Pioniere der adaptiven Optik gewinnen den Rangpreis für Durchbrüche in der Netzhautbildgebung – Physics World

Vier Wissenschaftler, die Pionierarbeit bei der Entwicklung adaptiver Optiktechnologien (AO) zur Abbildung der menschlichen Netzhaut geleistet haben, wurden mit dem Preis 2024 ausgezeichnet Rangpreis für Optoelektronik. Die Gewinner - Junzhong Liang, Donald Miller, Austin Roorda machen David Williams – erfanden Instrumente, die mithilfe von AO hochauflösende Bilder der lebenden Netzhaut erfassen und neue Einblicke in die Struktur und Funktion des menschlichen Auges liefern.

AO wurde ursprünglich für den Einsatz in der Astronomie entwickelt, um atmosphärenbedingte Unschärfe in Bildern von bodengestützten Teleskopen zu beseitigen. Dabei werden Verzerrungen in einer reflektierten Wellenfront mithilfe eines Wellenfrontsensors gemessen und diese Verzerrungen dann mit einem Wellenfrontkorrektor, bei dem es sich häufig um einen verformbaren Spiegel handelt, kompensiert.

Im Jahr 1997 zeigten Liang, Williams und Miller, dass AO auch zur Korrektur von Verzerrungen eingesetzt werden kann, die durch eine unvollständige Optik im menschlichen Auge verursacht werden. Mithilfe von AO erstellten sie eine Netzhautbildkamera mit beispielloser Auflösung, die eine klare Abbildung einzelner Photorezeptorzellen in der lebenden menschlichen Netzhaut ermöglicht. Zwei Jahre später verwendeten Roorda und Williams dieses Instrument, um die ersten Bilder zu erstellen, die die Verbreitung des Virus zeigten drei Arten von Zapfen in der menschlichen Netzhaut.

Laut Donal Bradley, Vorsitzender des Rank Prize Optoelectronics Committee, würdigt der Preis den „bahnbrechenden Beitrag der Gewinner zur Bildgebung im Auge, der neue Möglichkeiten eröffnet, dieses komplexe optische Instrument zu verstehen und die Sehkraft durch präzise Eingriffe zu verbessern“. Tami Freeman sprach mit zwei der Gewinner, um mehr zu erfahren.

Wie hat sich AO seit seiner Erfindung auf den Bereich der Augenbildgebung ausgewirkt?

Donald Miller AO ist die einzige Technologie, die die Visualisierung einzelner Netzhautzellen in einem lebenden Auge ermöglicht. Und da Krankheiten und Pathologien auf dieser zellulären Ebene beginnen, ist es die Ebene, auf der Ärzte letztendlich operieren sollen, um eine frühere Diagnose und wirksamere Behandlungen zu ermöglichen.

Als ein Beispiel aus meinem eigenen Labor haben wir uns kürzlich mit den Auswirkungen des Glaukoms, einer der weltweit häufigsten Ursachen für irreversible Blindheit, auf Ganglienzellen der Netzhaut befasst – dem primären Zelltyp, der bei dieser Krankheit stirbt und die Netzhaut auskleidet Oberseite der Netzhaut. Obwohl es wirksame Behandlungsmöglichkeiten gibt, ist es leider schwierig, die Krankheit frühzeitig zu diagnostizieren, bis ein erheblicher Schaden aufgetreten ist. Mit AO können wir nun zum ersten Mal einzelne Ganglienzellen der Netzhaut überwachen und sie bei diesen Patienten über die Zeit verfolgen.

Unter Verwendung von AO in Kombination mit optischer Kohärenztomographie (AO-OCT) haben wir festgestellt, dass wir selbst in behandelten Augen einen subklinischen Zellverlust feststellen. Das ist wichtig, da Ärzte diese Messungen auf zellulärer Ebene nun nutzen können, um besser festzustellen, ob ihre Behandlung funktioniert oder nicht. Es bietet auch erhebliches Potenzial für die Prüfung der Wirksamkeit und Sicherheit neuer neuroprotektiver und regenerativer Strategien. Die Visualisierung retinaler Ganglienzellen beim Menschen ist erst in den letzten Jahren möglich geworden – wir betreten eine wirklich aufregende Zeit.

Austin Roorda Da Behandlungen für die wichtigsten Augenkrankheiten wie Diabetes, Glaukom und Makuladegeneration verfügbar werden, können wir nun mithilfe von AO beurteilen, wie wirksam sie sind. Es gibt aber auch andere erbliche Netzhauterkrankungen aufgrund von Genmutationen, über die nur sehr wenig bekannt ist. Bei diesen seltenen Krankheiten bestand die einzige Möglichkeit, die Vorgänge auf zellulärer Ebene zu sehen, darin, auf ein Spenderauge zu warten und es unter dem Mikroskop zu betrachten. AO hat die Möglichkeit eröffnet, die Netzhaut dieser Patienten im mikroskopischen Maßstab zu untersuchen. Behandlungen wie die Gentherapie sind am Horizont, die diese Erbkrankheiten möglicherweise heilen oder stoppen könnten. AO ist bereit, in diesem Prozess eine Schlüsselrolle zu spielen – um zu verstehen, wie sich die Mutation auf die Netzhaut auswirkt, um den Zustand der Netzhaut zu beurteilen, die Prognose vorherzusagen, wenn sich der Patient einer Gentherapie unterzieht, und um dann die Wirksamkeit dieser Therapie zu messen.

