Łzy fizyków

Badania naukowe

Za osiągnięciami uczonych z Zespołu Optyki Fizjologicznej Politechniki Wrocławskiej, dotyczącymi fizyki oka, nie nadąża rodzimy przemysł aparatury okulistycznej.

Piotr Kieraciński

Na początku lat 90. fizycy z Politechniki Wrocławskiej utworzyli zespół naukowy, zajmujący się optycznymi własnościami ludzkiego oka, który nazwali Zespołem Optyki Fizjologicznej. Dziś mają na koncie konkretne osiągnięcia.

Jednym z pierwszych problemów, którym się zainteresowali były... łzy. Prof. Henryk Kasprzak, który kieruje grupą, wyjaśnia: Oko jest stosunkowo słabo poznaną częścią organizmu ludzkiego, a łzy należą do jednych z najsłabiej poznanych elementów funkcjonowania oka. Panuje powszechne przekonanie, oparte na nieaktualnej już wiedzy, że pierwszym elementem optycznym oka, na który pada światło jest rogówka. – Nie jest to prawda – mówi prof. Kasprzak. – Pierwszym elementem optycznym w oku są łzy. Nie chodzi oczywiście o płyn, który płynie z oczu podczas płaczu. 
Pod górnymi powiekami znajdują się trzy gruczoły, wydzielające trzy różne substancje. Te substancje tworzą cienką warstwę, zwaną filmem łzowym. W chwili, gdy powieka się zamyka, łzy rozprowadzane są równomiernie na powierzchni rogówki. Trzy składniki w oka mgnieniu, to chyba najwłaściwsze określenie, mieszają się ze sobą, by równocześnie rozdzielić się na trzy warstwy. Mechanizm mieszania się trzech składników łez, ich natychmiastowego rozdzielenia na trzy warstwy oraz błyskawicznego równomiernego pokrycia rogówki nie jest znany. Zdaniem prof. Kasprzaka, duże znaczenie ma tu rogówka. Te same składniki, które na oku zachowują się w opisany sposób, nie działają tak samo na innych powierzchniach, także na soczewkach kontaktowych. – Ta przedziwna separacja składników łez na trzy warstwy występuje tylko na rogówce. Nie udało się uzyskać tego efektu na soczewce kontaktowej ani żadnym innym obiekcie – mówi prof. Kasprzak.

W literaturze nie ma zgody co do tego, jak gruba jest powłoka łez na rogówce; dane mówią o 4, ale też o 20 mikrometrach. – Z naszych pomiarów wynika, że grubość warstwy łez wynosi od 3 do 5 mikrometrów – mówi prof. Kasprzak. Składają się na to trzy warstwy: zewnętrzna warstwa lipidów, najgrubsza warstwa roztworu wodnego soli i trzecia warstwa mucyn. Ta zewnętrzna jest bardzo cienka, mierzy znacznie mniej niż jeden mikrometr. Działają w niej bardzo duże siły międzycząsteczkowe i najprawdopodobniej to ona spełnia rolę sprężystej membrany i odpowiedzialna jest za błyskawiczne rozprowadzenie i wyrównanie warstwy łez na rogówce. Jak szybki i precyzyjny jest to mechanizm, świadczy fakt, że widzimy dobrze natychmiast, gdy tylko górna powieka się podniesie. Gdyby proces rozprowadzania łez trwał pół sekundy, człowiek miałby poważne zaburzenia wzroku. Warstwa druga, najgrubsza, licząca ok. 3-5 mikrometrów spełnia rolę nawilżacza. Za sam proces zwilżania odpowiada śluzowa warstwa mucyn. Chodzi tu o efekt odwrotny do tego, z którym mamy do czynienia w parasolu czy płaszczu przeciwdeszczowym. O ile tam chodzi o to, aby powierzchnia nie została zwilżona, gdyż od tego zaczyna się przemakanie, o tyle rolą wewnętrznej warstwy łez mucyn jest właśnie jest najlepsze przepuszczanie roztworu soli do rogówki.

PRZEŁOM

Łzy pełnią w oku szereg funkcji. Trudno powiedzieć, która jest najważniejsza, jednak z punktu widzenia optyki jest nią funkcja wygładzania powierzchni rogówki, czyli zadanie typowo optyczne. Powierzchnia gałki ocznej, ze względu na budowę komórkową, sama w sobie nie jest gładka. Gdyby nie wygładzały jej łzy, widzielibyśmy nieostro. Rolą łez jest też zwilżanie. Gdy mrugamy, powieki rozprowadzają po gałce ocznej świeżą partię łez. Gdybyśmy nie mrugali przez dłuższy czas, oko by „wyschło”. Pojawiłoby się uczucie dyskomfortu, a nawet zaburzenia widzenia. Związane jest to z pojawianiem się na wysychającej warstwie łez przełomów, czyli pęknięć (break up). Dr Tomasz Licznerski w trakcie realizacji swojej pracy doktorskiej skonstruował urządzenie, przy pomocy którego można obserwować łzy i zachodzące w nich zmiany, m.in. pojawianie się owych przełomów. Jest to interferometr, służący do badania gładkości powierzchni rogówki. Przełomy, które pojawiają się, gdy nie mrugamy przez dłuższą chwilę, mają głębokość 2-4 mikrometrów i są niewidoczne gołym okiem. Badanie polega na oświetleniu powierzchni oka wiązką laserową. – Gdy czoło fali odbitej jest gładkie, powierzchnia oka także; gdy czoło fali posiada jakieś osobliwości, nieciągłości, znaczy, że pojawiły się na powierzchni filmu łzowego spękania – mówi prof. Kasprzak.

