Forskare använde en ny avbildningsteknik baserad på adaptiv optik som skannar ljusoftalmoskopi för att ta bilder av de minsta konfotoreceptorerna i det levande mänskliga ögat (vänster). De kombinerade också sitt tillvägagångssätt med icke-konfokal detektering (höger) för att bättre se de inre segmenten av samma fotoreceptorer. De två bilderna förvärvas samtidigt och samregistreras med varandra. Kredit:Johnny Tam, National Eye Institute
Forskare har utvecklat en icke-invasiv teknik som kan fånga bilder av stav- och konfotoreceptorer med oöverträffad detalj. Framstegen kan leda till nya behandlingar och tidigare upptäckt för näthinnesjukdomar som makuladegeneration, en ledande orsak till synförlust.
"Vi hoppas att den här tekniken bättre kommer att avslöja subtila förändringar i storleken, form och fördelning av stav- och konfotoreceptorer vid sjukdomar som påverkar näthinnan, " sa forskargruppsledare Johnny Tam från National Eye Institute. "Att ta reda på vad som händer med dessa celler innan de går förlorade är ett viktigt steg mot att utveckla tidigare insatser för att behandla och förebygga blindhet."
I Optica , The Optical Societys (OSA) tidskrift, forskarna visar att deras nya avbildningsmetod övervinner upplösningsbegränsningar som ålagts av ljusets diffraktionsbarriär. Forskarna åstadkommer denna bedrift samtidigt som de använder ljus som är säkert för att avbilda det levande mänskliga ögat.
"Diffraktionsgränsen för ljus kan nu rutinmässigt överträffas i mikroskopi, som har revolutionerat biologisk forskning, " sa Tam. "Vårt arbete representerar ett första steg mot rutinmässig sub-diffraktionsavbildning av celler i människokroppen."
Använder mindre ljus för att se mer
Att få högupplösta bilder av fotoreceptorer på baksidan av ögat är utmanande eftersom ögats optiska element (som lins och hornhinna) förvränger ljuset på ett sätt som avsevärt kan minska bildupplösningen. Ljusets diffraktionsbarriär begränsar också optiska instruments förmåga att skilja mellan två objekt som är för nära varandra. Även om det finns olika metoder för avbildning bortom diffraktionsgränsen, de flesta av dessa tillvägagångssätt använder för mycket ljus för att säkert avbilda levande mänskliga ögon.
Forskarna anpassade detta adaptiva optiska scanningsljusoftalmoskop för att förbättra bildupplösningen genom att strategiskt blockera ljus på olika platser i instrumentet. Att använda mindre ljus är en fördel för att avbilda det mänskliga ögat. Kredit:Johnny Tam, National Eye Institute
För att övervinna dessa utmaningar, forskarna förbättrade en retinal avbildningsteknik känd som adaptiv optik scanning ljus oftalmoskopi, som använder deformerbara speglar och beräkningsmetoder för att korrigera för optiska brister i ögat i realtid.
"Man kan tro att det behövs mer ljus för att få en bättre bild, men vi visar att vi kan förbättra upplösningen genom att strategiskt blockera ljus på olika platser inom vårt instrument, ", sa Tam. "Detta tillvägagångssätt minskar den totala kraften hos ljus som levereras till ögat, vilket gör den idealisk för live-avbildningstillämpningar."
För det nya tillvägagångssättet, forskarna skapade en ringformad, eller ihålig, ljusstråle. Att använda denna typ av strålar förbättrade upplösningen över fotoreceptorerna men på bekostnad av djupupplösningen. För att återfå den förlorade djupupplösningen, forskarna använde ett litet nålhål som kallas en sub-Airy disk för att blockera ljus som kommer tillbaka från ögat. De visade att denna avbildningsmetod kunde användas för att förbättra en mikroskopiteknik som kallas icke-konfokal split-detektion, som används för att få kompletterande syn på fotoreceptorerna.
Testning på kliniken
Efter att ha visat att bildupplösningen förbättrades i teoretiska simuleringar, forskarna bekräftade sina simuleringar med hjälp av olika testmål. De använde sedan den nya metoden för att avbilda stav- och konfotoreceptorer hos fem friska frivilliga vid National Institutes of Health's Clinical Center.
Den nya avbildningstekniken kan ta bilder av stav- och konfotoreceptorer i ögat med oöverträffade detaljer, vilket kan leda till nya behandlingar och tidigare upptäckt för retinala sjukdomar som makuladegeneration. Forskarna gjorde det här anpassade hakstödet så att de kunde använda sitt adaptiva optiska retinalavbildningsinstrument för att avbilda fotoreceptorer hos människor. Kredit:Johnny Tam, National Eye Institute
Det nya tillvägagångssättet gav cirka 33 procents ökning av tvärupplösningen och 13 procents förbättring av den axiella upplösningen jämfört med traditionell adaptiv optik som skannar ljus oftalmoskopi. Genom att använda deras optimerade tillvägagångssätt, forskarna kunde se en cirkulär formad subcellulär struktur i mitten av konfotoreceptorer som inte kunde visualiseras tydligt tidigare.
"Förmågan att icke-invasivt avbilda fotoreceptorer med subcellulär upplösning kan användas för att spåra hur enskilda celler förändras över tiden, " sa Tam. "Till exempel, se en cell börja degenerera, och sedan eventuellt återhämta sig, kommer att vara ett viktigt framsteg för att testa nya behandlingar för att förhindra blindhet."
Forskarna planerar att avbilda fler patienters ögon med den nya tekniken och använda bilderna för att börja svara på grundläggande frågor kopplade till spöns och konens hälsa. Till exempel, de är intresserade av att visualisera spö och kon hälsa hos människor som har sällsynta genetiska sjukdomar. De säger att deras avbildningsmetod skulle kunna tillämpas på andra punktskanningsbaserade mikroskopi och avbildningsmetoder där det är viktigt att ta bilder med låga ljusnivåer.
