Oczy są zwierciadłem ciała. O technologiach diagnostyki oka

Międzynarodowe Centrum Badań Oka, które stworzył prof. Maciej Wojtkowski, to nie tylko innowacyjny ośrodek badawczy, ale także przykład, jak uprawiać naukę i współpracować na globalną skalę.

Partnerem publikacji jest Międzynarodowe Centrum Badań Oka.

To skomplikowana maszyneria i interesujący organ. Z jednej strony jest tam układ nerwowy jak w mózgu, są nietypowe, bardzo fotoczułe komórki, bardzo rozwinięty system krwionośny i metabolizm na wysokim poziomie. Z drugiej strony zadziwia ich kruchość i delikatność. Oczy – bo o nich mowa – są oknem na świat, głównym zmysłem, narzędziem poznania. Wymagają ogromnej troski i… technologii. Bez innowacyjnych rozwiązań, wspieranych sztuczną inteligencją, trudno mówić o właściwej diagnostyce oka.

– Oczy są także oknem do wnętrza organizmu, bo stosunkowo łatwo jest się do nich dostać, zobaczyć, co się dzieje na dnie oka lub pod jego siatkówką. Za fotoczułą częścią oka znajduje się układ krwionośny, jeden z najbardziej złożonych fragmentów układu krwionośnego w organizmie ludzkim, więc cokolwiek się dzieje niedobrego z chorób ogólnoustrojowych, zaburzeń nerek, zmian cukrzycowych, to gdzieś będzie się manifestować w układzie krwionośnym i zobaczymy to w oku – wyjaśnia prof. Maciej Wojtkowski.

Dlatego też tak ważna jest diagnostyka i monitorowanie stanu oka. Dziś wchodzą one na wyższy poziom dzięki Międzynarodowemu Centrum Badania Oka (MCBO). Jest to interdyscyplinarny ośrodek badawczy, który powstał przy Instytucie Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk. MCBO to unikatowe przedsięwzięcie w skali kraju, Europy i świata. Centrum w sposób nieoczywisty zrzesza grupy badawcze zajmujące się różnymi dziedzinami nauki.

– Profesor Wojtkowski dołączył do nas w ramach realizacji unijnego projektu ERA Chair, aby rozwijać w sposób interdyscyplinarny badania nad okiem. Jest to obszar nauki, w którym my, jako instytut, doświadczenia nie mieliśmy, ale mieliśmy choćby zaplecze laserowe i duże doświadczenie w badaniach na pograniczu chemii, fizyki i biologii. Profesor Wojtkowski miał za zadanie nie tylko wprowadzić swoją tematykę do instytutu, ale też indukować zmiany organizacyjne. Czas pokazał, że działalność jego oraz jego zespołu wpłynęła bardzo pozytywnie na nasz instytut. Reformy organizacyjne przeprowadzone w ostatnich latach pozwoliły nam wytworzyć dynamiczną strukturę, zdolną do podejmowania nowych wyzwań. Jednym z celów projektu ERA Chair była właśnie indukcja kolejnych zmian. Profesor Wojtkowski zdobył środki finansowe na utworzenie Międzynarodowego Centrum Badań Oka, dającego zespołowi profesora unikalną swobodę działania i możliwość podejmowania bardzo szerokiej i oryginalnej na skalę światową tematyki badawczej, wymagającej integracji fizyki, biologii, chemii i do tego nauk informatycznych do analizy wytworzonych danych. Staramy się, aby instytut był miejscem takich wielopłaszczyznowych spotkań i to się profesorowi Wojtkowskiemu udaje. Oczywiście wymagało to odpowiedniego ustawienia struktury organizacji i wypracowania odpowiednich procedur. W moim odczuciu to nam się udało i patrzymy teraz w przyszłość – tłumaczy dr hab. Adam Kubas, zastępca dyrektora ds. naukowych Instytutu Chemii Fizycznej PAN. **

Delikatne spojrzenia

Powstanie Centrum wynika z dwóch kluczowych czynników. Z jednej strony poprzez ciągłą pracę przed komputerem, smartfony mamy wzrost chorób oczu i problemów ze wzrokiem. Z drugiej – technologiczna rewolucja sprawiła, że łatwiej o jakościowe badania tego ważnego organu. Ogromny skok jakościowy został uzyskany dzięki dwóm komponentom: komputerom i laserom. Chodzi o połączenie zewnętrznej pamięci, która mogłaby pomagać w rekonstrukcji obrazów, i pełnej kontroli światła – laserów.

– Oko jest troszeczkę takie jak stos szkiełek albo stos folii, więc trudno je badać, patrząc na nie wyłącznie na wprost. Dzięki rozwinięciu technik obrazowania możliwe stało się przyglądanie się oku z wielu stron i warstw. Ta głęboka diagnostyka zbiega się z nowymi technikami farmakologicznymi. Bardzo ważny jest rozwój sztucznej inteligencji – obecnie pracuje się nad tym, by informację wizualną, to, co widzi człowiek, zamknąć w sensie algorytmicznym. Dzięki AI możemy dowiedzieć się, co tak naprawdę widzi człowiek. To rewolucyjna zmiana – podkreśla prof. Wojtkowski.

