Adaptive Optics Pioneers voitti sijoituspalkinnon verkkokalvon kuvantamisen läpimurroista

Julkaissut Platon

seuraajia: 0

Rank-palkinnon voittajat — **Vuoden 2024 sijoituspalkinnon voittajat** Vasemmalta oikealle: Junzhong Liang, Donald Miller, Austin Roorda ja David Williams. (Kohtelias: Sijoituspalkinto)

Neljä tutkijaa, jotka olivat edelläkävijöitä adaptiivisen optiikan (AO) tekniikoiden kehittämisessä ihmisen verkkokalvon kuvantamiseen, on palkittu 2024 Optoelektroniikan sijoituspalkinto. Voittajat - Junzhong Liang, Donald Miller, Austin Roorda ja David Williams – keksineet instrumentit, jotka käyttävät AO:ta korkearesoluutioisten kuvien ottamiseksi elävästä verkkokalvosta ja tarjoavat uutta tietoa ihmissilmän rakenteesta ja toiminnasta.

AO kehitettiin alun perin tähtitieteessä poistamaan ilmakehän aiheuttamaa epätarkkuutta maanpäällisten teleskooppien kuvista. Se toimii mittaamalla heijastuneen aaltorintaman vääristymiä aaltorinta-anturin avulla ja kompensoimalla sitten nämä vääristymät aaltorintamakorjaimella, joka on usein muotoaan muuttava peili.

Vuonna 1997 Liang, Williams ja Miller osoittivat, että AO:ta voidaan käyttää myös korjaamaan vääristymiä, jotka johtuvat epätäydellisestä optiikasta ihmissilmässä. Käyttämällä AO:ta he loivat a verkkokalvon kuvantamiskamera ennennäkemättömällä resoluutiolla, mikä mahdollistaa yksittäisten fotoreseptorisolujen selkeän kuvantamisen elävässä ihmisen verkkokalvossa. Kaksi vuotta myöhemmin Roorda ja Williams käyttivät tätä instrumenttia tuottamaan ensimmäiset kuvat, jotka osoittavat sen leviämisen kolmenlaisia kartioita ihmisen verkkokalvossa.

Rank Prize Optoelectronics -komitean puheenjohtajan Donal Bradleyn mukaan palkinnolla tunnustetaan voittajille "olennainen panos silmän kuvantamiseen, joka avaa uusia mahdollisuuksia ymmärtää tätä monimutkaista optista instrumenttia ja parantaa näköä tarkkojen toimenpiteiden avulla". Tami Freeman puhui kahdelle voittajalle saadakseen lisätietoja.

Miten AO on keksimisestä lähtien vaikuttanut silmien kuvantamisalaan?

Donald Miller AO on ainoa tekniikka, joka mahdollistaa yksittäisten verkkokalvon solujen visualisoinnin elävässä silmässä. Ja koska sairaudet ja patologiat alkavat tällä solutasolla, haluamme viime kädessä kliinikoiden toimivan tällä tasolla varhaisemman diagnoosin ja tehokkaampien hoitojen saamiseksi.

Yhtenä esimerkkinä omasta laboratoriostani olemme äskettäin tarkastelleet glaukooman, yhden tärkeimmistä peruuttamattoman sokeuden syistä maailmassa, vaikutusta verkkokalvon gangliosoluihin – ensisijaiseen solutyyppiin, joka kuolee tähän sairauteen ja joka linjaa verkkokalvon yläosassa. Vaikka tehokkaita hoitoja on olemassa, sairautta on valitettavasti vaikea diagnosoida varhain, ennen kuin merkittäviä vahinkoja on tapahtunut. AO:n avulla voimme nyt ensimmäistä kertaa seurata yksittäisiä verkkokalvon gangliosoluja ja seurata niitä ajan kuluessa näillä potilailla.

Käyttämällä AO:ta yhdistettynä optiseen koherenssitomografiaan (AO-OCT), olemme havainneet, että jopa hoidetuissa silmissä näemme subkliinistä solujen häviämistä. Se on tärkeää, koska kliinikot voivat nyt käyttää näitä solutason mittauksia selvittääkseen paremmin, toimiiko heidän hoitonsa vai ei. Se tarjoaa myös huomattavan potentiaalin testata uusien neuroprotektiivisten ja regeneratiivisten strategioiden tehokkuutta ja turvallisuutta. Verkkokalvon gangliosolujen visualisointi ihmisillä on tullut mahdolliseksi vasta muutaman viime vuoden aikana – elämme todella jännittävää aikaa.

