Odkrycia naukowe często wiążą się z ryzykiem, ale testowanie dwufotonowego oftalmoskopu, na własnych oczach, wymagało od prof. Macieja Wojtkowskiego niemałej odwagi i poświęcenia. Wcześniej takie eksperymenty badawcze prowadzone były jedynie na myszach w laboratorium.
Dyrektor Międzynarodowego Centrum Badań Oka (ICTER), Międzynarodowej Agendy Badawczej przy Instytucie Chemii Fizycznej PAN postanowił udowodnić na sobie wiarygodność nowatorskiej metody obrazowania ludzkiego oka in vivo w wysokiej rozdzielczości. Tekst okazał się sukcesem przełomowej technologii, opracowanej w ICTER przez interdyscyplinarny zespół światowej sławy uczonych z kraju i ze świata.
Eksperyment badawczy na własnych oczach to duże poświęcenie dla nauki. Nie obawiał się pan profesor ryzyka?
Etyka uczonego wymaga, żeby eksperymenty zaczynać od siebie. Nie da się wszystkiego sprawdzić na myszach w laboratorium, nawet przy najbardziej precyzyjnych i wiarygodnych obliczeniach. Badacz powinien wziąć pełną odpowiedzialność za to co oferuje, zwłaszcza jeśli dotyczy to tak wrażliwych dziedzin jak okulistyka czy medycyna. Testowanie narzędzi diagnostycznych do badania siatkówki oka, nad którymi pracuję jako fizyk od ponad 20 lat, zawsze zaczynam od siebie.
Tomografia optyczna (OCT), rozwinięta kilkanaście lat temu przez pana profesora, która zrewolucjonizowała światową diagnostykę siatkówki oka, też zaczęła swój start od pańskich oczu?
Byłem ciekawy jak wygląda anatomia moich oczu, bo dopiero badanie Optical Coherence Tomography, (OCT) mogło to pokazać. Dawało piękne, trójwymiarowe obrazy oka i można było robić dość dokładną morfometrię i analizować te obrazy automatycznie. Badanie polega na wprowadzeniu do narządu wiązki światła za pomocą koherentnego tomografu siatkówki, co daje informację o wyglądzie i parametrach poszczególnych struktur oka. Od długości fali świetlnej i liczby skanów wykonywanych w ciągu sekundy zależy efektywność obrazowania dna oka. Tomografię optyczną OCT cechuje wysoka rozdzielczość, dlatego jest jednym z najczęściej stosowanych badań okulistycznych w diagnostyce chorób siatkówki oka. Szczególnie w przypadku zmian zlokalizowanych w obrębie jej centralnej części, czyli tzw. plamki, która jest niezbędna do dobrego widzenia. Ta metoda najlepiej sprawdza się w wykrywaniu i monitorowaniu chorych z wysiękową postacią zwyrodnienia plamki związanego z wiekiem, ale także z innymi chorobami naczyniowymi siatkówki, takimi jak retinopatia cukrzycowa, zakrzepy i zatory naczyń siatkówki Jest całkowicie bezbolesna i bezpieczna, dlatego testując tę metodę na sobie niczym nie ryzykowałem.
A jaki wzrok ma pan profesor?
Zupełnie niezły, choć po 40. roku życia pojawiła się niewielka starczowzroczność. Mam tzw. monowizję, czyli każde oko poddawane jest innej korekcji. Jedno oko widzi z bliska, a drugie na dalekie odległości. Korzyść jest taka, że mogę dobrze funkcjonować bez okularów. Dzięki tym wszystkim eksperymentom badawczym, prowadzonym przez te lata, moje oczy są całkiem nieźle przebadane i obmierzone. Taka wnikliwa diagnostyka przynosi dobre efekty, ale jednocześnie uświadamia mi co jeszcze musimy zrobić w tej dziedzinie.
Dlaczego właśnie fizyk zainteresował się badaniami oka?
