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眼病通常发展多年无症状。ICTER的科学家开发了f-ORG技术，该技术可以分析视网膜对光的反应，帮助在症状出现之前发现危险。新的研究证明，即使是光感受器中最小的变化也可以通过这种方式检测到。
眼疾通常会在多年间无症状地发展。国际眼科研究中心（ICTER）的科学家们开发了一种名为f-ORG的技术，该技术通过分析视网膜对光的反应来帮助在症状出现之前检测危险。新的研究表明，即使是光感受器的微小变化也可以通过这种方式被检测出来。
视网膜是一个极其复杂的结构，它将光转化为神经信号的生物“换能器”。正是在光感受器——锥体和杆体——这一层，视觉过程开始了。光击中外段的这些细胞会引发一系列被称为光转导的生化反应。在这个过程中，光感受器的长度会发生变化，而这些肉眼看不见的微观变化携带有关视网膜健康的信息。
以前开发的诊断方法，如视网膜电图（ERG），已经能够评估光感受器的功能，但它们有许多局限性。它们需要与眼表接触，需要长时间适应黑暗，并且程序复杂。它们对患者来说也很不舒服，尤其是儿童和老年人。
国际眼科研究中心（ICTER）的科学家们着手寻找一种方法来克服这些局限性。他们开发了一种名为“闪烁光视网膜电图”（f-ORG）的创新技术，该技术可以快速、无创且精确地监测光感受器中发生的过程。这种方法可能会彻底改变视网膜疾病的诊断，如黄斑变性、视网膜色素变性和先天性视网膜营养不良。结果发表在《美国国家科学院院刊》（PNAS）上，文章标题为“光视网膜闪烁光视网膜电图捕捉光转导过程中光感受器的光驱动长度调制”。
“我们的方法可以在不需要长时间暴露于黑暗和不接触眼表的情况下追踪光转导的分子机制。这是视网膜疾病诊断的一大进步。”该研究的共同作者马切伊·沃伊特科夫斯基教授解释说。
光感受器的“超声波”
闪烁视网膜电图（f-ERG）是一种用于研究视网膜生理功能的有价值且成功使用的工具。然而，f-ERG方法也有其缺点，因此ICTER的科学家们决定开发其光学等价物。闪烁光视网膜电图（f-ORG）是一种技术，可以实时观察眼睛光感受器外段发生的物理变化。这些分子级的伸长是磷酸二酯酶6（PDE6）蛋白构象变化的结果。
锥体和杆体光感受器是极其敏感的细胞，它们通过伸长或缩短外段（OS）来对光做出反应。这些OS长度的变化反映了视网膜的功能活动和健康状况。f-ORG技术可以通过使用时空光学断层扫描OCT（STOC-T）记录这些分子级现象，该技术能够在纳米范围内精确成像视网膜结构。
当前的出版物是ICTER团队专注于f-ORG的又一进步。2022年，沃伊特科夫斯基教授的研究小组表明，可以在宽频率范围（高达50赫兹）内进行f-ORG测量，2024年，他们提出了一种新的f-ORG测量方法，可以快速确定光感受器的频率特性。
“STOC-T是一个真正的突破。凭借它，我们可以无创地追踪单个光感受器对光的反应。这就像在患者的眼睛里直接工作的一台显微镜。”安德里亚·库拉托洛博士惊叹道。
为什么PDE6如此重要？
磷酸二酯酶6（PDE6）是光转导过程中的关键酶，光转导是将光转化为大脑解释为图像的电信号的过程。PDE6位于杆体和锥体光感受器的外段，作为光信号的调节器。它的任务是分解cGMP（环鸟苷酸单磷酸），在黑暗中保持离子通道开放，让钠离子和钙离子流入细胞。
当光到达视网膜时，光感受器中的视紫红质信号通路被激活，从而刺激PDE6。这种酶迅速分解cGMP，导致离子通道关闭，离子流动减少。光感受器细胞的电位变化是将视觉信息传递给大脑的第一步。
