Czy da się wykryć choroby oczu, zanim pojawią się widoczne objawy? Nad stworzeniem technicznych podstaw, by było to możliwe, pracują badacze z Politechniki Wrocławskiej.
Kontrolna wizyta u okulisty. Chcemy sprawdzić stan narządu wzroku. Siadamy przed funduskamerą. To zaawansowane urządzenie, jedno z podstawowych w okulistyce. Jest przeznaczone do fotografowania tylnej części oka, czyli dna narządu wzroku. Rejestruje szczegółowe i precyzyjne obrazy siatkówki. Pozwala na wczesne wykrycie niepokojących zmian, które mogą świadczyć o wadzie wzroku czy chorobach oczu. Po kilkudziesięciu sekundach otrzymujemy wynik – nie ma powodów do obaw, wszystko jest w porządku.
Podobnie jak OCT, czyli optyczna koherentna tomografia, która wykorzystuje światło podczerwone do tworzenia niezwykle dokładnych przekrojów tkanek oka, w tym siatkówki, funduskamera bada ich strukturę. Naukowcy z Politechniki Wrocławskiej zamierzają do tego rodzaju obrazów, uzyskanych za pomocą skaningowego oftalmoskopu, dodać informację funkcjonalną, a więc zobaczyć, w jaki sposób siatkówka reaguje na światło. Będą wiedzieli zatem nie tylko jak wygląda, ale również w jaki sposób działa. Ich celem jest rozwinięcie metody obrazowania okulistycznego, która pozwoli im być o krok wcześniej niż obecnie – zamiast obserwować widoczne już zmiany, spróbują je uprzedzić.
Chodzi o to, że przed pojawieniem się zmian w strukturze, można „wyłowić” je już na wcześniejszych etapach. Najpierw są bowiem zaburzenia w funkcjonowaniu, które skutkują widocznymi zmianami strukturalnymi. I to właśnie ma nam pozwolić na wcześniejsze wykrywanie chorób – precyzuje dr inż. Jakub Bogusławski z Wydziału Elektroniki, Fotoniki i Mikrosystemów Politechniki Wrocławskiej.
Interesuje go siatkówka, bo to w niej zachodzą kluczowe zmiany, przez które można zobaczyć rozwijające się choroby. To właśnie ta tkanka odpowiada za przetwarzanie sygnałów ze światła na nasze wrażenie wzrokowe. Jak tłumaczy, w siatkówce oka zachodzi tzw. cykl wzrokowy. W trakcie tego biochemicznego procesu światło pada na fotoreceptory i jest przekształcane w sygnał elektryczny, który trafia do mózgu. Jednocześnie zachodzi sekwencja reakcji chemicznych, w wyniku której – na różnych etapach cyklu – powstają określone barwniki zwane fluoroforami. Ich zobrazowanie ma dać odpowiedź, jakie choroby wiążą się z ich występowaniem.
Chcemy zobaczyć, co się dzieje w trakcie tego cyklu, jakich barwników brakuje, jakich jest nadmiar i połączyć to później z konkretnymi chorobami – dodaje Bogusławski.
Pod koniec ubiegłego roku otrzymał blisko 4 mln zł z Fundacji na rzecz Nauki Polskiej na realizację projektu dotyczącego nowych perspektyw w diagnostyce chorób oczu. Zaproponował do tego dwufotonową oftalmoskopię. To koncepcja obecna w literaturze już od wielu lat. Dotąd była stosowana na modelach zwierzęcych. W 2021 roku w Międzynarodowym Centrum Badań Oka w Warszawie (ICTER) zademonstrowano po raz pierwszy jej zastosowanie u ludzi. Był wówczas jednym z członków zespołu prof. Macieja Wojtkowskiego, który tego dokonał. Teraz, już na Politechnice Wrocławskiej, ale wciąż we współpracy z grupą z Instytutu Chemii Fizycznej PAN, spróbuje rozszerzyć tę metodę o możliwość pomiaru czasu życia fluorescencji. Dzięki temu będzie można rozpoznać konkretne barwniki, które formują się na określonym etapie cyklu wzrokowego. Ponieważ każdy związek chemiczny w tym procesie „gaśnie” w charakterystycznym dla siebie tempie, technika ta zadziała niczym modularny odcisk palca. Taka precyzyjna diagnostyka pozwoli wskazać konkretny gen odpowiedzialny za wadę wzroku i w przyszłości dopasować do pacjenta celowaną terapię genową.
Funkcjonalne metody obrazowania siatkówki są w tej chwili stosowane niezwykle rzadko. Głównie z uwagi na koszty, dostępność, ale także skomplikowanie procesu.
Jedną z nich jest elektroretinografia, która wymaga umieszczenia elektrod bezpośrednio w worku spojówkowym w celu rejestracji impulsów elektrycznych generowanych przez siatkówkę. Mniej inwazyjna jest mikroperimetria, ale to z kolei metoda subiektywna. Bazuje na odpowiedzi pacjenta, który sam musi wskazać, jak widzi dany bodziec wzrokowy, w jakim stopniu. Jest więc podatna na błędy – mówi dr inż. Jakub Bogusławski.
Obie opisywane metody mają relatywnie niską rozdzielczość przestrzenną. Jego rozwiązanie ma być lepsze – wysokorozdzielcze, nieinwazyjne, ale też w pełni obiektywne. Naukowcy chcą się odwołać do konkretnych fluoroforów, które formują się w siatkówce. Dostęp do nich możliwy będzie właśnie dzięki dwufotonowemu wzbudzeniu – to w zasadzie jedyny sposób. Najważniejsze barwniki powiązane z cyklem wzrokowym, które niosą w sobie funkcjonalną informację, mają swoje widmo absorpcji w zakresie promieniowania UV. Problem w tym, że klasyczne wzbudzenie tych cząsteczek wymagałoby użycia światła ultrafioletowego. Skierowanie takiej wiązki wprost do oka byłoby jednak wysoce szkodliwe.