Stało się raczej odwrotnie, to oko mnie przyciągnęło, jako fantastyczny obiekt do badań. Ja lubię w fizyce wszystko to, co nie jest fizyczne. Znając jednak mechanizmy, które funkcjonują w świecie przyrody, staram się zrozumieć działanie złożonych układów biologicznych. Jak każdy fizyk próbuję wszystko uprościć, żeby wyjaśnić każde zjawisko, ale świat jest niebywale skomplikowany. Biologia i medycyna dobitnie to pokazują. Organizm człowieka jest tak złożony jak cały Wszechświat. Nie rozumiemy wszystkich procesów, które w nim zachodzą, ale tendencja do upraszczania wszystkiego, pomaga fizykowi w zrozumieniu tej skomplikowanej natury. I to jest właśnie nasza rola. Zajmujemy się okiem, żeby poszerzyć rozumienie funkcjonowania zmysłu wzroku, aby pomóc okulistom w diagnozowaniu i leczeniu występujących chorób.
Co jest w tych badaniach najważniejsze?
Ustalenie przyczyny chorób i mechanizmów ich powstawania, dlaczego w ogóle się pojawiają i jak im zapobiec. To wszystko jest kompleksowym problemem do rozwiązania. Naszym zadaniem w ICTER jest proponowanie nowych technologii, które pozwolą rozszerzyć to zrozumienie funkcjonowania oka i powstawania chorób. Przyjrzeć się, w jaki sposób nowe terapie mogą być wprowadzone i jak kontrolować ich skuteczność. Nie wystarczy bowiem tylko wymyśleć nowe lekarstwo, zabieg czy nowatorskie urządzenie do diagnozowania. Musi być określony sposób obiektywnej weryfikacji jak to wszystko działa.
To stanowi problem w okulistyce?
W pewnym sensie tak, ponieważ wiele rzeczy ocenianych jest subiektywnie przez pacjentów, którzy mogą się różnić ostrością wzroku, polem widzenia itd. dlatego ich ocena nie zawsze jest miarodajna. Trudno jest w tej sytuacji potwierdzić obiektywną skuteczność stosowanej terapii. Najlepszym sposobem jest połączenie innowacyjnych metod wizualizacji siatkówki oka z odkryciami w dziedzinie farmakologii. Dobrym przykładem przed laty było m.in. jednoczesne wprowadzenie tomografii optycznej (OCT) i leków anty-VEGF, które miały chronić przed rozrostem naczyń w starczym zwyrodnieniu plamki (AMD),ratując ludzi przed utratą widzenia. Taka spójność diagnostyki z leczeniem jest w tych działaniach najważniejsza zarówno dla badaczy jak i lekarzy. Bez diagnostyki nie ma dobrego leczenia, ale sama diagnostyka bez terapeutycznego wsparcie też jest niespecjalnie przydatna.
Jakie terapie i narzędzia diagnostyczne powstają teraz w International Center for Translational Eye Research ICTER?
Do zadań kluczowych ICTER należy rozwój nowoczesnych technologii wspierających diagnostykę i leczenie chorób oczu, pozwalających na szybsze wdrożenie nowych terapii. W Międzynarodowym Centrum Badania Oka, powołanym w 2019 roku pracuje 5 niezależnych zespołów eksperckich, które prowadzą badania z obszaru optyki stosowanej, nowych technologii, inżynierii, chemii, biofizyki, biologii i medycyny. Współpracujemy z najbardziej prestiżowymi ośrodkami okulistycznymi w Europie i Ameryce Północnej: Institute of Ophthalmology w University College London, oraz Gavin Herbert Eye Institute na Uniwersytecie Kalifornijskim w Irvine. W naszym projekcie, który został wybrany w konkursie – Międzynarodowe Agendy Badawcze, Fundacji na rzecz Nauki Polskiej, zaproponowaliśmy nowe podejście do kontrolowania spójności światła wykorzystywanego w obrazowaniu rogówki i siatkówki ludzkiego oka in vivo. Pokonując istniejące ograniczenia fizyczne stworzyliśmy nową metodę, którą nazwaliśmy przestrzenno-czasową tomografią optyczną (ang. spatio-temporal optical coherence tomography (STOC-T)). Jest to narzędzie do nieinwazyjnego, bezpiecznego i powtarzalnego obrazowania rogówki i siatkówki oka z wykorzystaniem nowatorskiej techniki.
