Migotanie, które odsłania mechanizmy widzenia. Przełomowa technika f-ORG w diagnostyce chorób siatkówki

Choroby wzroku często rozwijają się bezobjawowo przez długie lata. Naukowcy z ICTER opracowali technikę f-ORG, która analizuje reakcję siatkówki na światło, pomagając wykryć zagrożenie, zanim pojawią się pierwsze objawy. Nowe badania udowadniają, że w ten sposób można wykryć nawet najdrobniejsze zmiany w fotoreceptorach.

Siatkówka oka jest niezwykle skomplikowaną strukturą, pełniącą funkcję biologicznego "przetwornika" światła na sygnały nerwowe. To właśnie tutaj, w warstwie fotoreceptorów - czopków i pręcików - rozpoczyna się proces widzenia. Światło, trafiając na zewnętrzne segmenty tych komórek, inicjuje serię reakcji biochemicznych znanych jako fototransdukcja. W jej trakcie zmienia się długość fotoreceptorów, a te mikroskopijne zmiany - niewidoczne gołym okiem - są nośnikiem informacji o stanie zdrowia siatkówki.

Dotychczasowe metody diagnostyczne, jak elektroretinografia (ERG), pozwalały na ocenę funkcji fotoreceptorów, jednak były obciążone wieloma ograniczeniami. Wymagały kontaktu z powierzchnią oka, długotrwałej adaptacji do ciemności oraz skomplikowanych procedur. Były też mało komfortowe dla pacjentów, szczególnie dzieci i osób starszych.

Naukowcy z Międzynarodowego Centrum Badań Oka (ICTER) postanowili znaleźć sposób, aby te ograniczenia przezwyciężyć. Opracowali nowatorską technikę - optoretinografię z migotaniem (f-ORG), która pozwala na szybkie, nieinwazyjne i precyzyjne monitorowanie procesów zachodzących w fotoreceptorach. Metoda może zrewolucjonizować diagnostykę chorób siatkówki, takich jak zwyrodnienie plamki żółtej, retinopatia barwnikowa czy wrodzone dystrofie siatkówki. Wyniki opublikowano w czasopiśmie Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) w pracy zatytułowanej "Photopic flicker optoretinography captures the light-driven length modulation of photoreceptors during phototransduction".

- Nasza metoda umożliwia śledzenie molekularnych mechanizmów fototransdukcji bez potrzeby długotrwałego przebywania w ciemności i bez kontaktu z powierzchnią oka. To znaczący krok naprzód w diagnostyce chorób siatkówki - wyjaśnia prof. Maciej Wojtkowski, współautor badania.

Technika f-ORG, czyli "USG" dla fotoreceptorów

Elektroretinografia z użyciem migotania (f-ERG) jest cennym i z powodzeniem wykorzystywanym narzędziem do badania fizjologicznych funkcji siatkówki. Ale nie jest to metoda idealna, więc naukowcy z ICTER postanowili opracować jej optyczny odpowiedni. Optoretinografia z migotaniem (f-ORG) to technologia, która umożliwia obserwację w czasie rzeczywistym zmian zachodzących w zewnętrznych segmentach fotoreceptorów oka. Proces ten jest wynikiem konformacyjnych zmian białka fosfodiesterazy 6 (PDE6).

Fotoreceptory - czopki i pręciki - to niezwykle czułe komórki, które reagują na światło poprzez wydłużanie lub skracanie swoich zewnętrznych segmentów. Właśnie te zmiany są sygnałem o ich aktywności oraz o stanie zdrowia siatkówki. Technika f-ORG rejestruje te zjawiska dzięki przestrzenno-czasowej tomografia optyczna OCT (STOC-T), która pozwala na obrazowanie struktur siatkówki z dokładnością rzędu nanometrów.

To już kolejna praca badawcza zespołu ICTER skupiająca się na f-ORG. W 2022 roku zespół prof. Wojtkowskiego pokazał, że możliwe jest wykonanie pomiarów f-ORG w szerokim zakresie częstotliwości (aż do 50 Hz), a w 2024 r. naukowcy zaproponowali nowe podejście do pomiarów f-ORG pozwalające na szybkie wyznaczanie charakterystyki częstotliwościowej fotoreceptorów.

- STOC-T to prawdziwy przełom. Dzięki niej możemy w nieinwazyjny sposób śledzić, jak poszczególne fotoreceptory reagują na światło. To jak posiadanie mikroskopu, który działa bezpośrednio w oku pacjenta – podkreśla dr Andrea Curatolo.

Jak przeprowadzono badania?