W naszej metodzie trochę oszukujemy siatkówkę, używamy promieniowania podczerwonego z laserów femtosekundowych i wykorzystujemy zjawisko absorpcji dwufotonowej. Dwa fotony w podczerwieni, działając razem, powodują wzbudzenie fluoroforów – opisuje badacz z PWr i dodaje, że na razie największym wyzwaniem jest mała wydajność wzbudzania dwufotonowego. – Tych fotonów fluorescencji jest niewiele, w każdym razie mniej niż by się chciało. Dlatego będziemy pracować nad metodami, które pozwolą nam efektywniej wzbudzać i bardziej wydajnie zbierać i analizować to światło.
Jak przyznaje mój rozmówca, to zaawansowana technika, która wymaga najnowocześniejszych rozwiązań fotonicznych i optoelektronicznych, czyli specjalnych laserów, układów do obrazowania, układów do detekcji, fotodetektorów z takim poziomem czułości, że tę pożądaną informację uda się badaczom wyczytać. Lider projektu zaznacza jednocześnie, że metoda ta raczej nie stanie się powszechnie dostępna w gabinetach okulistycznych. Jej przeznaczenie jest inne: ma być potężnym narzędziem w rękach naukowców opracowujących i testujących nowoczesne terapie. Na całym świecie trwają badania nad chorobami genetycznymi, które skutkują utratą wzroku. Opracowywane są terapie genowe i regeneracyjne. Na rynku jest już dostępna np. terapia, która pozwala w znaczącym stopniu odzyskać funkcję widzenia w przypadku wrodzonej ślepoty Lebera.
Metoda wrocławskich inżynierów mogłaby się też przydać w innych rzadkich chorobach genetycznych, jak np. choroba Stargardta, gdzie wadliwy gen sprawia, że produkty uboczne cyklu wzrokowego nie są prawidłowo usuwane i zaczynają gromadzić się w oku w postaci toksycznych złogów. Te „odpady” są naturalnymi fluorofortami, więc nowa metoda pozwoliłaby je precyzyjnie wykryć i monitorować. Sprawdziłaby się także przy znacznie częstszych retinopatiach barwnikowych, jak choćby barwnikowe zwyrodnienie siatkówki.
Cykl wzrokowy metabolizuje barwniki, a w siatkówce akumulowane są produkty uboczne tego procesu. Z czasem zaczynają negatywnie na nią wpływać. Nowa metoda powinna nam dać możliwość wykrycia akumulacji tych barwników na wcześniejszym etapie. Obecnie stosowane techniki pokazują chorobę zazwyczaj wtedy, gdy doszło już do trwałych zmian w strukturze oka – zauważa dr inż. Jakub Bogusławski.
Jego zdaniem, postęp technologiczny sprawia, że terapii, które będą przywracały funkcjonowanie wzroku, należy spodziewać się jeszcze więcej. Przy czym, zastrzega, nie będzie tak, że ktoś, kto nie widzi, nagle wszystko dookoła zobaczy. Bardziej chodzi o to, że osoby, które straciły wzrok, odzyskają poczucie światła, zaczną orientować się w przestrzeni. Nie będzie to więc widzenie jak u w pełni zdrowego człowieka, ale to i tak ogromna zmiana. Wcześniej nie było to możliwe. Dlatego właśnie metoda wspomagająca rozwój tych terapii, umożliwiająca ich testowanie, jest bardzo ważna.
Tych metod brakuje, chcemy wspomóc farmakologów, biochemików, okulistów w ich badaniach – przekonuje naukowiec z Wrocławia.
Jego zespół, współpracujący z badaczami z Międzynarodowego Centrum Badań Oka ICTER w Warszawie, będzie pierwszym na świecie, który dwufotonową oftalmoskopię czasu życia fluorescencji spróbuje zastosować w diagnostyce chorób oczu u ludzi. To byłby prawdziwy przełom. Czy nie boi się tak odważnych wyzwań? Jak przekonuje swój zespół do tego, że nie ma nauki bez ryzyka?
Najważniejsze to nie mówić o tym ryzyku, bo jeszcze się zniechęcą – śmieje się. – Ale tak serio, to wiadomo, że w systemie, w którym funkcjonujemy, musimy już dziś zdefiniować kamienie milowe i zaplanować na cztery lata do przodu, co odkryjemy. To absurdalne i może skutecznie zniechęcać do tego, żeby ryzykować i próbować zrobić coś naprawdę przełomowego. Ten projekt jest bardzo ryzykowny, nie wiemy czy się uda. Ale próbujemy.
Pierwsze dwa lata zespół będzie pracował nad nowymi laserami femtosekundowymi, bo ta metoda wymaga ich zastosowania. Pozwolą na jak najbardziej wydajne wzbudzanie fotonowe fluorescencji w siatkówce. Badania obejmą także nowe metody detekcji. Obecne są przystosowane do większej liczby fotonów, a tu będzie ich niewiele, stąd potrzeba bardziej skutecznych technik ich wykrywania.
Następnie planowane jest testowanie nowych rozwiązań na zdrowych wolontariuszach. Pierwsze testy na pacjentach odbędą się mniej więcej za cztery lata. Będą przeprowadzane za pomocą narzędzia diagnostycznego, które powstanie w ramach projektu.
Mariusz Karwowski