Czym ta metoda różni się od OCT?
Powszechnie stosowane w okulistyce OCT dostarcza informacji o budowie i strukturze oka, o tym m.in. jak wygląda tkanka, natomiast angiografia OCT, umożliwia ocenę przepływu krwi w obrębie tarczy nerwu wzrokowego i kapilar okołotarczowych. Jest narzędziem pomocnym w diagnostyce i monitorowaniu pacjentów z jaskrą. Teraz potrzebujemy dużo bardziej detalicznej wiedzy, o tym jak funkcjonują fotoreceptory i cała siatkówka. Technologia już na to pozwala, ale metody czynnościowe takie jak badanie pola czy elektroretinografia są wykorzystywane marginalnie w procencie rutynowej działalności gabinetowej. Są długotrwałe i nie zapewniają dużej dokładności, przy sprawdzeniu działania danego fotoreceptora, grupy fotoreceptorów czy komórek nerwowych. Poza tym, wymagają nie tylko specjalistycznego sprzętu, ale także bardzo dobrze wyszkolonego personelu. Badania kliniczne z kolei są męczące dla pacjenta i długotrwałe i nie zawsze dokładne. W tej sytuacji musieliśmy zaproponować coś w zamian, co umożliwia zastąpienie tych metod, jest obiektywne i daje informacje niezależne od odczuć pacjenta. Nasza metoda STOC-T pozwala na uchwycenie siatkówki w ułamku sekundy i zarejestrowanie całej jej głębi w niezwykle wysokiej, niespotykanej dotąd rozdzielczości. Pacjent nie zdąży nawet mrugnąć, a jego oko już jest zobrazowane i to z dokładnością pozwalającą oglądać nawet pojedyncze komórki. A gdyby nawet poruszył okiem, urządzenie, a raczej komputer, skompensuje ten ruch, wciąż dając ostry obraz. Do tego nasz aparat nie ma ruchomych części, a dzięki modulacji fazy wiązki laserowej możemy wnikać do naczyniówki i ją wizualizować warstwa po warstwie. Poza tym możemy sprawdzić czy fotoreceptory żyją i są aktywne przez podglądanie ich wydłużania i skracania gdy świecimy światłem do oka. To są bardzo subtelne efekty – takie zmiany długości to jedna stutysięczna część grubości włosa! Nasza metoda jest jednak bardzo precyzyjna i możemy takie zmiany uchwycić w żyjącym ruszającym się oku! Mamy też drugą technikę obrazowania czynnościowego, którą nazwaliśmy oftalmoskopią dwufotonową.
Co to jest za technika?
Zaproponowana przez nas technika wykorzystuje światło emitowane z siatkówki, które pochodzi ze składnika chemicznego, znajdującego się w oku. Ten składnik to retinol, cząsteczka kluczowa w cyku widzenia. Taka sprężynka, która klika kiedy światło pada na fotoreceptor. Kiedy je zaabsorbuje zmienia swoją postać tzw. konformację. Ma ten sam skład, ale przybiera troszkę inny kształt całej struktury atomowej. Uwalniana jest wtedy z białka rodopsyny, która rozpoczyna działania prowadzące do procesu widzenia. Natomiast siatkówka musi wykonać ogromną pracę, żeby z powrotem te cząsteczki doprowadzić do stanu wyjściowego. I to jest działanie wymagające olbrzymiego wysiłku energetycznego, dlatego, że ta cząsteczka zmienia swój stan błyskawicznie. To są setki femtosekund, niewyobrażalnie mała liczba, zero i po przecinku trzynaście zer zakończonych jedynką (0,00000000000001). To jest tak krótki czas. W naturze jak coś trwa bardzo szybko, to odwrócenie tego procesu, kosztuje masę energii. To jest rola fizyka, żeby rozumieć te rzeczy.
