Jakie procesy zachodzą w komórkach siatkówki ludzkiego oka? Będzie można to zbadać bardzo dokładnie dzięki wspólnej pracy naukowców z Międzynarodowego Centrum Badań Oka w Warszawie (ICTER) i Politechniki Wrocławskiej. 

Zespół pod kierownictwem dr. hab. inż. Grzegorza Sobonia, prof. uczelni z Wydziału Elektroniki, Fotoniki i Mikrosystemów zaprojektował i skonstruował laser, który umożliwia wzbudzenie fluorescencji w siatkówce oka w sposób bezpieczny dla człowieka w dwufotonowym skaningowym oftalmoskopie fluorescencyjnym.

– Chodzi o dokładniejszą obserwację procesów zachodzących w siatkówce – tłumaczy prof. Grzegorz Soboń. – To właśnie w niej i w warstwie nabłonka barwnikowego znajdują się liczne substancje fluoryzujące, w tym metabolity witamy A, które pełnią bezpośrednią rolę w procesie widzenia – dodaje.

Możliwość monitorowania i ilościowego pomiaru tych substancji otwiera nowe możliwości terapeutyczne chorób degeneracyjnych siatkówki. Kluczową rolę w możliwości ich obserwowania odgrywa źródło światła wzbudzające fluorescencję, którym jest laser femtosekundowy, a w ich konstruowaniu nasi naukowcy mają już spore doświadczenie. 

Laser „szyty na miarę”

Osiągnięcia zespołu prof. Sobonia w obszarze laserów femtosekundowych zainteresowały prof. Macieja Wojtkowskiego, dyrektora Międzynarodowego Centrum Badań Oka (ang. International Center for Translational Eye Research, ICTER).  Jest to ośrodek badawczy w Instytucie Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk (IChF PAN), który zajmuje się opracowywaniem nowych metod diagnostyki oka właśnie na bazie takich laserów. 

– Naukowcy z ICTER w Warszawie zidentyfikowali kluczowe parametry źródła laserowego, które musiałyby zostać spełnione, aby była możliwa konstrukcja oftalmoskopu i obserwacji fluorescencji: ultrakrótki czas trwania impulsu (<100 fs), niska częstotliwość powtarzania impulsów (<10 MHz) z możliwością regulacji oraz długość fali z zakresu bliskiej podczerwieni (780 nm). Z pytaniem o skonstruowanie takiego lasera naukowcy z ICTER zwrócili się właśnie do nas – mówi prof. Soboń. 

Dodaje, że bardzo istotne było również, by laser był niezawodny, kompaktowy i łatwy w użyciu.

– Wykonaliśmy więc taki laser, stworzony zupełnie od podstaw, „uszyty na miarę”, spełniający wszystkie wymagania – mówi naukowiec z PWr.

Na Politechnice Wrocławskiej opracowano całe urządzenie – zarówno jego część optyczną, jak i elektroniczne moduły zasilające i sterujące, a także obudowę.

Uniwersalny i skuteczny

Unikalną cechą lasera, odróżniającą go od dotychczas prezentowanych rozwiązań, jest możliwość bardzo szerokiego przestrajania częstotliwości powtarzania emitowanych impulsów. – Pozwoliło to na dostosowanie parametrów lasera do wymogów eksperymentu – zaznacza naukowiec z PWr.

– Drugą wyjątkową cechą jest niemal idealny kształt generowanych impulsów, bliski limitowi teoretycznemu, co jest kluczowe przy pobudzaniu tak wrażliwego obiektu, jakim jest siatkówka oka ludzkiego – mówi dr inż. Dorota Stachowiak, główna konstruktorka lasera.

Laser został zainstalowany w laboratoriach ICTER i zintegrowany z dwufotonowym skaningowym oftalmoskopem fluorescencyjnym. Na miejscu nasi naukowcy dokonali optymalizacji parametrów lasera i uczestniczyli w przeprowadzaniu pierwszych testów na próbkach biologicznych. Następnie zespół prof. Wojtkowskiego przeprowadził wielomiesięczne badania na oku ludzkim in vivo, demonstrując wykorzystanie tej techniki po raz pierwszy na świecie.

Urządzenie powstało w ramach projektu "Fiber-based mid-infrared frequency combs for laser spectroscopy and environmental monitoring", finansowanego przez Fundację na rzecz Nauki Polskiej. 

Nowatorskie podejście i prestiżowa publikacja 

Badania naukowców zostały opisane w publikacji, która niedawno ukazała się w „The Journal of Clinical Investigation”. 

– Praca łączy kompetencje 16 autorów z 10 różnych jednostek naukowych, partnerów klinicznych i przemysłowych, i obejmuje aspekty inżynierii optycznej, techniki laserowej, biochemii widzenia, okulistyki, inżynierii oprogramowania, elektroniki oraz przetwarzania obrazów – podkreśla dr Jakub Bogusławski, pierwszy autor publikacji i współtwórca dwufotonowego skaningowego oftalmoskopu. 

Zdaniem naukowców jest to nowatorskie podejście, które po raz pierwszy na świecie zostało wykorzystane do obrazowania oka ludzkiego. Otwiera ono liczne możliwości terapeutyczne, ale również badawcze, dostarczając nową metodę badania biochemii procesu widzenia. 

W tym projekcie ze strony PWr uczestniczyli: dr inż. Jakub Bogusławski, dr inż. Dorota Stachowiak, doktoranci: Zbigniew Łaszczych, Aleksander Głuszek, Arkadiusz Hudzikowski oraz prof. Grzegorz Soboń.

ISZ