Jak sprawdzić, czy fotoreceptory działają? Przełomowa technika do diagnostyki chorób oczu

Czy można wykrywać niedziałające fotoreceptory jak martwe piksele na matrycy? Do tej pory nie było to możliwe, ale nowa technika pozwoli na błyskawiczną i nieinwazyjną metodę oceny stanu fizjologicznego siatkówki. To może być prawdziwy przełom w leczeniu chorób oka.

Przez długi czas to elektroretinografia (ERG) była jedyną zaawansowaną metodą oceny stanu fizjologicznego funkcji siatkówki. W ostatnich latach opracowano nową technikę zwaną optoretinografią (ORG). W jednej z wariantów tej techniki, fizjologiczna odpowiedź fotoreceptorów siatkówki na światło widzialne, powodująca nanometryczną zmianę długości drogi optycznej, jest mierzona za pomocą tomografii optycznej OCT.

Do tej pory możliwości badania odpowiedzi siatkówki na stymulację światłem migoczącym były ograniczone. Naukowcy z Międzynarodowego Centrum Badań Oka (ICTER) wykorzystali wynalezioną przez nich czasowo-częstotliwościową tomografię optyczną OCT (Spatio-Temporal Optical Coherence Tomography STOC-T) do rejestrowania optoretinogramów siatkówki.

Badania zostały przeprowadzone przez dr Sławomira Tomczewskiego, Piotra Węgrzyna, dr Dawida Boryckiego, dr Egidijusa Auksoriusa, prof. Macieja Wojtkowskiego i dr Andreę Curatolo z ICTER, a wyniki opublikowano w czasopiśmie "Biomedical Optics Express" w pracy zatytułowanej "Light-adapted flicker optoretinograms captured with a spatio-temporal optical coherence-tomography (STOC-T) system" (https://doi.org/10.1364/BOE.444567).

Jak badać sygnały elektryczne fotoreceptorów?

Mianem badań elektrofizjologicznych (ERG) określamy grupę obserwacji i rejestracji zmian prądów czynnościowych powstających w gałce ocznej, w okolicy wzrokowej kory mózgowej i mięśniach gałkoruchowych. Szczególnie interesujące pod kątem diagnostycznym jest badanie prądów czynnościowych generowanych przez siatkówkę, czyli część oka, która odpowiada za odbiór bodźców wzrokowych. Najważniejszym elementem są światłoczułe receptory, zmodyfikowane neurony: czopki i pręciki. Ludzka siatkówka zawiera ok. 6 mln czopków i 100 mln pręcików.

Pręciki to receptory wrażliwe na natężenie światła, które odpowiadają za widzenie czarno-białe. Najwięcej jest ich w częściach peryferyjnych siatkówki, a są nieobecne w dołku środkowym. Zawierają rodopsynę - światłowrażliwy barwnik, którego przemiany biochemiczne odpowiadają za widzenie. Z kolei czopków jest najwięcej w centralnej części siatkówki i odpowiadają za widzenie barwne. Dysponują barwnikami, które są wrażliwe na kolory podstawowe: niebieski, zielony i czerwony. Czopki odpowiadają także za ostrość widzenia - najwięcej z nich jest w plamce żółtej.

Ocena jakości fotoreceptorów jest kluczowa, bo ich dysfunkcje mogą pomóc w rozpoznaniu różnych chorób oka, niektórych prowadzących do ślepoty. Najczęstszym rodzajem badania elektrofizjologicznego jest elektroretinografia (ERG). Technika ta bada czynnościowy potencjał elektryczny powstający w gałce ocznej pod wpływem bodźca świetlnego. Samo badanie polega na założeniu na oko elektrody pod postacią soczewki kontaktowej lub nylonowej nitki nasyconej środkiem przewodzącym (elektroda DTL). Bodziec świetlny jest rejestrowany jako krótki błysk (1-3 ms), błysk podwójny lub migocący (flesz ERG), a także szachownicę rozjaśniających i zaciemniających kwadratów. Badanie polega na wysyłaniu impulsów świetlnych z lampy emitującej czerwone światło. Specjalne urządzenie odczytuje wartości napięcia, które powstają pod wpływem tych bodźców.