Wie hat sich die AO-Technologie in den letzten 25 Jahren weiterentwickelt?

AR AO war ursprünglich durch die verfügbare Technologie eingeschränkt, die größtenteils für den Bereich der Astronomie entwickelt wurde. Der verformbare Spiegel war also groß und für das Auge nicht geeignet. Als Unternehmen im Laufe der Jahre begannen, das Potenzial von AO in anderen Bereichen, einschließlich der Ophthalmoskopie, zu erkennen, begannen sie mit der Entwicklung von Wellenfrontsensoren und Wellenfrontkorrektoren (den verformbaren Spiegeln), die für Anwendungen im menschlichen Auge viel besser geeignet waren.

DM Als wir das AO-System zum ersten Mal entwickelten, haben wir viele Vermutungen angestellt: welche Art von Wellenfrontkorrektur wir verwenden sollten, welcher Wellenfrontsensor, die Schleifengeschwindigkeit und so weiter. In den nächsten fünf bis zehn Jahren gab es viele Verbesserungen in unserem Verständnis der räumlichen Eigenschaften und der zeitlichen Dynamik von Augenfehlern. Diese definierten dann die AO-Komponenten: wie viele Aktuatoren Sie in Ihrem Wellenfrontkorrektor benötigen, wie groß der Hub [Aktuatorverschiebung] sein sollte, wie viele Abtastpunkte Sie über die Pupille hinweg benötigen und wie schnell das AO-System laufen sollte. Diese wurden alle im Laufe der Jahre optimiert.

Beispielsweise verfügte der Wellenfrontkorrektor, den wir 1997 verwendeten, über 37 Aktuatoren, die auf die Rückseite des Spiegels drücken und ziehen, um dessen Form zu verzerren, und einen Hub von vier Mikrometern ergeben würden. Die heute verwendeten verfügen über fast 100 Aktuatoren und ermöglichen eine Größenordnung mehr Hub, was wichtig ist, da die Augen schwere Aberrationen aufweisen; Das hat einen großen Unterschied gemacht.

AR Wenn Sie jetzt AO verwenden, drücken Sie einen Knopf und es läuft automatisch im Bereich von zehn bis Hunderten von Hertz. Zuvor mussten wir ein Bild machen, eine Karte der Aberrationen des Auges, und es genau untersuchen, um sicherzustellen, dass es bei der ersten Bildanalyse keine Fehler gab. Dann würden Sie den nächsten Knopf drücken, um diese Form auf den Spiegel anzuwenden. Der Benutzer war also ein integraler Bestandteil des geschlossenen AO-Systems. Es hat Spaß gemacht, aber es war langsam.

Zunächst bauten Don, David und Junzhong eine standardmäßige Flutlichtkamera, die durch ein AO-System auf die Netzhaut blickte, um die mikroskopische Struktur sichtbar zu machen. Später habe ich AO in ein Scansystem integriert, um ein AO-Scanning-Laser-Ophthalmoskop (AOSLO) zu entwickeln, das Videos der Netzhaut aufzeichnen und Tiefenschnitte durchführen kann. Das ist eine völlig neue AO-Bildgebungsplattform. Andere Forscher haben eine Art Phasenkontrastbildgebung integriert, die ansonsten transparente Zellen in der Netzhaut sichtbar machen kann, und in Davids Gruppe führen sie Fluoreszenzbildgebung in Tieraugen durch.

Was ist Ihr aktueller Forschungsschwerpunkt?

AR Wenn es ein Thema für das gibt, was ich in den letzten 15 Jahren gemacht habe, dann ist es Struktur und Funktion. Es stellt sich heraus, dass unser AOSLO-Imager auch der beste Eyetracker der Welt ist. Sie können Augenbewegungen sehr schnell und genau verfolgen, da Sie die Bewegung einzelner Zellen im Augenhintergrund sehen können. Wir gingen noch einen Schritt weiter und nutzten das Scan-Lasersystem nicht nur zur Abbildung der Netzhaut, sondern auch zur Steuerung der Platzierung der Bilder auf der Netzhaut im Maßstab eines einzelnen Kegels.