To wszystko dzieje w siatkówce?
Siatkówka jest najważniejszą częścią oka, dzięki której widzimy. Jest maszynerią chemiczną, która wykonuje taki recykling. Zawraca obieg tej cząsteczki i przywraca stan pierwotny. To dzieje się przy wykorzystaniu zwykłych reakcji chemicznych, ale też enzymów czyli białek, które muszą się napracować, żeby to zrobić. Jest taki moment w tym całym procesie, że ta maszyna, żeby była wydajniejsza, zbiera te cząstki i zamyka je w takich kulkach tłuszczowych. To są estry tych substancji, atakowane przez enzymy, żeby dokończyć proces reizomeryzacji, czyli zmiany konformacji struktury atomowej cząsteczki. Ten moment można podejrzeć, bo te kulki są dość duże i dobrze zlokalizowane w komórkach nabłonka barwnikowego i są bardzo świecące. Przypominają fluorescencyjne zabawki, które najlepiej wzbudzić ultrafioletem. Pod jego wpływem świecą. I tak samo jest tutaj. Trzeba poświecić, ale oko nienawidzi ultrafioletu. Szczególnie część przednia, która jest tak skonstruowana, żeby chronić nas przed ultrafioletem, absorbując go może zmętnieć.
Jak udało się to obejść?
Musieliśmy troszkę oszukać fizykę, obchodząc te granic i użyć efektu, który w fizyce jest znany jako wzbudzenie dwufotonowe. Świecimy falą niewidzialną, mniej energetyczną, która przechodzi przez oko bardzo łatwo, taką samą, która jest wykorzystana w OCT. Świecenie jest takie jakbyśmy to robili ultrafioletem. Wymaga jednak specjalnego zaprogramowania tego światła. Musi mieć bardzo króciutki impuls, tego samego rzędu co izomeryzacja – czyli 0,0000000000000001 i odpowiednią energię. Kiedy takie światło dostarczymy do oka, to możemy ten efekt obserwować. Fizykom wydawało się to niemożliwe, bez uszkodzenia oka, dlatego przez lata nikt się tego nie podejmował. Nasz partner ze Stanów Zjednoczonych prof. Krzysztof Palczewski wraz z żoną Grażyną ze Szkoły Medycznej Uniwersytetu Kalifornijskiego w Irvine prowadził takie badania na myszach. To pozwoliło nam w ścisłej współpracy, dokładnie zbadać ten proces i przygotować układ optyczny zoptymalizowany dla oka ludzkiego. Kilka wysoko punktowanych prac z naszym udziałem zostało opublikowanych w najlepszych światowych czasopismach. Półtora roku temu osiągnęliśmy sukces, bo zrobiliśmy w Warszawie eksperyment na oczach ludzkich.
Na pańskich oczach?
Tak. Mieliśmy oczywiście zgodę komisji bioetyki. Pewne ryzyko było, ale my tak wszystko policzyliśmy, sprawdziliśmy i tak zmieniliśmy parametry urządzenia, że dało się to zrobić. Prof. Grzegorz Soboń z Politechniki Wrocławskiej zbudował dla nas specjalny laser do przeprowadzenia tego eksperymentu. Stworzyliśmy cały układ urządzenia laboratoryjnego i zaczęliśmy mierzyć moje oko. Pierwsze wyniki już były zaskakująco dobre. Po kilku próbach udało się uzyskać bardzo przyzwoite wyniki fluorescencji fotonowej oka ludzkiego. Zrobiliśmy to jako pierwsi na świecie, publikując te wyniki w bardzo dobrym czasopiśmie Journal of Clinical Investigatons, które ma duże znaczenie dla środowiska zajmującego się całą dziedziną biologii medycznej. Pokazaliśmy, że możemy przeniknąć głębiej do obszarów pod siatkówką oka, których nie można było dotąd obrazować. Dla takiego efektu warto było ryzykować moim własnym okiem.
Rozmawiała Jolanta Czudak
