Pioneiros da óptica adaptativa ganham prêmio por avanços em imagens da retina

Republicado por Platão

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**Os vencedores do Prêmio de Classificação de 2024** Da esquerda para a direita: Junzhong Liang, Donald Miller, Austin Roorda e David Williams. (Cortesia: Prêmio de Classificação)

Quatro cientistas que foram pioneiros no desenvolvimento de tecnologias de óptica adaptativa (AO) para imagens da retina humana foram premiados com o prêmio 2024 Prêmio de classificação para optoeletrônica. Os vencedores - Junzhong Liang, Donald Miller, Austin Roorda e David Williams – inventou instrumentos que usam AO para capturar imagens de alta resolução da retina viva e fornecer novas informações sobre a estrutura e função do olho humano.

AO foi originalmente desenvolvido para uso em astronomia, para eliminar o desfoque induzido pela atmosfera em imagens de telescópios terrestres. Ele funciona medindo distorções em uma frente de onda refletida usando um sensor de frente de onda e, em seguida, compensando essas distorções com um corretor de frente de onda, que geralmente é um espelho deformável.

Em 1997, Liang, Williams e Miller demonstraram que AO também pode ser usado para corrigir distorções causadas por óptica imperfeita no olho humano. Usando AO, eles criaram um câmera de imagem de retina com resolução sem precedentes, permitindo imagens nítidas de células fotorreceptoras individuais na retina humana viva. Dois anos depois, Roorda e Williams usaram este instrumento para produzir as primeiras imagens mostrando a distribuição do três tipos de cones na retina humana.

De acordo com Donal Bradley, presidente do Comitê de Optoeletrônica do Rank Prize, o prêmio reconhece aos vencedores “uma contribuição seminal para a imagem dentro do olho que abre novas oportunidades para compreender este complexo instrumento óptico e para melhorar a visão através de intervenções precisas”. Tami Freeman conversou com dois dos vencedores para saber mais.

Desde a sua invenção, como a AO impactou o campo da imagem ocular?

Donald Miller AO é a única tecnologia que permite a visualização de células retinais individuais em um olho vivo. E como a doença e a patologia começam neste nível celular, é nesse nível que queremos que os médicos operem, para um diagnóstico mais precoce e tratamentos mais eficazes.

Como exemplo do meu próprio laboratório, estivemos recentemente a observar o impacto do glaucoma, uma das principais causas de cegueira irreversível no mundo, nas células ganglionares da retina – o principal tipo de célula que morre nesta doença e que reveste o topo da retina. Embora existam tratamentos eficazes, infelizmente é difícil diagnosticar precocemente a doença até que ocorram danos significativos. Com a AO, podemos agora, pela primeira vez, monitorar células ganglionares da retina individuais e rastreá-las ao longo do tempo nesses pacientes.

Utilizando AO combinada com tomografia de coerência óptica (AO-OCT), descobrimos que, mesmo em olhos em tratamento, observamos perda subclínica de células. Isso é importante porque os médicos agora podem usar essas medições no nível celular para estabelecer melhor se o tratamento está funcionando ou não. Também oferece um potencial considerável para testar a eficácia e segurança de novas estratégias neuroprotetoras e regenerativas. A visualização de células ganglionares da retina em seres humanos só se tornou possível nos últimos anos – estamos a entrar num momento realmente emocionante.

Austin Roorda À medida que os tratamentos se tornam disponíveis para as principais doenças oculares que causam cegueira, como diabetes, glaucoma e degeneração macular, podemos agora usar a AO para avaliar a sua eficácia. Mas existem outras doenças hereditárias da retina devido a mutações genéticas sobre as quais se sabe muito pouco. Nessas doenças raras, anteriormente a única forma de ver o que estava a acontecer à escala celular era esperar por um olho doador e observá-lo ao microscópio. AO abriu a capacidade de examinar a retina em escala microscópica nesses pacientes. Estão no horizonte tratamentos como a terapia genética que poderiam potencialmente curar ou deter estas doenças hereditárias. A AO está preparada para desempenhar um papel fundamental nesse processo – compreender como a mutação afeta a retina, avaliar o estado da retina, prever o prognóstico se o paciente for submetido a terapia genética e, em seguida, medir a eficácia dessa terapia.