Wir haben funktionelle Eigenschaften bei lebenden Menschen gemessen. Wenn Sie in dem Gerät wären, könnte ich Lichtblitze in einzelne Kegel schicken und fragen, ob Sie sie sehen könnten oder welche Farbe Sie sehen. Schon früh haben wir das Kegelmosaik kartiert, das war eine der großen AO-Entdeckungen. Jetzt können wir dieses Zapfenmosaik nehmen und beginnen, Fragen zu den grundlegenden Schaltkreisen der Netzhaut oder den grundlegenden Eigenschaften des menschlichen Farbsehens zu stellen. Dasselbe machen wir auch bei Augenkrankheiten. Wenn wir eine Reihe von Zellen in einem Patienten betrachten und diese nicht normal aussehen, sind wir an den funktionellen Konsequenzen interessiert – nicht nur an der Struktur dieser erkrankten Netzhaut, sondern auch an der Frage nach den visuellen Ergebnissen.

DM Wir konzentrieren uns ebenfalls auf Struktur und Funktion, verwenden jedoch AO-OCT. Der große Vorteil der OCT ist ihre axiale Auflösung, mit der Sie die gewünschte Tiefe der Netzhautschicht ausschneiden können. Zapfen sind sehr hell und kontrastreich, andere Zellen sind jedoch tendenziell viel schwieriger abzubilden, da sie viel weniger Licht zurückreflektieren. Mit der AO-OCT haben wir große Fortschritte gemacht, um diese anderen Neuronen in der Netzhaut in unterschiedlichen Tiefen abzubilden. Es war ein großer Schritt, die Ganglienzellen der Netzhaut abbilden zu können, da sie hochtransparent sind und einen sehr geringen Kontrast aufweisen.

Wir haben AO-OCT auch verwendet, um die Funktion innerhalb von Photorezeptoren zu untersuchen. Im Jahr 2000 hatten Austin und David ihre bahnbrechende AO-Methode der Netzhautdensitometrie zur Zapfenklassifizierung entwickelt. Zwanzig Jahre später können wir die Phaseninformationen der AO-OCT nutzen, um subtile Veränderungen in der Dehnung dieser Photorezeptorzellen zu messen, wenn sie durch verschiedene Lichtfarben stimuliert werden. Dies erwies sich als viel genauere und weitaus weniger zeitaufwändige Methode zur Zapfenklassifizierung und ist ein gutes Beispiel für die Entwicklung der AO-Bildgebungstechnologie.

Wie sehen Sie die zukünftige Entwicklung des AO-Bereichs?

AR In meinem Labor konzentrieren wir uns stark auf subjektive Funktionsmessungen wie Augenbewegungen, Sehschärfe und Farbsehen. Aber ich könnte mir vorstellen, dass wir mit der Weiterentwicklung der AO-Techniken in der Lage sein werden, die funktionellen Eigenschaften der meisten Zellklassen in der Netzhaut zu messen. Im Moment hat Don mithilfe der AO-OCT wunderschöne Bilder von Ganglienzellen erstellt. Dies sind die letzten Zellen, bevor die Signale von der Netzhaut das Gehirn erreichen. Es handelt sich also um eine Klasse von Neuronen, an deren Funktion wir sehr interessiert sind. Mit Phasenmethoden oder Methoden, die wir uns derzeit noch nicht einmal vorstellen können, gelingt uns das vielleicht um die funktionellen Eigenschaften dieser und anderer Neuronen in der Netzhaut zu messen.

Die Subbeugungsbildgebung des menschlichen Auges visualisiert Photorezeptoren mit beispielloser Detailgenauigkeit

David, Don und ich beschäftigen uns intensiv mit der Grundlagenforschung, aber es gibt auch viele andere Leute, die darüber nachdenken, wie wir diese Systeme in die Klinik bringen können. AO ist nicht einfach und nicht billig, es ist eine komplizierte Technologie, daher ist der Weg in die Klinik nicht einfach. Mittlerweile gibt es einige Unternehmen, die AO-Bildgebungsgeräte verkaufen, diese werden jedoch bei weitem nicht routinemäßig verwendet.

DM Der Bereich der AO schwankt zwischen dem Versuch, die AO-Leistung zu verbessern, und dem Versuch, AO zugänglicher und kommerziell rentabler zu machen. In unseren Laboren versuchen wir, die bestmögliche Leistung zu erzielen, Aberrationen zu korrigieren und schärfere Bilder für Forschungs- oder klinische Zwecke zu erhalten. Aber es gibt noch eine ganz andere Seite, die diese Technologie vorantreibt, um sie kompakter, billiger und automatisierter zu machen. Das eigentliche Potenzial besteht darin, AO mit SLO und OCT für die kommerzielle Nutzung zu verbinden. Ich denke, dass es nur eine Frage der Zeit ist.

• Der 1972 vom britischen Industriellen und Philanthropen Lord J Arthur Rank gegründete Rank-Preis wird alle zwei Jahre in den Bereichen Ernährung und Optoelektronik verliehen. Der Preis wird am 1. Juli 2024 offiziell verliehen.

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• Quelle: https://physicsworld.com/a/adaptive-optics-pioneers-win-rank-prize-for-retinal-imaging-breakthroughs/