Technika f-ORG wykryje najmniejsze zmiany w ludzkich fotoreceptorach

Fotoreceptory są podstawowym elementem składowym całego procesu widzenia. Te wyspecjalizowane komórki pochłaniające światło i uruchamiające określoną reakcję fizjologiczną w organizmie występują w dwóch odmianach: czopki (odpowiedzialne za ostre widzenie barwne) i pręciki (odpowiedzialne za czarno-białe widzenie przy słabym oświetleniu, np. po zmroku). Do prawidłowego odbierania bodźców wzrokowych i postrzegania otaczającego nas świata potrzebujemy obu, i to w dużych ilościach.

Elektroretinografia z użyciem migotania (ang. flicker electroretinography – f-ERG) jest cennym i od dziesięcioleci wykorzystywanym narzędziem do badania fizjologicznych funkcji siatkówki. Naukowcy z Międzynarodowego Centrum Badań Oka - ICTER, działającego przy Instytucie Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk, poczynili ogromne postępy w pracach nad techniką będącą jej optycznym odpowiednikiem – optoretinografią z migotaniem (ang. flicker optoretinography – f-ORG) - która może zostać wykorzystana w diagnostyce niektórych zaburzeń wzroku.

Zespół naukowców złożony z Sławomira Tomczewskiego, Piotra Węgrzyna, Macieja Wojtkowskiego i Andrei Curatolo opracował metodę pozwalającą na szybki pomiar charakterystyki częstotliwościowej odpowiedzi fotoreceptorów na pobudzanie migotaniem. Praca "Chirped flicker optoretinography for in vivo characterization of human photoreceptors' frequency response to light" została opublikowana w czasopiśmie Optics Letters.

Optoretinografia krok przed elektroretinografią

W wielu chorobach oczu istnieje złożona zależność struktura-funkcja, a nieprawidłowości fotoreceptorów często objawiają się na różnych płaszczyznach, m.in. ich wyglądzie i działaniu. Odstęp czasowy między deficytami funkcjonalnymi a odbieranymi zmianami patologicznymi oka jest zmienny i trudny do określenia, a w praktyce okulistycznej stosuje się metody psychofizyczne (np. mikroperymetrię, testy wrażliwości na światło migoczące) i elektrofizyczne (np. elektroretinografię).

Elektroretinografia (ERG) jest metodą obiektywną, lekko inwazyjną i zdolną do pomiaru potencjałów elektrycznych pochodzących z neuronów siatkówki w odpowiedzi na stymulację światłem. Technika ta udowodniła swoją skuteczność we wczesnym wykrywaniu retinopatii barwnikowej, rozwarstwienia siatkówki sprzężonego z chromosomem X oraz retinopatii cukrzycowej. W ostatnich latach wykazano, że optyczna tomografia koherencyjna - OCT (ang. Optical Coherence Tomography), pozwala wykryć niewielkie zmiany w strukturze siatkówki występujące w odpowiedzi na bodziec świetlny. To stanowiło podwaliny rozwoju optoretinografii (ORG) – czyli optycznego i bezinwazyjnego ekwiwalentu ERG.

Zespół profesora Macieja Wojtkowskiego w swoich pracach skupia się na użyciu migoczącego światła do stymulacji siatkówki (metoda f-ORG). W 2022 roku, w swojej poprzedniej publikacji na temat f-ORG zespół z ICTER pokazał, że możliwe jest wykonanie pomiarów f-ORG w szerokim zakresie częstotliwości (aż do 50 Hz) W swojej najnowszej pracy zespół badawczy z ICTER zaproponował nowe podejście do pomiarów f-ORG pozwalające na szybkie wyznaczanie charakterystyki częstotliwościowej fotoreceptorów.

- Protokół migotania ze zmienną częstotliwością chwilową połączony z odpowiednią adaptacją do światła ma dwie zalety. Z jednej strony umożliwia szybki pomiar charakterystyki częstotliwościowej odpowiedzi fotoreceptorów; z drugiej strony pozwala także na skrócenie czasu pomiędzy pomiarami poprzez uniknięcie kilkuminutowej adaptacji do ciemności - mówi dr inż. Sławomir Tomczewski z ICTER.

Ważne odkrycia dotyczące f-ORG

W standardowym podejściu uzyskanie pełnej charakterystyki częstotliwościowej odpowiedzi fotoreceptorów oka ludzkiego na migotanie wymaga dużej liczby pomiarów przy odrębnych częstotliwościach bodźców i przeprowadzenia czasochłonnego przetwarzania danych dla każdego z tych zbiorów.

Naukowcy z ICTER pokazali, że nie ma znaczących różnic między wynikami f-ORG uzyskanymi w pomiarach z odrębnymi częstotliwościami migotania, a pomiarem ze zmienną chwilową częstotliwością migotania. Implementacja f-ORG wykorzystująca zmienną chwilową częstotliwość migotania pozwala natomiast na znaczne zmniejszenie liczby pomiarów potrzebnych do scharakteryzowania odpowiedzi częstotliwościowej fotoreceptorów, drastycznie skracając czas wymagany do przeprowadzenia eksperymentów i analizy danych.

Biorąc pod uwagę ograniczoną liczbę obiektów i pomiarów, przeprowadzone badania mają charakter wstępny i wymagają rozwinięcia. Obecnie trwają pracę nad wyjaśnieniem mechanizmu zjawiska, które wykorzystuje się w ORG i jego związku z procesem widzenia. Ostatecznie nowe narzędzie rozwinięte w ICTER może dostarczyć nowy biomarker oparty na odpowiedzi częstotliwościowej do wczesnego wykrywania chorób siatkówki i monitorowania terapii z wykorzystaniem ORG.

Publikacja:

"Chirped flicker optoretinography for in vivo characterization of human photoreceptors' frequency response to light". Autorzy: dr inż. Sławomir Tomczewski; Piotr Węgrzyn, prof. Maciej Wojtkowski, dr Andrea Curatolo. Magazyn naukowy: Optics Letters. Vol. 49, Issue 9, str. 2461-2464 (2024). DOI: https://doi.org/10.1364/OL.514637.