Badania nad techniką f-ORG zostały przeprowadzone na grupie zdrowych ochotników, a ich celem było potwierdzenie skuteczności metody w śledzeniu dynamicznych zmian w fotoreceptorach oraz zrozumienie roli białka PDE6 w tym procesie. Uczestnicy zostali poddani krótkiej, jednominutowej adaptacji do światła, co stanowi istotną różnicę w porównaniu z tradycyjnymi metodami wymagającymi długiego przebywania w ciemności. Następnie stymulowano ich siatkówki światłem o zmiennej częstotliwości - od 1,5 Hz do 45 Hz - i rejestrowano zmiany w długości zewnętrznych segmentów fotoreceptorów (OS).

Technika STOC-T, wykonując około 200 trójwymiarowych skanów na sekundę, pozwoliła na zaobserwowanie subtelnych oscylacyjnych wydłużeń tych struktur pod wpływem światła. Badania wykazały, że wydłużenie fotoreceptorów jest zgodne z przewidywaniami teoretycznymi dotyczącymi aktywacji kaskady fototransdukcji. W kolejnym etapie eksperymentów zastosowano sildenafil - inhibitor PDE6, znany z działania blokującego proces fototransdukcji. Po jego podaniu zaobserwowano znaczące osłabienie reakcji fotoreceptorów, co potwierdziło kluczową rolę PDE6 w mechanizmie wydłużania się zewnętrznych segmentów komórek światłoczułych.

- To był przełomowy moment. Po podaniu sildenafilu reakcja fotoreceptorów praktycznie zanikła. To ostatecznie potwierdziło, że to konformacyjne zmiany w białku PDE6 są odpowiedzialne za wydłużanie się zewnętrznych segmentów pod wpływem światła - mówi dr inż. Sławomir Tomczewski, główny autor badania.

Do czego może się przydać f-ORG?

Choroby siatkówki, takie jak zwyrodnienie plamki żółtej (AMD), retinopatia barwnikowa czy wrodzone dystrofie, rozwijają się często niezauważalnie przez wiele lat. Ich wczesna diagnoza jest niezwykle trudna, ponieważ pierwsze objawy kliniczne pojawiają się, gdy znaczna część fotoreceptorów jest już nieodwracalnie uszkodzona. Dotychczasowe metody diagnostyczne koncentrowały się na pomiarach elektrycznej aktywności siatkówki, pomijając subtelne zmiany strukturalne na poziomie molekularnym. f-ORG wypełnia tę lukę, pozwalając na rejestrację zmian w długości zewnętrznych segmentów fotoreceptorów, co jest bezpośrednim wskaźnikiem procesów zachodzących w siatkówce podczas odbioru światła.

- Dzięki f-ORG możemy obserwować reakcje siatkówki w czasie rzeczywistym. To jak monitorowanie pracy silnika bez konieczności jego demontażu - wyjaśnia prof. Maciej Wojtkowski.

Potencjalne zastosowania techniki f-ORG są ogromne. Dzięki możliwości rejestrowania reakcji fotoreceptorów w nanoskali lekarze mogą wykrywać patologiczne zmiany znacznie wcześniej niż w przypadku tradycyjnych metod. Nowa technika może znaleźć zastosowanie nie tylko w okulistyce, ale także w neurologii i badaniach nad neurodegeneracją. Siatkówka jest bowiem naturalnym "oknem" na układ nerwowy i może dostarczać cennych informacji na temat funkcjonowania mózgu.

- Technika f-ORG to przyszłość diagnostyki. Pozwala nam zrozumieć mechanizmy działania fotoreceptorów i ich związek z chorobami neurodegeneracyjnymi na poziomie niespotykanym dotąd w badaniach okulistycznych - podkreśla dr inż. Sławomir Tomczewski.

Przyszłość f-ORG w praktyce klinicznej

Naukowcy z ICTER planują dalszy rozwój technologii f-ORG oraz jej adaptację do zastosowań klinicznych. Obecnie trwają przygotowania do badań na pacjentach z wczesnymi objawami zwyrodnienia plamki żółtej oraz retinopatii barwnikowej. W planach jest również opracowanie przenośnej wersji urządzenia, które mogłoby być wykorzystywane w gabinetach okulistycznych, a nawet podczas badań przesiewowych wśród populacji o podwyższonym ryzyku chorób siatkówki.

- Chcemy, by f-ORG stała się standardem w okulistyce. To technologia, która może pomóc milionom pacjentów na całym świecie, umożliwiając wczesne wykrycie chorób i skuteczniejsze leczenie - mówi prof. Wojtkowski.

Autorzy pracy "Photopic flicker optoretinography captures the light-driven length modulation of photoreceptors during phototransduction": Sławomir Tomczewski, Andrea Curatolo, Andrzej Foik, Piotr Węgrzyn, Bartłomiej Bałamut, Maciej Wielgo, Wiktor Kulesza, Anna Galińska, Katarzyna Kordecka, Sahil Gulatie, Humberto Fernandes, Krzysztof Palczewski, Maciej Wojtkowski.