“PDE6是一个调节光感受器对光敏感性的分子开关。它的激活就像在汽车里踩刹车踏板——光是启动这个过程的刺激，而PDE6决定反应的强度。”该研究的主要作者斯拉沃米尔·托姆切夫斯基博士解释说。
光转导是一个每次只持续几秒钟的过程，但我们的视觉能力取决于它能够以精确的方式反复循环。PDE6调节酶功能的紊乱与许多视网膜疾病有关，包括视网膜色素变性和视网膜营养不良。新的f-ORG技术能够实时直接观察这种酶的作用效果，为科学家和医生提供了一个新的工具，用于研究视网膜疾病的发病和进展，以及评估药物治疗和基因治疗的效果。
研究是如何进行的？
在临床前研究中确立了f-ORG技术的安全性后，该技术在一组健康志愿者中进行了测试，以确认其在追踪光感受器动态变化方面的有效性，并检验PDE6蛋白在这个过程中的作用。参与者进行了短暂的一分钟光适应，这与传统方法需要长时间处于黑暗中形成了显著差异。然后，他们的视网膜被以可变频率的光刺激——从1.5赫兹到45赫兹——并记录光感受器外段长度的变化。
STOC-T技术每秒进行约200次三维扫描，使得在光的影响下这些结构的微妙振荡性伸长得以观察。测量结果显示，观察到的光感受器的伸长与关于光转导级联激活的理论预测一致。在实验的下一阶段，向参与者注射了西地那非，这是一种已知对光转导过程有阻断作用的PDE6抑制剂，以测试其对光感受器反应的影响。正如预测的那样，观察到光感受器反应显著减弱，这证实了PDE6在光感受器外段伸长机制中的关键作用。
“这是一个突破性的时刻。在注射西地那非后，光感受器的反应显著减弱。获得的结果似乎证实了正是PDE6蛋白的构象变化导致了光感受器外段在光的影响下的伸长。”斯拉沃米尔·托姆切夫斯基博士说。
f-ORG能用于什么？
视网膜疾病，如年龄相关性黄斑变性（AMD）、视网膜色素变性或先天性营养不良，通常会在多年间不被察觉地发展。它们的早期诊断极为困难，因为最初的临床症状出现在大量光感受器已经不可逆地受损之后。当前的诊断方法主要集中在对结构变化的视觉观察和视网膜的电活动测量上，忽略了分子水平的细微结构变化。f-ORG填补了这一空白，能够记录光感受器外段长度的变化，这是视网膜在光接收过程中发生过程的直接指标。
“借助f-ORG，我们可以实时观察视网膜的反应。这就像在不拆解发动机的情况下监测发动机的运行。”马切伊·沃伊特科夫斯基教授解释说。
f-ORG技术的潜在应用范围广泛。由于能够记录光感受器在纳米尺度上的反应，医生将能够比传统方法更早地检测到病理变化。这种新技术不仅可以用于眼科，还可以用于神经学，以及对神经退行性的研究。视网膜是神经系统的一个天然“窗口”，可以提供有关大脑功能的有价值信息。
“f-ORG技术使我们能够理解光感受器功能的机制，未来它可能有助于在眼科研究中以前所未有的水平找到神经退行性疾病的原因。”斯拉沃米尔·托姆切夫斯基博士说。
f-ORG在临床实践中的未来
ICTER的科学家们计划进一步开发f-ORG技术，并将其适应于临床应用。目前正在进行准备，对有黄斑变性和视网膜色素变性早期症状的患者进行研究。还有计划开发一种便携式设备，可以在眼科医生的办公室使用，甚至可以用于对视网膜疾病高风险人群进行筛查测试。
“我们希望f-ORG成为眼科的标准技术。这是一种可以帮助全球数百万患者的技术，通过实现疾病的早期检测和更有效的治疗。”马切伊·沃伊特科夫斯基教授说。
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