Łzy pełnią też funkcję sanitarną. Po pierwsze, mrugając, oczyszczamy oko. Powieki, wbrew powszechnemu przekonaniu, nie spadają po prostu z góry na dół. One zamykają się, jak zamek błyskawiczny, łącząc się stopniowo od zewnętrznej, skroniowej strony oka w kierunku wewnętrznego kącika oka. Kurz, który dostaje się na powierzchnię gałki ocznej jest usuwany wraz z cieniutką powłoką łez. Silne łzawienia, które występują podczas działania silnego mrozu, kurzu, wiatru to także sanitarne działanie łez.

Łzy towarzyszące wzruszeniom są trochę inne od tych, które obecne są w oku cały czas. Są bardziej wodniste. Wydzielając wodę, organizm broni się przed utratą cennych składników łez, służących normalnemu funkcjonowaniu oka.

Łzy mają też własności bakteriobójcze. Odpowiada za nie lizozym, będący jednym ze składników łez. Dlatego, mimo narażenia tak delikatnej tkanki na nieustanny kontakt z bakteriami, nie dochodzi do zakażeń. Rogówka jest organem, który nie posiada naczyń krwionośnych, zatem trzeba ją odżywiać – tę funkcję także pełnią łzy. – Rola łez jest bardzo obszerna i do końca nie poznana – konkluduje prof. Kasprzak. 

Ponieważ wzrasta liczba użytkowników soczewek kontaktowych oraz patologii tzw. zespołu suchego oka, diagnozowanego, często niesłusznie, jako zapalenie spojówek, poznanie własności i funkcji łez oraz mechanizmów rządzących procesami, w których łzy biorą udział, jest ważne z medycznego punktu widzenia. Zaburzenia widzenia, pieczenie oczu, dyskomfort często nie są wynikiem stanu zapalnego, ale niewłaściwego funkcjonowania łez – ich zbyt małej ilości lub niewłaściwego składu. Łzy odpowiadają za przywieranie soczewki kontaktowej do oka. Użytkownik soczewek ma dwie warstwy łez, jedną między soczewką a okiem oraz drugą – na powierzchni soczewki. Firmy produkujące soczewki, całkiem niedawno doszły do wniosku, że ważne są nie tylko gęstość, sprężystość, przezroczystość i przepuszczalność dla gazów materiałów, z których robi się soczewki, ale także problemy związane z ich nawilżalnością.

MAPA ROGÓWKI

Kolejną częścią oka, którą zainteresował się zespół fizyków z Politechniki Wrocławskiej była rogówka. I znów odwołam się do interesującego faktu.: wciąż pokutuje przekonanie – sprawdzałem to, pytając kilka osób – że najważniejszą optycznie rolę pełni w oku soczewka. Tymczasem na całkowitą moc optyczną oka, która wynosi średnio 60 dioptrii, aż 40 dioptrii przypada na rogówkę, a tylko 20 – na soczewkę. Dlatego możliwa jest operacyjna korekcja niektórych wad wzroku poprzez zmianę krzywizny rogówki. Nie tylko dlatego, że odpowiada w tak dużym stopniu za widzenie, ale także dlatego, że jest fizycznie dostępna w przeciwieństwie do soczewki ukrytej w głębi oka. Operacje rogówki są skuteczne, ale czasami, niespodziewanie i zdawałoby się bez wyraźnych powodów, pojawiają się komplikacje. Być może wynikają one ze zbyt małej wiedzy o rogówce.

Struktura tej części oka jest bardzo skomplikowana. Rogówka zbudowana jest z około dwustu warstw, zdecydowana większość z nich są jest bardzo cienka – ok. 2 mikrometrów. – Z punktu widzenia mechaniki rogówka jest kompozytem – mówi prof. Kasprzak. „Zainteresowały nas własności sprężyste, gdyż to one odpowiadają za promień krzywizny rogówki, a ten z kolei wpływa na ogniskową.