Austin Roorda Kun hoitoja tulee saataville tärkeimpiin sokeuttaviin silmäsairauksiin, kuten diabetekseen, glaukoomaan ja silmänpohjan rappeutumiseen, voimme nyt käyttää AO:ta arvioidaksemme niiden tehokkuutta. Mutta on muitakin perinnöllisiä verkkokalvon sairauksia, jotka johtuvat geenimutaatioista, joista tiedetään hyvin vähän. Näissä harvinaisissa sairauksissa aiemmin ainoa tapa nähdä, mitä tapahtuu solumittakaavassa, oli odottaa luovuttajasilmää ja katsoa sitä mikroskoopin alla. AO on avannut näillä potilailla mahdollisuuden tutkia verkkokalvoa mikroskooppisessa mittakaavassa. Hoidot, kuten geeniterapia, ovat näköpiirissä, jotka voivat mahdollisesti parantaa tai pysäyttää nämä perinnölliset sairaudet. AO:lla on avainrooli tässä prosessissa – ymmärtää, miten mutaatio vaikuttaa verkkokalvoon, arvioida verkkokalvon tilaa, ennustaa ennustetta, jos potilas joutuu geeniterapiaan, ja sitten mitata hoidon tehokkuutta.

Miten AO-tekniikka on kehittynyt viimeisen 25 vuoden aikana?

AR AO:ta rajoitti alun perin saatavilla oleva tekniikka, joka kehitettiin suurelta osin tähtitieteen alaa varten. Joten muotoaan muuttava peili oli iso eikä sopinut silmään. Vuosien varrella, kun yritykset alkoivat tunnistaa AO:n potentiaalia muilla aloilla, mukaan lukien oftalmoskopiassa, ne alkoivat rakentaa aaltorintaman tunnistuslaitteita ja aaltorintamakorjaajia (muotoutuva peili), jotka soveltuivat paljon paremmin ihmissilmään.

DM Kun kehitimme AO-järjestelmän, teimme paljon arvauksia: minkä tyyppistä aaltorintaman korjausta käytetään, mikä aaltorintaman anturi, silmukan nopeus ja niin edelleen. Seuraavien 10–XNUMX vuoden aikana ymmärryksemme silmäpoikkeamien spatiaalisista ominaisuuksista ja ajallisesta dynamiikasta parani paljon. Nämä määrittelivät sitten AO-komponentit: kuinka monta toimilaitetta tarvitset aaltorintamakorjaajaasi, mikä isku [toimilaitteen siirtymä] tulee olla, kuinka monta näytteenottopistettä tarvitset pupillin poikki ja kuinka nopeasti AO-järjestelmän tulisi kulkea. Näitä kaikkia on optimoitu vuosien varrella.

Ensimmäinen AO-järjestelmä silmälle — **Astu ajassa taaksepäin** David Williams, Donald Miller ja Junzhong Liang ensimmäisen mukautuvan silmän optiikkajärjestelmän ympärillä Rochesterissa vuonna 1997. (Luoko: David Williams)

Esimerkiksi vuonna 1997 käyttämässämme aaltorintamakorjaimessa oli 37 toimilaitetta, jotka työntävät ja vetävät peilin takapintaa vääntämään sen muotoa, ja se antaisi neljän mikronin iskun. Nykyään käytetyissä on lähes 100 toimilaitetta ja ne antavat suuruusluokkaa enemmän iskua, mikä on tärkeää, koska silmissä on vakavia poikkeamia; se on tehnyt suuren eron.

AR Nyt kun käytät AO:ta, painat painiketta ja se toimii automaattisesti missä tahansa kymmenistä satoihin hertseihin. Ennen meidän piti ottaa kuva, kartta silmän poikkeavuuksista, ja tutkia se varmistaaksemme, ettei alkuperäisessä kuva-analyysissä ollut virheitä. Sitten painat Seuraava-painiketta soveltaaksesi tätä muotoa peiliin. Joten käyttäjä oli olennainen osa suljetun silmukan AO-järjestelmää. Se oli hauskaa, mutta se oli hidasta.

Aluksi Don, David ja Junzhong rakensivat tavallisen tulvavalaisukameran, joka katsoi verkkokalvoa AO-järjestelmän läpi paljastaen mikroskooppisen rakenteen. Myöhemmin sisällytin AO:n skannausjärjestelmään luodakseni AO-skannaavan laseroftalmoskoopin (AOSLO), joka voi tallentaa verkkokalvon videota ja suorittaa syvyysleikkauksen. Se on täysin uusi AO-kuvausalusta. Muut tutkijat ovat ottaneet käyttöön eräänlaisen vaihekontrastikuvauksen, joka voi visualisoida verkkokalvon muuten läpinäkyviä soluja, ja Davidin ryhmässä he suorittavat fluoresenssikuvausta eläinten silmissä.

Mikä on pääasiallinen tutkimusalueesi tällä hetkellä?

AR Jos sillä, mitä olen tehnyt noin 15 vuoden ajan, oli teema, se on rakenne ja toiminta. Osoittautuu, että AOSLO-kuvantajamme on myös maailman paras katseenseurantalaite. Voit seurata silmän liikettä erittäin nopeasti ja tarkasti, koska näet yksittäisten solujen liikkeen silmän takaosassa. Otimme tämän askeleen pidemmälle käyttämällä skannauslaserjärjestelmää paitsi verkkokalvon kuvaamiseen, myös kuvien sijoittelun ohjaamiseen verkkokalvolle yhden kartion mittakaavassa.

