Los pioneros de la óptica adaptativa ganan el premio Rank por sus avances en imágenes de retina – Physics World

Cuatro científicos que fueron pioneros en el desarrollo de tecnologías de óptica adaptativa (AO) para obtener imágenes de la retina humana recibieron el Premio 2024 Premio de rango para optoelectrónica. Los ganadores - Junzhong Liang, Donald Miller, Austin Roorda y David Williams – instrumentos inventados que utilizan AO para capturar imágenes de alta resolución de la retina viva y proporcionar nuevos conocimientos sobre la estructura y función del ojo humano.

AO se desarrolló originalmente para su uso en astronomía, para eliminar la borrosidad inducida por la atmósfera en las imágenes de los telescopios terrestres. Funciona midiendo las distorsiones en un frente de onda reflejado utilizando un sensor de frente de onda y luego compensando estas distorsiones con un corrector de frente de onda, que suele ser un espejo deformable.

En 1997, Liang, Williams y Miller demostraron que la AO también se puede utilizar para corregir distorsiones causadas por una óptica imperfecta en el ojo humano. Usando AO, crearon un cámara de imágenes de retina con una resolución sin precedentes, lo que permite obtener imágenes claras de las células fotorreceptoras individuales en la retina humana viva. Dos años más tarde, Roorda y Williams utilizaron este instrumento para producir las primeras imágenes que muestran la distribución del Tres tipos de conos en la retina humana..

Según Donal Bradley, presidente del Comité de Optoelectrónica del Premio Rank, el premio reconoce a los ganadores "una contribución fundamental a las imágenes dentro del ojo que abre nuevas oportunidades para comprender este complejo instrumento óptico y mejorar la vista a través de intervenciones precisas". Tami Freeman habló con dos de los ganadores para saber más.

Desde su invención, ¿cómo ha impactado la AO en el campo de las imágenes oculares?

Donald Miller AO es la única tecnología que permite la visualización de células retinianas individuales en un ojo vivo. Y debido a que la enfermedad y la patología comienzan en este nivel celular, ese es el nivel en el que finalmente queremos que operen los médicos, para un diagnóstico más temprano y tratamientos más efectivos.

Como ejemplo de mi propio laboratorio, recientemente hemos estado observando el impacto del glaucoma, una de las principales causas de ceguera irreversible en el mundo, en las células ganglionares de la retina (el principal tipo de células que muere en esta enfermedad y que recubren la parte superior de la retina. Si bien existen tratamientos eficaces, lamentablemente la enfermedad es difícil de diagnosticar tempranamente hasta que se han producido daños importantes. Con AO, ahora podemos, por primera vez, monitorear las células ganglionares de la retina individuales y rastrearlas a lo largo del tiempo en estos pacientes.

Utilizando AO combinada con tomografía de coherencia óptica (AO-OCT), hemos descubierto que, incluso en ojos bajo tratamiento, observamos una pérdida subclínica de células. Esto es importante porque los médicos ahora pueden utilizar estas mediciones a nivel celular para establecer mejor si su tratamiento está funcionando o no. También ofrece un potencial considerable para probar la eficacia y seguridad de nuevas estrategias neuroprotectoras y regenerativas. La visualización de las células ganglionares de la retina en seres humanos sólo ha sido posible en los últimos años: estamos entrando en una época realmente apasionante.

Austin Roorda A medida que se dispone de tratamientos para las principales enfermedades oculares que causan ceguera, como la diabetes, el glaucoma y la degeneración macular, ahora podemos utilizar la AO para evaluar su eficacia. Pero existen otras enfermedades retinianas hereditarias debidas a mutaciones genéticas de las que se sabe muy poco. En estas enfermedades raras, hasta ahora la única manera de ver lo que estaba sucediendo a escala celular era esperar a que llegara un ojo de un donante y observarlo con un microscopio. La AO ha abierto la posibilidad de examinar la retina a escala microscópica en estos pacientes. Se vislumbran tratamientos como la terapia génica que potencialmente podrían curar o detener estas enfermedades hereditarias. La AO está preparada para desempeñar un papel clave en ese proceso: comprender cómo la mutación afecta a la retina, evaluar el estado de la retina, predecir el pronóstico si el paciente se somete a terapia génica y luego medir la eficacia de esa terapia.