Rogówka wykazuje silne właściwości anizotropowe. Oznacza to, że w różnych kierunkach ma różne własności mechaniczne i optyczne. Do dziś nie wiadomo, czy to, że rogówka jest anizotropowa jest potrzebne, czy była to tylko naturalna konsekwencja konstrukcji oka mówi prof. Kasprzak. Sam opowiada się za tą drugą wersją. – Wszystkie konstrukcje mechaniczne wymagające bardzo wysokich wytrzymałości są włókniste. Wysoka wytrzymałość jest niemal nierozłącznie z włóknistością powiązana. Dotyczy to zarówno nart, jak pancerzy czołgów czy bardzo wytrzymałych przewodów ciśnieniowych. Rogówka musi być bardzo wytrzymała mechanicznie, gdyż stanowi zewnętrzną, ochronną powłokę oka. Naturalną konsekwencją włóknistości jest anizotropia – tłumaczy fizyk z PWr. Anizotropia oznacza, że dana substancja ma różne własności w różnych kierunkach (o anizotropii było wyżej). Najlepszym przykładem jest drewno, które łatwo jest rozłupać wzdłuż włókien, trudno w poprzek nich.

ZOF postanowił zająć się własnościami optycznymi i sprężystymi rogówki. Zbadać jej własności refrakcyjne (jak załamuje się światło) oraz anizotropowe (jak rozchodzi się światło w rogówce). Zbudowano w tym celu prototyp polarymetru obrazowego, który pozwala uzyskać mapę rozkładu dwójłomności optycznej. Parametr ten opisuje anizotropię optyczną. Pomiar anizotropii daje wypadkowy rozkład wszystkich włókien tworzących rogówkę. Każda warstwa włókien ma inną anizotropię. Badania prowadzone przez zespół prof. Kasprzaka nie znalazły na razie praktycznego zastosowania. Są zbyt szczegółowe, aby mogły być wykorzystane na obecnym etapie rozwoju chirurgii oka. Jednak w przyszłości, gdy będzie można projektować procedury medyczne „pod” konkretnego pacjenta, taka precyzja pomiaru własności oka może okazać się przydatna.

SIATKÓWKA I ŹRENICA

Choć badania łez i rogówki są najbardziej zaawansowane, nie wyczerpują one obszaru zainteresowań fizyków z PWr. Kolejne badania prowadzone przez Zespół Optyki Fizjologicznej dotyczą anizotropii optycznej siatkówki. Wiele osób uważa, że patologie łez czy rogówki można leczyć lub korygować szkłami. Gdy zaczynają się problemy z siatkówką, możemy tylko bezradnie rozłożyć ręce. Siatkówka jest bowiem fizycznie niedostępna. Jest jednak dostępna optycznie, tj. możemy do niej dotrzeć za pomocą światła. Poznanie siatkówki jest niezmiernie ważne, gdyż odpowiada ona nie tylko za funkcje optyczne, ale też za zamianę sygnału świetlnego na sygnał nerwowy, czyli przekazywanie impulsu świetlnego do mózgu. Chcielibyśmy opracować urządzenie do pomiaru rozkładu anizotropii siatkówki – mówi twórca ZOF.

Od jakiegoś czasu fizycy z PWr. modelują komputerowo własności sprężyste gałki ocznej. Za obraz, jaki tworzy się na siatkówce na dnie oka, odpowiadają w równej mierze poszczególne części oka oraz kształt całej gałki ocznej. Wszystkie własności oka: optyczne, mechaniczne, sprężyste, fizjologiczne, są ze sobą ściśle powiązane. Najnowszy grant ZOF dotyczy zaś odruchów źrenicznych. Wiemy wszyscy, że pod wpływem światła źrenica zwiększa się lub zmniejsza. Nie wiemy natomiast, jak to się dzieje, jak wygląda charakterystyka czasowa tego zjawiska. Problematyka jest o tyle ważna, że źrenica jest organem, na który człowiek nie ma bezpośrednio wpływu. Mięśnie tęczówki rozszerzają źrenicę nie tylko pod wpływem światła, ale także impulsów nerwowych związanych ze stanami emocjonalnymi. – Mamy nadzieję, że nie tylko opiszemy dokładnie własności odruchów źrenicznych, ale także znajdziemy jakieś zastosowanie naszych badań – mówi prof. Kasprzak.

Przez Zespół Optyki Fizjologicznej przewinęło się w ciągu dziesięciu lat kilkanaście osób. W tej chwili tworzy go pomysłodawca i szef prof. Henryk Kasprzak, jeden doktor habilitowany, troje adiunktów i czworo doktorantów. Mają na koncie cztery granty Komitetu Badań Naukowych, dotyczące: badania interferencyjnego i polaryzacyjnego rogówki, badania interferencyjnego łez, badania numerycznego własności soczewki ocznej (grant promotorski) oraz odruchów źrenicznych (grant promotorski). W trakcie swojej pracy nad poznaniem własności i funkcjonowania ludzkiego oka wrocławscy uczeni wykonali kilka urządzeń, służących do badania oka: polarymetr obrazowy, dwa interferometry, pupilometr (urządzenie do badania odruchów źrenicznych). Na razie nie znalazły one zastosowania w medycynie. O przyczynach tego stanu rzeczy już wspomniałem. Prof. Kasprzak dodaje drugi, po szczegółowości badań, powód: w Polsce praktycznie nie istnieje przemysł aparatury medycznej, zwłaszcza okulistycznej. 

Komentarze