Como a tecnologia AO progrediu nos últimos 25 anos?

AR AO foi originalmente limitada pela tecnologia disponível, que foi amplamente desenvolvida para o campo da astronomia. Portanto, o espelho deformável era grande e não era adequado à vista. Ao longo dos anos, quando as empresas começaram a reconhecer o potencial da OA em outros campos, incluindo a oftalmoscopia, começaram a construir dispositivos sensores de frente de onda e corretores de frente de onda (o espelho deformável) que eram muito mais adequados para aplicações no olho humano.

DM Quando desenvolvemos o sistema AO pela primeira vez, fizemos muitas suposições: que tipo de correção de frente de onda usar, qual sensor de frente de onda, a velocidade do loop e assim por diante. Nos cinco a 10 anos seguintes, houve muitas melhorias na nossa compreensão das propriedades espaciais e da dinâmica temporal das aberrações oculares. Eles então definiram os componentes AO: quantos atuadores você precisa em seu corretor de frente de onda, qual deve ser o curso [deslocamento do atuador], quantos pontos de amostragem você precisa na pupila e quão rápido o sistema AO deve funcionar. Todos eles foram otimizados ao longo dos anos.

O primeiro sistema AO para os olhos — **Retroceda no tempo** David Williams, Donald Miller e Junzhong Liang em torno do primeiro sistema óptico adaptativo para o olho em Rochester em 1997. (Cortesia: David Williams)

Por exemplo, o corretor de frente de onda que usamos em 1997 tinha 37 atuadores que empurravam e puxavam a superfície traseira do espelho para distorcer sua forma, e daria quatro mícrons de curso. Os usados hoje têm cerca de 100 atuadores e dão uma ordem de grandeza maior de curso, o que é importante porque os olhos apresentam aberrações graves; isso fez uma grande diferença.

AR Agora, ao usar o AO, você aperta um botão e ele funciona automaticamente em qualquer lugar entre dezenas e centenas de hertz. Antes, tínhamos que tirar uma foto, um mapa das aberrações do olho, e examiná-lo para ter certeza de que não havia erros na análise inicial da imagem. Então você apertaria o próximo botão para aplicar essa forma ao espelho. Portanto, o usuário era parte integrante do sistema AO de circuito fechado. Foi divertido, mas foi lento.

Inicialmente, Don, David e Junzhong construíram uma câmera padrão com iluminação inundada que observaria a retina através de um sistema AO para revelar a estrutura microscópica. Mais tarde, incorporei o AO em um sistema de varredura para criar um oftalmoscópio de varredura a laser AO (AOSLO) que pode gravar vídeo da retina e realizar cortes em profundidade. Essa é uma plataforma de imagem AO totalmente nova. Outros pesquisadores incorporaram um tipo de imagem de contraste de fase que pode visualizar células transparentes na retina, e no grupo de David eles estão realizando imagens de fluorescência em olhos de animais.

Qual é a sua principal área de pesquisa atual?

AR Se houve um tema para o que tenho feito nos últimos 15 anos ou mais, é estrutura e função. Acontece que nosso gerador de imagens AOSLO também é o melhor rastreador ocular do mundo. Você pode rastrear o movimento dos olhos com muita rapidez e precisão porque pode ver o movimento de células individuais na parte posterior do olho. Demos um passo adiante, usando o sistema de varredura a laser não apenas para obter imagens da retina, mas para controlar o posicionamento das imagens na retina na escala de um único cone.