W opinii prof. Wojtkowskiego dzięki wykorzystaniu sztucznej inteligencji jesteśmy blisko zbadania oka smartfonem. Co ciekawe, rozwój rynku telefonów komórkowych mocno przyczynił się do rozwoju badań nad okiem.

– Telefony komórkowe czy inne nowoczesne technologie nie wykluwają się z jajek na półkach supermarketów. Ich stworzenie to naprawdę ogromny wysiłek. W ciągu ostatnich 15 lat miliony ludzi było zaangażowanych w kreowanie niesamowitych rozwiązań technologicznych. Każda kamera w smartfonie to jest cudeńko technologii. To jest absolutnie niesamowity wytwór – wtrąca prof. Wojtkowski, który wyraźnie zaznacza, że przenikanie się świata nauki i biznesu jest coraz większe i powinno być podstawą, bowiem zarówno nauka, jak i biznes mają ogromny wpływ na świat.

Interdyscyplinarność to słowo klucz dla prof. Wojtkowskiego. Właśnie otwarcie się na inne dziedziny, inne wizje naukowe, na spotkanie ludzi z różnych branż, którzy mają inne perspektywy, nie tylko naukowe. Do tej pory standardem było, że grupy badawcze bywały zamykane w jakichś instytutach, które miały dobrze zdefiniowany profil działalności. Był to efekt zaszłości historycznej, ale od jakiegoś czasu wiadomo, że trzeba stworzyć pewien ekosystem, który będzie zwiększał dynamikę powstawania nowych pomysłów, gdzie technologie nie będą sztuką dla sztuki.

Ta idea przyświeca MCBO. Prof. Wojtkowski zaprasza do Centrum specjalistów z różnych dziedzin, bowiem wierzy, że w wyniku ich codziennej interakcji, ciągłego wymieniania się pomysłami, tworzą się najbardziej wartościowe idee.

Dowodem na to mogą być profile badawcze laboratoriów, wchodzących w skład MCBO. Jednym z takich laboratoriów jest grupa Biologii Oka, która rozwija nowe aspekty terapii genowej chorób oczu.

– Podobne terapie są już obecnie wdrożone w leczeniu. Ważne też jest, aby starać się zrozumieć, co pacjent może widzieć po tym, kiedy jego wzrok jest przywrócony. Dlatego grupa ta stosuje modele chorób ludzkich i bada, jak przetwarzanie informacji wzrokowej na poziomie neuronalnym zmienia się w chorobie oraz po leczeniu – zauważa lider zespołu Biologii Oka, dr Andrzej Foik.

Z kolei w grupie Genomiki Obliczeniowej rozwijane są narzędzia pozwalające na dogłębną analizę aktywności genów na poziomie pojedynczej komórki. Według kierownika tego zespołu, dra Marcina Tabaki:

– Takie metody pozwalają z bardzo dużą dokładnością odpowiedzieć, które komórki ludzkiego oka i jakie szlaki biologiczne są odpowiedzialne za procesy chorobowe oka.

– Dokładność jest również ważna w chirurgicznym leczeniu oka. Celem Laboratorium Obrazowania i Technologii Okulistycznych jest udoskonalanie śledzenia obrazu w czasie rzeczywistym i mikromanipulacji robotycznej dla minimalnie inwazyjnej chirurgii oka – mówi dr Andrea Curatolo, lider grupy.

Dr Humberto Fernandes, kierownik Laboratorium Zintegrowanej Biologii Strukturalnej, dodaje:

– Czasami jesteśmy pierwszymi, którzy dostrzegają drobne, ale bardzo istotne szczegóły dotyczące funkcjonowania oka! I to jest ekscytujące.

– Centrum stworzone w ramach naszego instytutu od początku miało mieć charakter wybitnie interdyscyplinarny. Dzięki MCBO współpracujemy z ekspertami z bardzo różnych dziedzin i jesteśmy pewni, że ta wymiana myśli zaprocentuje w przyszłości – opowiada dr hab. Adam Kubas.

Przykładem efektywnej współpracy jest opracowana przez MCBO technologia czynnościowego badania oka.

Dzięki nowatorskim rozwiązaniom nie musimy pytać pacjenta, co widzi, ale zajrzeć do wnętrza oka i precyzyjnie zmierzyć odpowiedź fotoreceptorów siatkówki, które się poruszają delikatnie, tak jak światło padnie. Możemy od razu wyróżnić fotoreceptory, które zostały pobudzone, i przewidzieć, jaki sygnał (obraz) będzie przesłany do mózgu – doprecyzowuje prof. Wojtkowski.