Austin Roorda työskentelee AOSLOn parissa — **Rakenne ja toiminta** Austin Roorda työskentelee adaptiivisen optiikan pyyhkäisyvalooftalmoskoopin (AOSLO) parissa UC Berkeleyssä. (Kohtelias: Austin Roorda)

Olemme mittaaneet elävien ihmisten toiminnallisia ominaisuuksia. Jos olisit laitteessa, voisin lähettää valon välähdyksiä yksittäisiin kartioihin ja kysyä, näetkö ne tai minkä värin näet. Varhain kartoitimme kartiomaisen mosaiikin, joka oli yksi suurimmista AO:n tukemista löydöistä. Nyt voimme ottaa sen kartiomaisen mosaiikin ja alkaa kysellä verkkokalvon peruspiireistä tai ihmisen värinäön perusominaisuuksista. Teemme samoin silmäsairauksissa. Jos katsomme potilaan solujoukkoa, mutta se ei näytä normaalilta, olemme kiinnostuneita toiminnallisista seurauksista – ei pelkästään sairaan verkkokalvon rakenteen näkemisestä, vaan myös visuaalisista tuloksista kysymisestä.

DM Keskitymme myös rakenteeseen ja toimintaan, mutta käytämme AO-OCT:tä. OCT:n suuri etu on sen aksiaalinen resoluutio, jonka avulla voit jakaa verkkokalvokerroksen minkä tahansa syvyyden, jonka haluat visualisoida. Kartiot ovat erittäin kirkkaita ja kontrastisia, mutta muita soluja on yleensä paljon vaikeampi kuvata, koska ne heijastavat paljon vähemmän valoa takaisin. Olemme edistyneet melkoisesti käyttämällä AO-OCT:tä näiden muiden verkkokalvon neuronien kuvaamiseksi eri syvyyksillä. Se oli iso askel verkkokalvon gangliosolujen kuvaamiseen, koska ne ovat erittäin läpinäkyviä ja niillä on hyvin pieni kontrasti.

Olemme myös käyttäneet AO-OCT:tä tarkastellaksemme fotoreseptoreiden toimintaa. Vuonna 2000 Austin ja David kehittivät uraauurtavan AO-verkkokalvon densitometriamenetelmänsä kartioluokitusta varten. Kaksikymmentä vuotta myöhemmin voimme käyttää AO-OCT:n toimittamia vaihetietoja mitataksemme hienovaraisia muutoksia näiden fotoreseptorisolujen venymisessä, kun niitä stimuloivat eri värit valot. Se osoittautui paljon tarkemmaksi ja paljon vähemmän aikaa vieväksi tapaksi tehdä kartioluokitus, ja se on hyvä esimerkki AO-kuvaustekniikan kehityksestä.

Miten näet AO:n alan kehittyvän tulevaisuudessa?

AR Laboratoriossani keskitymme paljon subjektiivisiin toiminnan mittauksiin, kuten silmien liikkeisiin, tarkkuuteen ja värinäköön. Mutta kuvittelin, että AO-tekniikoiden kehittyessä pystymme mittaamaan verkkokalvon useimpien soluluokkien toiminnallisia ominaisuuksia. Juuri nyt Don on luonut kauniita kuvia gangliosoluista käyttämällä AO-OCT:tä. Nämä ovat viimeisiä soluja ennen kuin verkkokalvon signaalit saavuttavat aivot, joten se on neuroniluokka, jonka toiminnasta olemme erittäin kiinnostuneita. Käyttämällä vaihemenetelmiä tai menetelmiä, joita emme voi edes kuvitella tällä hetkellä, voimme ehkä pystyä mittaamaan näiden ja muiden verkkokalvon hermosolujen toiminnallisia ominaisuuksia.

Ihmissilmän subdiffraktiokuvaus visualisoi fotoreseptorit ennennäkemättömillä yksityiskohdilla

David, Don ja minä olemme uppoutuneita perustutkimukseen, mutta monet muut ihmiset ajattelevat kuinka saada nämä järjestelmät klinikalle. AO ei ole helppoa eikä halpaa, se on monimutkainen tekniikka, joten tie klinikalle ei ole helppo. Nyt on muutama yritys, joka myy AO-kuvantamislaitteita, mutta niitä ei käytetä rutiininomaisesti millään tavalla.

DM AO vahat ja heikkenee välillä yrittää parantaa AO suorituskykyä ja tehdä AO helpommin ja kaupallisesti kannattavaa. Laboratorioissamme yritämme saavuttaa parhaan suorituskyvyn, korjata poikkeavuuksia ja saada terävämpiä kuvia tutkimusta tai kliinisiä tarkoituksia varten. Mutta on olemassa toinen puoli, joka ajaa tätä tekniikkaa tekemään siitä kompaktimman, halvemman ja automatisoidumman. Todellinen potentiaali on AO:n yhdistäminen SLO:n ja OCT:n kanssa kaupalliseen käyttöön. Luulen, että se on vain ajan kysymys.

Brittiläisen teollisen ja hyväntekijän Lord J Arthur Rankin vuonna 1972 perustama Rank Prize -palkinto jaetaan joka toinen vuosi ravitsemuksen ja optoelektroniikan aloilla. Palkinto jaetaan virallisesti 1.