Badanie ERG wykonuje się w warunkach adaptacji do ciemności (skotopowe ERG) i w warunkach adaptacji do światła (fotopowe ERG). Każda odpowiedź ERG składa się z dwóch składowych: fali a i b. Fala a jest początkowym wychyleniem ujemnym w stosunku do linii izoelektrycznej - pojawia się około 35 ms po zadziałaniu bodźca. Powstaje ona w wyniku pobudzania zewnętrznych części fotoreceptorów (czopków i pręcików). Fala b, czyli wychylenie dodatnie w stosunku do linii izoelektrycznej, pojawia się około 50 m po zadziałaniu bodźca i pochodzi z komórek Müllera. Jest zatem odzwierciedleniem procesów zachodzących w warstwie komórek dwubiegunowych siatkówki.

Fotoreceptory jak martwe piksele

Niestety, badanie ERG nie jest idealne, bo nie można za jego pomocą wykryć kurczenia się fotoreceptorów, a co za tym idzie, określić ich roli w procesie widzenia. Dlatego za znacznie bardziej użyteczną technikę uznaje się optoretinografię (ORG), która koncentruje się na pomiarze sygnałów optycznych wywołanych światłem z fotoreceptorów za pomocą ultraczułej wersji OCT.

Pomiary odpowiedzi siatkówki na migoczący bodziec okazały się pomocne w analizie adaptacji siatkówki do światła i różnic krytycznej częstotliwości migotania (CFF) między plamką a peryferiami. Do tej pory, w literaturze przedstawiono ograniczoną liczbę badań ORG z wykorzystaniem migotania. Spośród nich, w badaniu iORG zmierzono odpowiedź fotoreceptorów na bodziec okresowy ograniczony do pojedynczej niskiej częstotliwości (5 Hz), natomiast w dwóch nowszych badaniach pORG zmierzono odpowiedź fotoreceptorów przystosowanych do ciemności w zakresie od 1-6,6 Hz oraz wolną odpowiedź wewnętrznej warstwy splotowej odpowiednio w zakresie od 1-50 Hz. Do tej pory nie udawało się zmierzyć szybkiej odpowiedzi siatkówki przy częstotliwościach powyżej 10 Hz. Aż do teraz.

Naukowcy z ICTER pobudzali siatkówkę tzw. flickerem, czyli emiterem światła migoczącego ze stałą częstotliwością, dzięki czemu byli w stanie rejestrować odpowiedzi siatkówki przy częstotliwościach 15-20 Hz. To z kolei pozwala określić zmiany w grubości fotoreceptorów rzędu kilku nanometrów w czasie rzeczywistym w odpowiedzi na sygnał świetlny - a tym samym stwierdzić, które elementy biorą udział w procesie widzenia.

- Po raz pierwszy możemy zaobserwować malutkie sygnały z dna oka, które są generowane przez poszczególne fotoreceptory. Nie udało się to osiągnąć nikomu wcześniej. Nie byłoby to też możliwe, gdyby nie poprzednie badania naszych naukowców i opracowanie techniki STOC-T - mówi prof. Maciej Wojtkowski, kierownik ICTER.

Naukowcy z ICTER wykazali, że można wykryć statystycznie istotne różnice w amplitudach modulacji długości drogi optycznej fotoreceptorów (OPL) w odpowiedzi na różne częstotliwości migotania i przy lepszym stosunku sygnału do szumu (SNR) niż w przypadku oka zaadaptowanego do ciemności.

Eksperymenty wykazały, że można wykrywać odpowiedź fotoreceptorów na różne częstotliwości migotania w sposób powtarzalny za pomocą systemu STOC-T i z poprawionym SNR. Potwierdzono także zdolność do przestrzennego wykrywania odpowiedzi na wzorzysty bodziec z paskami światła migoczącymi z różnymi częstotliwościami. Wyniki te podkreślają perspektywę bardziej obiektywnego badania zmian CFF w całej siatkówce. To może pozwolić na wczesne wykrywanie zwyrodnienia siatkówki i innych nieprawidłowości działania fotoreceptorów. Zespół uczonych z ICTER już planuje kolejne prace badawcze, których celem będzie poznanie skutków biologicznych i medycznych zaobserwowanego zachowania fotoreceptorów.

Autor: Marcin Powęska

Projekt Międzynarodowe Centrum Badań Oka (MAB/2019/12) jest realizowany przez Instytut Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk w ramach programu Międzynarodowe Agendy Badawcze Fundacji na rzecz Nauki Polskiej, współfinansowanego przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego.