Nowy instrument do podglądania biochemii widzenia; pomoże w leczeniu chorób siatkówki

Obserwację procesów zachodzących w fotoczułych komórkach siatkówki u ludzi, uchwycenie tzw. biochemii widzenia umożliwia dwufotonowy skaningowy oftalmoskop fluorescencyjny opracowany przez zespół prof. Macieja Wojtkowskiego z Międzynarodowego Centrum Badań Oka. Instrument otwiera liczne możliwości terapeutyczne dla chorób degeneracyjnych siatkówki.

Mechanizmy zachodzące w siatkówce są kluczowe dla odbioru bodźców wzrokowych ze środowiska. To pierwszy i bardzo ważny etap drogi, jaką musi przejść impuls światła, by zostać przetworzony na obraz. Przez wiele lat naukowcy i lekarze nie byli w stanie obserwować procesów zachodzących w fotoczułych komórkach siatkówki u ludzi – wyjaśnia Marcin Powęska w komunikacie prasowym Instytutu Chemii Fizycznej PAN.

Zespół naukowców prowadzony przez prof. Macieja Wojtkowskiego z Międzynarodowego Centrum Badań Oka (ICTER) w Instytucie Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk (IChF PAN) stworzył dwufotonowy skaningowy oftalmoskop fluorescencyjny (TPEF-SLO). Jest to instrument pozwalający na podglądanie biochemii widzenia w żywym oku. Badania dotyczące TPEF-SLO zostały opublikowane w czasopiśmie „The Journal of Clinical Investigation” .

Prof. Wojtkowski zwraca uwagę, że: „dzięki ścisłej współpracy z biochemikiem prof. Krzysztofem Palczewskim z University of California Irvine oraz laserową grupą prof. Grzegorza Sobonia z Politechniki Wrocławskiej jesteśmy w stanie szybko i skutecznie walidować nową metodę obrazową i wykorzystać ją w praktyce”.

Nowy instrument pozwalający na nieinwazyjną ocenę stanu metabolicznego ludzkiej siatkówki otwiera liczne możliwości terapeutyczne dla wszystkich chorób degeneracyjnych siatkówki. Może być przydatny także do testowania nowych leków, bo dzięki zrozumieniu biochemii widzenia, lekarze będą w stanie trafiać nimi dokładnie tam, gdzie potrzeba – czytamy w prasowym komunikacie.

W siatkówce, czyli części oka, która odbiera bodźce wzrokowe, występują czopki i pręciki. Czopki umożliwiają widzenie i rozróżnianie barw w silnym oświetleniu, a pręciki cechuje wrażliwość na pojedyncze impulsy światła widzialnego o zmroku lub w nocy. Wrażenia wzrokowe są przekazywane nerwem wzrokowym do mózgu (pierwotnej kory wzrokowej), ale impuls, który je przenosi powstaje w wyniku reakcji chemicznych zachodzących w komórkach siatkówki.

„Upraszczając możemy powiedzieć, że ludzkie oko jest fabryką biochemiczną, której aktywność jest uzależniona od reakcji chemicznych jednej molekuły – retinalu. Ta cząsteczka jest niezbędna dla funkcji receptorów białek G, np. rodopsyny w pręcikach, i przetwarzania światła na impulsy elektryczne” – mówi prof. Maciej Wojtkowski, cytowany w prasowym komunikacie.

Rodopsyna jest światłoczułym receptorem białka G. Zaabsorbowanie kwantu promieniowania powoduje izomeryzację 11-cis-retinalu związanego z rodopsyna, jego uwolnienie i inicjację impulsu wzrokowego przekazywanego do mózgu. W przypadku niedoboru witaminy A, która jest źródłem retinalu, dochodzi do tzw. kurzej ślepoty i ograniczenia zdolności do widzenia o zmroku lub w nocy.

Niestety, praktycznie przez cały cykl widzenia, molekuły niezbędne do prawidłowej funkcji siatkówki pozostają niewykrywalne dla instrumentów naukowych. To dlatego, że łatwo można je pomylić z lipofuscynami, czyli związkami odkładającymi się w siatkówce. „Jest jednak jeden proces fizyczny, dzięki któremu molekuły mogą być widoczne – nie możemy ich wykryć za pomocą promieniowania UV, ale możemy je dostrzec stosując fluorescencję ze wzbudzeniem dwufotonowym” – dodaje dr inż. Jakub Bogusławski, główny wykonawca projektu.

Okulistyczne techniki obrazowania to podstawa w diagnozowaniu patologii siatkówki. Dzięki optycznej tomografii OCT, skaningowej oftalmoskopii laserowej (SLO) i autofluorescencji dna oka, dokonano postępów w mechanizmach ich zrozumienia. To jednak niewystarczający arsenał do pełnego wglądu w chemię widzenia. Nieinwazyjna ocena procesów metabolicznych zachodzących w komórkach siatkówki (regeneracja pigmentu wzrokowego) jest niezbędna dla rozwoju przyszłych terapii. W przypadku zwyrodnienia plamki żółtej związanego z wiekiem (AMD), które jest jedną z najczęstszych chorób powodujących ślepotę, na wczesnym etapie nie można odróżnić komórek zmienionej i prawidłowej siatkówki. Można jednak je wychwycić dzięki biochemicznym markerom – o ile udałoby się je wzbudzić fluorescencyjnie.

Właśnie taka jest idea obrazowania fluorescencyjnego ze wzbudzeniem dwufotonowym (TPE). Jest to zaawansowana technika pomiaru czynnościowego barwników siatkówki, która może ujawnić różne cechy tej części oka, niewidoczne w innych badaniach. W porównaniu do tradycyjnych metod obrazowania opartych na jednofotonowej fluorescencji, TPE pozwala oglądać metabolity witaminy A, które biorą udział w widzeniu.

„Oko jest idealnym narządem do obrazowania metodą wielofotonową” – mówi prof. Wojtkowski, którego zespół odpowiada za odkrycie. Tkanki oka, takie jak twardówka, rogówka czy soczewka, są wysoce przezroczyste dla światła w bliskiej podczerwieni. To z kolei w sposób nieinwazyjny przenika do tkanek siatkówki.

Jak informuje IChF PAN w komunikacie, obrazy uzyskane dzięki TPEF-SLO potwierdziły, że jest to satysfakcjonujący sposób oglądania molekuł niezbędnych dla prawidłowej funkcji cyklu widzenia. Porównanie danych między ludźmi i mysimi modelami chorób siatkówki ujawniło podobieństwo do modeli mysich, w których szybko gromadzą się produkty kondensacji bisretinoidów, składników lipofuscyny.

„Wierzymy, że molekuły kluczowe dla cyklu wzrokowego i toksyczne produkty uboczne tego szlaku metabolicznego będą mogły być mierzone i określane ilościowo za pomocą obrazowania TPE” – mówi dr Grażyna Palczewska, znajdująca się w gronie głównych wykonawców projektu, cytowana w prasowym komunikacie.

PAP – Nauka w Polsce

ekr/, fot. pixabay.com

Data publikacji: 13.01.2022 r.