodegeneracyjnych w czasie rzeczywistym sprawia, że metoda ta może mieć szerokie zastosowanie nie tylko w okulistyce, ale także w neurologii i badaniach nad schorzeniami, takimi jak choroba Alzheimera czy choroba Parkinsona, w których zmiany w siatkówce mogą stanowić jedno z wczesnych kryteriów diagnostycznych.
Autorzy pracy „Imaging of retinal ganglion cells and photoreceptors using Spatio-Temporal Optical Coherence Tomography (STOC-T) without hardware-based adaptive optics„: Marta Mikuła-Zdańkowska, Dawid Borycki, Piotr Węgrzyn, Karolis Adomavicius, Egidijus Auksorius, Maciej Wojtkowski.
Autor: red. naukowy Marcin Powęska
