Ein neuer bildgebender Ansatz könnte dazu beitragen, die Entwicklung neuer Behandlungen für Augenkrankheiten zu beschleunigen
Forscher haben eine einfache und schnelle Methode zur Durchführung der Optoretinographie entwickelt, einer bildgebenden Technik, die die lichtinduzierte funktionelle Aktivität in der Netzhaut des Auges misst, dem Netzwerk von Neuronen im Augenhintergrund, das für die Erkennung von Licht und die Initiierung des Sehens verantwortlich ist. Mehr als 50 Prozent der Menschen in den USA über 60 sind von Netzhauterkrankungen wie Makuladegeneration und diabetischer Retinopathie betroffen. Diese Krankheiten beeinträchtigen die Funktion der Netzhaut in einer Weise, die das Sehvermögen verringert und unbehandelt zur Erblindung führen kann. Der neue Ansatz könnte dazu beitragen, die Entwicklung neuer Behandlungen für Augenkrankheiten zu beschleunigen.
Die Optoretinographie hat in der Regel sehr kostspielige Geräte verwendet, für deren Betrieb mehrere Experten erforderlich waren, während gleichzeitig enorme Datenmengen erzeugt wurden, die umfangreiche Rechenressourcen erforderten. Wir haben einen Weg gefunden, es billiger und schneller zu machen.“
Ravi Jonnal, Forschungsteamleiter, University of California, Davis
Jonnal und Kollegen berichten in Optica, dem Journal der Optica Publishing Group für hochwirksame Forschung, über ihren neuen Ansatz, den sie geschwindigkeitsbasierte Optoretinographie nennen. Sie demonstrieren auch die Fähigkeit der Methode, die Netzhautreaktion bei drei gesunden Probanden zu messen.
„Obwohl die geschwindigkeitsbasierte Optoretinographie Klinikern möglicherweise genauere und frühere Informationen über Funktionsverluste in der Netzhaut liefern könnte, liegt ihre erste wirkliche Auswirkung eher in der Beschleunigung klinischer Studien für neue Behandlungen von Netzhauterkrankungen“, sagte Jonnal, der einige durchgeführt hat der ersten optoretinographischen Messungen als Doktorand im Labor von Don Miller an der Indiana University. „Wenn wir schneller erkennen können, ob sich die Netzhautfunktion verbessert oder verschlechtert als mit herkömmlichen Tests wie Sehtafeln, wird dies die Entwicklung von Behandlungen erheblich beschleunigen.“
Verfolgen von Formänderungen
Die Optoretinographie erkennt leichte Veränderungen in der Form von Neuronen, die Signale in der Netzhaut erzeugen oder weiterleiten. Bis jetzt haben Jonnal und andere Forscher adaptive Optik und optische Kohärenztomographie (OCT) verwendet, um diese Neuronen im lebenden, sich bewegenden Auge zu visualisieren und zu verfolgen, und dann Bewegungskorrekturalgorithmen angewendet, um die Bilder zu stabilisieren und die funktionelle Reaktion zu extrahieren. Dieser kostspielige und zeitaufwändige Prozess erfordert die Auflösung und Verfolgung der Position einzelner Zellmerkmale und die Verwendung dieser Positionen, um zu bestimmen, ob die Zelle ihre Form verändert hat.
„Wenn wir eines unserer adaptiven Optiksysteme verwenden, um optoretinografische Messungen durchzuführen, kann das Experiment leicht einen halben Tag dauern und zu einem Terabyte an Daten führen, die verarbeitet werden müssen“, sagte Jonnal. „Die Verarbeitung der Daten zum Extrahieren eines funktionsfähigen Signals dauert mindestens ein oder zwei weitere Tage.“
Um die Notwendigkeit zu vermeiden, einzelne Neuronen aufzulösen und zu verfolgen, wollten Jonnal und Kollegen sehen, ob sie stattdessen die Geschwindigkeit oder Geschwindigkeit messen könnten, mit der sich die Neuronen der Netzhaut relativ zueinander bewegen. „Wir glaubten, dass selbst wenn die Positionen der Merkmale von Zelle zu Zelle variieren, die Geschwindigkeit, mit der sie sich relativ zueinander bewegen, zwischen den Zellen stark korrelieren würde“, sagte Jonnal. „Das hat sich als richtig erwiesen.“
Messen von sich bewegenden Neuronen
Um eine geschwindigkeitsbasierte Optoretinographie durchzuführen, entwickelten die Forscher eine neue OCT-Kamera, die es einem einzelnen Bediener ermöglicht, Bilder von mehr Stellen in der Netzhaut zu erfassen, als dies mit anderen Ansätzen der Optoretinographie möglich ist.
Die Forscher demonstrierten ihre neue Technik, indem sie damit Messungen von drei gesunden Freiwilligen sammelten. Sie waren in der Lage, Daten von jedem Patienten in nur zehn Minuten zu erfassen und diese Daten innerhalb von 2 bis 3 Minuten zu verarbeiten und Ergebnisse verfügbar zu machen. Sie zeigten, dass die mit dem einfachen Ansatz gemessenen funktionellen optoretinographischen Reaktionen mit der verwendeten Lichtreizdosis skaliert wurden und dass die Dosis-Stimulus-Reaktion innerhalb und zwischen den Freiwilligen reproduzierbar war.
Sie planen jetzt Experimente, die darauf abzielen, die Empfindlichkeit der Technik gegenüber krankheitsbedingten Funktionsstörungen zu demonstrieren. Jonnal arbeitet auch mit Ärzten der University of California, Davis, zusammen, um es für die Patientenbildgebung zu verwenden und bei der Interpretation der Ergebnisse für Versuche mit Stammzelltherapien und gentherapeutischen Behandlungen für erbliche Netzhauterkrankungen zu helfen. Die Forscher möchten den neuen Optoretinographie-Ansatz auch auf Tiermodelle von Netzhauterkrankungen anwenden.
Quelle:
Referenz:
Vienola, KV, et al. (2022) Geschwindigkeitsbasierte Optoretinographie für klinische Anwendungen. Optik. doi.org/10.1364/OPTICA.460835.
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