Austin Roorda trabalhando no AOSLO — **Estrutura e função** Austin Roorda trabalhando no oftalmoscópio de luz de varredura de óptica adaptativa (AOSLO) na UC Berkeley. (Cortesia: Austin Roorda)

Temos medido propriedades funcionais em seres humanos vivos. Se você estivesse no dispositivo, eu poderia emitir flashes de luz em cones individuais e perguntar se você poderia vê-los ou que cor você vê. No início, mapeamos o mosaico de cones, que foi uma das grandes descobertas possibilitadas pela AO. Agora podemos pegar aquele mosaico de cones e começar a fazer perguntas sobre os circuitos básicos da retina ou as propriedades fundamentais da visão humana das cores. Estamos fazendo o mesmo com doenças oculares. Se olharmos para um conjunto de células num paciente e não parecer normal, estamos interessados nas consequências funcionais – não apenas em ver a estrutura da retina doente, mas em perguntar sobre os resultados visuais.

DM Também estamos focados em estrutura e função, mas usando AO-OCT. A grande vantagem da OCT é sua resolução axial, que permite seccionar qualquer profundidade da camada da retina que você deseja visualizar. Os cones são muito brilhantes e de alto contraste, mas outras células tendem a ser muito mais difíceis de visualizar, pois refletem muito menos luz. Fizemos bastante progresso usando o AO-OCT para obter imagens desses outros neurônios na retina em diferentes profundidades. Foi um grande passo conseguir obter imagens das células ganglionares da retina, pois são altamente transparentes e têm contraste muito baixo.

Também temos usado o AO-OCT para observar a função dos fotorreceptores. Em 2000, Austin e David desenvolveram seu método pioneiro de densitometria retiniana AO para classificação de cones. Vinte anos depois, podemos usar as informações de fase fornecidas pelo AO-OCT para medir mudanças sutis no alongamento dessas células fotorreceptoras quando estimuladas por diferentes cores de luz. Isso acabou sendo uma maneira muito mais precisa e menos demorada de fazer a classificação de cones e é um bom exemplo da evolução da tecnologia de imagem AO.

Como você vê o campo da AO evoluindo no futuro?

AR No meu laboratório, nos concentramos muito em medidas subjetivas de função, como movimentos oculares, acuidade e visão de cores. Mas eu imagino que, à medida que as técnicas de AO evoluem, seremos capazes de medir as propriedades funcionais da maioria das classes de células da retina. No momento, Don gerou belas imagens de células ganglionares usando AO-OCT. Estas são as últimas células antes que os sinais da retina cheguem ao cérebro, por isso é uma classe de neurônios cuja função nos interessa muito. Usando métodos de fase, ou métodos que nem podemos conceber agora, podemos ser capazes para medir as propriedades funcionais desses e de outros neurônios da retina.

A imagem de subdifração do olho humano visualiza fotorreceptores com detalhes sem precedentes

David, Don e eu estamos imersos em pesquisa básica, mas há muitas outras pessoas pensando em como levar esses sistemas para a clínica. AO não é fácil e não é barato, é uma tecnologia complicada por isso o caminho até à clínica não é fácil. Existem algumas empresas agora que vendem dispositivos de imagem AO, mas eles não são usados rotineiramente.

DM O campo da AO aumenta e diminui entre tentar melhorar o desempenho da AO e tornar a AO mais acessível e comercialmente viável. Em nossos laboratórios, tentamos alcançar o melhor desempenho, corrigindo aberrações e obtendo imagens mais nítidas para fins de pesquisa ou clínicos. Mas há um outro lado que impulsiona esta tecnologia para torná-la mais compacta, mais barata e mais automatizada. O verdadeiro potencial é casar AO com SLO e OCT para uso comercial. Acho que é só uma questão de tempo.

Fundado em 1972 pelo industrial e filantropo britânico Lord J Arthur Rank, o Prêmio Rank é concedido a cada dois anos nas áreas de nutrição e optoeletrônica. O Prêmio será concedido formalmente em 1º de julho de 2024.