¿Cómo ha progresado la tecnología AO en los últimos 25 años?

AR Originalmente, la AO estaba limitada por la tecnología disponible, que se desarrolló en gran medida para el campo de la astronomía. Entonces el espejo deformable era grande y no se adaptaba a la vista. Con el paso de los años, cuando las empresas empezaron a reconocer el potencial de la OA en otros campos, incluida la oftalmoscopia, empezaron a construir dispositivos sensores de frente de onda y correctores de frente de onda (el espejo deformable) que se adaptaban mucho mejor a las aplicaciones en el ojo humano.

DM Cuando desarrollamos por primera vez el sistema AO, hicimos muchas conjeturas: qué tipo de corrección de frente de onda usar, qué sensor de frente de onda, la velocidad del bucle, etc. En los siguientes cinco a diez años hubo muchas mejoras en nuestra comprensión de las propiedades espaciales y la dinámica temporal de las aberraciones oculares. Luego, estos definieron los componentes del AO: cuántos actuadores necesita en su corrector de frente de onda, cuál debe ser el recorrido [desplazamiento del actuador], cuántos puntos de muestreo necesita a través de la pupila y qué tan rápido debe ir el sistema AO. Todos ellos se han optimizado a lo largo de los años.

Por ejemplo, el corrector de frente de onda que utilizamos en 1997 tenía 37 actuadores que empujaban y tiraban de la superficie posterior del espejo para deformar su forma, y ​​daría cuatro micrones de carrera. Los que se utilizan hoy en día tienen cerca de 100 actuadores y dan un orden de magnitud más de carrera, lo cual es importante porque los ojos tienen severas aberraciones; eso ha marcado una gran diferencia.

AR Ahora, cuando usas AO, presionas un botón y se ejecuta automáticamente entre decenas y cientos de hercios. Antes teníamos que tomar una fotografía, un mapa de las aberraciones del ojo, y examinarla para asegurarnos de que no hubiera ningún error en el análisis inicial de la imagen. Luego presionarías el siguiente botón para aplicar esa forma al espejo. Por tanto, el usuario era una parte integral del sistema AO de circuito cerrado. Fue divertido, pero lento.

Inicialmente, Don, David y Junzhong construyeron una cámara de iluminación estándar que miraría la retina a través de un sistema AO para revelar la estructura microscópica. Más tarde, incorporé AO en un sistema de escaneo para crear un oftalmoscopio láser de escaneo AO (AOSLO) que puede grabar video de la retina y realizar cortes profundos. Se trata de una plataforma de imágenes AO completamente nueva. Otros investigadores han incorporado un tipo de imágenes de contraste de fase que pueden visualizar células transparentes en la retina, y en el grupo de David están realizando imágenes de fluorescencia en ojos de animales.

¿Cuál es su principal área de investigación actual?

AR Si hubiera un tema para lo que he estado haciendo durante los últimos 15 años, es estructura y función. Resulta que nuestro generador de imágenes AOSLO es también el mejor rastreador ocular del mundo. Puede seguir el movimiento ocular de forma muy rápida y precisa porque puede ver el movimiento de células individuales en la parte posterior del ojo. Llevamos esto un paso más allá, utilizando el sistema de escaneo láser no solo para obtener imágenes de la retina, sino también para controlar la colocación de las imágenes en la retina en la escala de un solo cono.

Hemos estado midiendo propiedades funcionales en humanos vivos. Si estuvieras en el dispositivo, podría lanzar destellos de luz en conos individuales y preguntarte si puedes verlos o de qué color ves. Al principio, mapeamos el mosaico del cono, que fue uno de los grandes descubrimientos permitidos por la AO. Ahora podemos tomar ese mosaico de conos y comenzar a hacer preguntas sobre los circuitos básicos de la retina o las propiedades fundamentales de la visión humana de los colores. Estamos haciendo lo mismo con las enfermedades oculares. Si observamos una serie de células en un paciente y no parecen normales, nos interesan las consecuencias funcionales: no solo ver la estructura de esa retina enferma, sino preguntarnos sobre los resultados visuales.

