Dzięki polskim badaczom można zobaczyć komórki oka, które właśnie coś widzą

Polscy badacze wyjaśnili, dlaczego komórki światłoczułe w oku zmieniają na chwilę swój rozmiar, kiedy błyska na nie światło. Teraz maleńkie, szybkie pulsowanie komórek siatkówki można na żywo zobaczyć dzięki polskiej metodzie obrazowania oka.

O tym przełomowym dla badań oka odkryciu mówi w rozmowie z PAP prof. Maciej Wojtkowski z Międzynarodowego Centrum Badań Oka (ICTER) przy IChF PAN.

W siatkówce oka znajdują się komórki światłoczułe – czopki i pręciki. Kiedy błyska światło – np. w kształcie litery E – fotony z tego znaku trafiają do światłoczułych komórek siatkówki oka. Komórki te kurczą się na chwilę, ale tylko w tych miejscach siatkówki, do których doszło światło. Kiedy więc spojrzy się z boku na tę część oka w ogromnym powiększeniu, daje się przez chwilę zobaczyć tam ten sam kształt – w tym przykładzie litery E – wyłaniający się z tła komórek siatkówki. Można więc na żywo zobaczyć obraz rejestrowany przez oko. Teraz polski zespół naukowców wyjaśnił na poziomie białek, z czego wynika ten efekt.

Badania centrum ICTER założonego i kierowanego przez prof. Macieja Wojtkowskiego ukazały się w prestiżowym czasopiśmie naukowym PNAS. To kolejny krok, by wprowadzić na rynek opracowaną przez polski zespół metodę optoretinografii (ORG). Ma to być nieinwazyjna, bezdotykowa, szybka i obiektywna metoda diagnozy oka i wykrywanie chorób wzroku na wczesnym etapie. Bazuje ona właśnie na rejestrowaniu zmian długości komórek siatkówki oka pod wpływem szybkich błysków światła.

>>> Szansa na lek chroniący w cukrzycy oczy i nerki

W publikacji w PNAS naukowcy eksperymentalnie pokazali, że pulsowanie komórek siatkówki wynika ze zmian w rozmiarze pewnego białka – PDE6. Bierze ono udział w kaskadzie zmian, jakie zachodzą, kiedy komórka pochłania światło.

Szczęśliwym trafem białko to reaguje na obecność sildenafilu – znanego pod nazwą handlową viagra – a więc dobrze przebadanego już związku aktywnego. Ten farmaceutyk – stosowany najczęściej w zaburzeniach erekcji – docelowo działa na inne białko z tej samej rodziny – PDE5, ale blokuje również białko PDE6.

„Pewien mężczyzna próbował kiedyś popełnić samobójstwo przedawkowując Viagrę. Przeżył, ale pojawiły się u niego trwałe problemy ze wzrokiem” – opisał prof. Maciej Wojtkowski. To, że ten lek na potencję w dużych dawkach działa na wzrok, było już więc wiadomo, ale nie było wiadomo jak. Nowe badania rzucają na to więcej światła.

W ramach polskich badań wywoływano przedawkowanie sildenafilu u zwierząt laboratoryjnych. Przez co białka PDE6 w ich siatkówce przestawały na pewien czas działać, a więc zmieniać kształt. Okazało się, że przez to zwierzęta te na chwilę ślepły. „Było to wiadomo choćby z analizy pracy kory wzrokowej mózgu” – tłumaczył prof. Wojtkowski. Kiedy zaś działanie farmaceutyku minęło, komórki wzrokowe odzyskiwały swoją zdolność do wydłużania się i kurczenia, a zwierzętom wracał wzrok. W ten sposób polscy badacze pokazali, że związane z pracą białka PDE6 zmiany rozmiaru czopków i pręcików pod wpływem światła faktycznie są niezbędne, aby widzieć.

Zmian kształtów pojedynczych białek w ramach ich pracy raczej nie sposób obserwować na żywo. Natura zastosowała jednak w oku pewną sztuczkę. I ją wykorzystali też Polacy w swoim rozwiązaniu.

Białka PDE6 są piętrowo umieszczone w zewnętrznej warstwie światłoczułych czopków. Wypełniają więc kolejne poziomy zwiniętej tysiące razy elastycznej błony komórkowej. Pod wpływem światła następuje w komórce kaskada zmian. A wtedy białka na każdym piętrze zwiniętej błony zmieniają swój kształt – na zmianę odrobinkę rozpychają i kurczą swoje pięterka. Każde pięterko zmienia wysokość tylko o odrobinkę – o wielkości rzędu atomów. Jednak tysiąckrotna suma takich odrobinek ma znaczenie – dochodzi już do dziesiątych czy nawet setek nanometrów. I to już Polacy obserwują dzięki swoim instrumentom w żywym oku. Aktywność białek PDE6 ma już dobrze poznane kluczowe znaczenie w procesie widzenia więc obserwowana zmiana długości komórek to nie przypadek.

>>> „Oczy Etiopii” – polski projekt, który odmienia życie

„W ramach optoretinografii świecimy na oko krótkimi błyskami. I obserwujemy na siatkówce te bardzo małe – nanometrowych rozmiarów – zmiany długości fotoreceptorów. W chwili badania widzimy więc już, czy fotoreceptory w oku odpowiadają na nasz sygnał prawidłowo czy nie i czy w pracy siatkówki są jakieś uchybienia” – wyjaśnił naukowiec.

Żeby jednak zebrać informacje o zmianach długości komórek światłoczułych, naukowcy musieli opracować nową metodę obrazową – to tzw. Przestrzenno-Czasowa Tomografia Optyczna (STOC-T Spatio-Temporal Optical Coherence Tomography). To metoda, która bazuje na specyficznych własnościach światła odbijającego się od siatkówki. Oprócz częstotliwości i amplitudy zmian światła odbijającego się od oka, analizuje też zmiany fazy tego światła. Dzięki temu jest w stanie rejestrować nawet nanometrowej wielkości zmiany na powierzchni oka pomiędzy błyśnięciami. „Widzimy więc, co oko widzi” – opisał prof. Wojtkowski. A precyzja tych obserwacji jest niedostępna dla wcześniejszych metod.

Procesy biochemiczne związane z widzeniem zachodzą w bardzo niewielkiej przestrzeni – w siatkówce oka, a do tego w krótkim czasie – kilkadziesiąt razy na sekundę. A w dodatku są bardzo niewielkie, liczone w nanometrach. Prof. Wojtkowski z zespołem wpadł jednak na pomysł, jak rejestrować te nieznaczne zmiany. Teraz zaś naukowcy z ICTER wykonują kolejne kroki, aby lepiej zrozumieć mechanizmy zachodzące w oku zdrowym i chorym. A cała ta wiedza jest niezbędna, jeśli chcemy coraz lepiej diagnozować choroby oka, wykrywać zmiany na wczesnych etapach choroby i zatrzymywać je.

ICTER będzie realizował jeden z trzech polskich projektów badawczo-innowacyjnych, które otrzymały finansowanie w ramach prestiżowego europejskiego programu Teaming for Excellence. Ich inauguracja odbędzie się w środę w Warszawie, a wezmą w niej udział m.in. przedstawiciele Komisji Europejskiej, rządu, samorządu i świata nauki.