Onderzoekers hebben een niet-invasieve techniek ontwikkeld die beelden van staaf- en kegelfotoreceptoren met ongekend detail kan vastleggen. De vooruitgang zou kunnen leiden tot nieuwe behandelingen en eerdere detectie van netvliesaandoeningen zoals maculaire degeneratie, een belangrijke oorzaak van verlies van gezichtsvermogen.

"We hebben goede hoop dat deze techniek subtiele veranderingen in de grootte beter zal onthullen, vorm en verdeling van staaf- en kegelfotoreceptoren bij ziekten die het netvlies aantasten, "Zei onderzoeksteamleider Johnny Tam van het National Eye Institute. "Uitzoeken wat er met deze cellen gebeurt voordat ze verloren gaan, is een belangrijke stap in de richting van het ontwikkelen van eerdere interventies om blindheid te behandelen en te voorkomen."

In optiek , Het tijdschrift van de Optical Society (OSA), de onderzoekers laten zien dat hun nieuwe beeldvormingsmethode resolutiebeperkingen overwint die worden opgelegd door de diffractiebarrière van licht. De onderzoekers bereiken deze prestatie met licht dat veilig is voor het afbeelden van het levende menselijke oog.

"De diffractielimiet van licht kan nu routinematig worden overschreden in microscopie, die een revolutie teweeg heeft gebracht in biologisch onderzoek, " zei Tam. "Ons werk vertegenwoordigt een eerste stap in de richting van routinematige subdiffractiebeeldvorming van cellen in het menselijk lichaam."

Minder licht gebruiken om meer te zien

Het is een uitdaging om afbeeldingen met een hoge resolutie van fotoreceptoren aan de achterkant van het oog te maken, omdat de optische elementen van het oog (zoals de lens en het hoornvlies) het licht vervormen op een manier die de beeldresolutie aanzienlijk kan verminderen. De diffractiebarrière van licht beperkt ook het vermogen van optische instrumenten om onderscheid te maken tussen twee objecten die te dicht bij elkaar staan. Hoewel er verschillende methoden zijn voor beeldvorming buiten de diffractielimiet, de meeste van deze benaderingen gebruiken te veel licht om levende menselijke ogen veilig in beeld te brengen.

Om deze uitdagingen te overwinnen, de onderzoekers verbeterden een retinale beeldvormingstechniek die bekend staat als adaptieve optica scanning light oftalmoscopie, die vervormbare spiegels en rekenmethoden gebruikt om optische onvolkomenheden van het oog in realtime te corrigeren.

"Je zou kunnen denken dat er meer licht nodig is om een ​​beter beeld te krijgen, maar we laten zien dat we de resolutie kunnen verbeteren door licht strategisch te blokkeren op verschillende locaties in ons instrument, "zei Tam. "Deze benadering vermindert de algehele kracht van het licht dat aan het oog wordt geleverd, waardoor het ideaal is voor live imaging-toepassingen."

Voor de nieuwe aanpak de onderzoekers genereerden een ringvormige, of hol, lichtstraal. Het gebruik van dit type straal verbeterde de resolutie over de fotoreceptoren, maar ging ten koste van de diepteresolutie. Om de verloren diepteresolutie terug te krijgen, de onderzoekers gebruikten een klein gaatje, een sub-luchtige schijf genaamd, om het licht dat terugkomt uit het oog te blokkeren. Ze toonden aan dat deze beeldvormingsbenadering kan worden gebruikt om een ​​microscopietechniek die niet-confocale split-detectie wordt genoemd, te verbeteren. die wordt gebruikt om complementaire beelden van de fotoreceptoren te verwerven.

Testen in de kliniek

Na te hebben aangetoond dat de beeldresolutie was verbeterd in theoretische simulaties, de onderzoekers bevestigden hun simulaties met behulp van verschillende testdoelen. Vervolgens gebruikten ze de nieuwe methode om fotoreceptoren van staafjes en kegeltjes af te beelden bij vijf gezonde vrijwilligers van het National Institutes of Health's Clinical Center.

De nieuwe aanpak leverde een toename van 33 procent op in transversale resolutie en 13 procent verbetering in axiale resolutie in vergelijking met traditionele adaptieve optica met lichtscanning oftalmoscopie. Met behulp van hun geoptimaliseerde aanpak, de onderzoekers konden een cirkelvormige subcellulaire structuur zien in het midden van kegelfotoreceptoren die eerder niet duidelijk kon worden gevisualiseerd.

"Het vermogen om fotoreceptoren niet-invasief af te beelden met subcellulaire resolutie kan worden gebruikt om te volgen hoe individuele cellen in de loop van de tijd veranderen, "zei Tam. "Bijvoorbeeld, kijken naar een cel die begint te degenereren, en dan eventueel herstellen, zal een belangrijke stap vooruit zijn voor het testen van nieuwe behandelingen om blindheid te voorkomen."

De onderzoekers zijn van plan om met de nieuwe techniek de ogen van meer patiënten in beeld te brengen en de beelden te gebruiken om fundamentele vragen over de gezondheid van staafjes en kegeltjes te beantwoorden. Bijvoorbeeld, ze zijn geïnteresseerd in het visualiseren van de gezondheid van staafjes en kegeltjes bij mensen met zeldzame genetische ziekten. Ze zeggen dat hun beeldvormingsbenadering kan worden toegepast op andere op puntscannen gebaseerde microscopie- en beeldvormingsbenaderingen waarbij het belangrijk is om beelden te maken met lage lichtniveaus.