DM También nos centramos en la estructura y la función, pero utilizando AO-OCT. La gran ventaja de la OCT es su resolución axial, que le permite seccionar cualquier profundidad de la capa de la retina que desee visualizar. Los conos son muy brillantes y de alto contraste, pero otras células tienden a ser mucho más difíciles de visualizar porque reflejan mucha menos luz. Hemos avanzado bastante utilizando AO-OCT para obtener imágenes de estas otras neuronas en la retina a diferentes profundidades. Fue un gran paso poder obtener imágenes de las células ganglionares de la retina, ya que son muy transparentes y tienen muy poco contraste.

También hemos estado utilizando AO-OCT para observar la función dentro de los fotorreceptores. En 2000, Austin y David desarrollaron su método pionero de densitometría retiniana AO para la clasificación de conos. Veinte años después, podemos utilizar la información de fase proporcionada por AO-OCT para medir cambios sutiles en el alargamiento de estas células fotorreceptoras cuando son estimuladas por diferentes colores de luz. Esta resultó ser una forma mucho más precisa y que requiere mucho menos tiempo de realizar la clasificación de conos y es un buen ejemplo de la evolución de la tecnología de imágenes AO.

¿Cómo cree que evolucionará el campo de la AO en el futuro?

AR En mi laboratorio, nos centramos mucho en medidas subjetivas de función, como los movimientos oculares, la agudeza y la visión de los colores. Pero me imagino que a medida que evolucionen las técnicas de AO, seremos capaces de medir las propiedades funcionales de la mayoría de las clases de células en la retina. En este momento, Don ha generado hermosas imágenes de células ganglionares utilizando AO-OCT. Estas son las últimas células antes de que las señales de la retina lleguen al cerebro, por lo que es una clase de neuronas cuya función nos interesa mucho. Usando métodos de fase, o métodos que ni siquiera podemos concebir en este momento, podemos ser capaces de para medir las propiedades funcionales de esas y otras neuronas de la retina.

Las imágenes por subdifracción del ojo humano visualizan los fotorreceptores con un detalle sin precedentes

David, Don y yo estamos inmersos en la investigación básica, pero hay muchas otras personas pensando en cómo llevar estos sistemas a la clínica. La AO no es fácil ni barata, es una tecnología complicada por lo que el camino hasta la clínica no es fácil. Actualmente hay algunas empresas que venden dispositivos de imágenes AO, pero en ningún caso se utilizan de forma rutinaria.

DM El campo del AO varía entre intentar mejorar el rendimiento del AO y hacer que el AO sea más accesible y comercialmente viable. En nuestros laboratorios, intentamos lograr el mejor rendimiento, corrigiendo aberraciones y obteniendo imágenes más nítidas para fines clínicos o de investigación. Pero hay otra faceta que impulsa esta tecnología para hacerla más compacta, más barata y más automatizada. El verdadero potencial es combinar AO con SLO y OCT para uso comercial. Creo que es sólo cuestión de tiempo.

• Fundado en 1972 por el industrial y filántropo británico Lord J. Arthur Rank, el Premio Rank se otorga cada dos años en los campos de la nutrición y la optoelectrónica. El Premio se entregará formalmente el 1 de julio de 2024.

• Distribución de relaciones públicas y contenido potenciado por SEO. Consiga amplificado hoy.
• PlatoData.Network Vertical Generativo Ai. Empodérate. Accede Aquí.
• PlatoAiStream. Inteligencia Web3. Conocimiento amplificado. Accede Aquí.
• PlatoESG. Carbón, tecnología limpia, Energía, Ambiente, Solar, Gestión de residuos. Accede Aquí.
• PlatoSalud. Inteligencia en Biotecnología y Ensayos Clínicos. Accede Aquí.
• Fuente: https://physicsworld.com/a/adaptive-optics-pioneers-win-rank-prize-for-retinal-imaging-breakthroughs/