– Warto wspomnieć o bardzo przyjemnym aspekcie naszych badań. Laboratoryjne wynalazki relatywnie szybko przekształcamy w układy kliniczne wspomagające pracę lekarzy w leczeniu rzeczywistych pacjentów – dodaje dr Karol Karnowski.

Ekosystemy innowacji

W języku biznesu często mówi się o ekosystemach innowacji. Chodzi o miejsca, przestrzenie – najczęściej fizyczne, czasami wirtualne – które tworzą klimat sprzyjający innowacyjności, rozwijaniu twórczych idei. W takich ekosystemach często powstają start- -upy, rodzą się spółki technologiczne, brylują inwestorzy. Przykładem jest Dolina Krzemowa, ale też Izrael czy Berlin. Dziś coraz częściej mówi się także o ekosystemach innowacji w świecie nauki. A właśnie Międzynarodowe Centrum Badań Oka ma być takim ekosystemem.

– Jesteśmy dziś zalewani informacjami. Niestety, informacja istotna jest często trudna do uchwycenia. Bez takiej globalnej współpracy między instytucjami nie ma szans na identyfikację cennych informacji i tworzenie na ich podstawie innowacyjnych rozwiązań na skalę światową. W ramach działalności MCBO współpracujemy szczególnie z dwoma instytucjami. Jedna to University College London (Londyn, Wielka Brytania), a konkretniej działający w jego strukturach instytut okulistyki. Druga to University of California, Irvine (Irvine, USA) i jego wydział okulistyczny. Jednostki te są liderami w badaniach biochemicznych i farmakologicznych, prowadzą także badania podstawowe nad mechanizmami widzenia. I z tymi instytucjami mamy ciągły kontakt na polu naukowym, wymieniamy się też spostrzeżeniami na temat efektywnej organizacji pracy. To jest zaczątek większej sieci, którą chcielibyśmy stworzyć. Chodzi nam też o to, żeby się przebić do społeczeństwa z rzetelną informacją o postępach w badaniach nad okiem. Społeczna akceptacja umożliwia realne wdrożenie nowatorskich rozwiązań – zwraca uwagę dr hab. Adam Kubas.

W rocznym przeglądzie 2019/2020 instytut okulistyki UCL powołuje się na partnerstwo strategiczne z MCBO, z którym „dzieli ambicję wywarcia bezpośredniego wpływu na nowe terapie i diagnostykę dla zdrowia wzroku”.

Zdaniem doktora Kubasa, bardzo ważna jest również współpraca z przemysłem i szeroko pojętym światem biznesu. Wymienianie się wiedzą i „energią” ze specjalistami pracującymi nad komercyjnymi projektami może przynieść realne korzyści obu stronom. Czasem bowiem prognozuje się pewne korzyści społeczne z wdrożenia danej innowacji, jednak realne korzyści mogą być niewspółmierne do wymaganych nakładów. W tej chwili pewnie jest mnóstwo takich idei, które prawdopodobnie zmieniłyby świat na lepsze, ale nikogo nie stać, żeby je wdrożyć. I na tym polu przydałoby się wsparcie biznesu, w szczególności spółek technologicznych.

– Naszym zadaniem jest wychodzenie z tej hermetycznej, zamkniętej bańki świata nauki. Chcemy, żeby jak najwięcej osób miało świadomość tego, co się dzieje w świecie nauki. Chcemy pokazać, że nauka to nie tylko zamknięte laboratoria, lecz że każdy może mieć swój udział w poszerzaniu wiedzy, indywidualny wkład, dzięki któremu może przyczyniać się do fantastycznych osiągnięć pożytecznych dla całej ludzkości. Musimy propagować wiedzę o tym, co się dzieje w świecie nauki, szczególnie w Polsce, gdzie nie do końca zrozumiała jest dla wszystkich dynamika procesów naukowych. Na przykład tego, że potrzebują one współpracy wielu zespołów ludzkich, dobrego zarządzania i że każde naukowe osiągnięcie to ogromny wysiłek, wymagający też wsparcia społecznego – dodaje prof. Wojtkowski, który nie ukrywa, że kultura innowacji jest kluczowa.

Zarówno doktor Kubas, jak i profesor Wojtkowski podkreślają, że nie ma dobrze rozwiniętych ekosystemów innowacji i nauki bez zaufania społecznego i szacunku do pracy. Zdaniem prof. Wojtkowskiego, brakuje świadomości, że świat to system naczyń połączonych, a praca jednych, ich motywacje mają wpływ na innych.

– Każda osoba w społeczeństwie jest tak naprawdę mocno odpowiedzialna za to, czy się nauka rozwija, czy nie. Bo sprzątacz na ulicy, który dobrze swoją pracę wykonuje, ma także wpływ na naukę. Jego praca – czyli zapewnienie czystości i bezpieczeństwa – ma wpływ na działanie naukowca, bo ten nie potknie się na chodniku, idąc do laboratorium – plastycznie temat ujmuje prof. Wojtkowski.

Oczywiście są to zagadnienia kulturowe. Wynikają z pewnych warunków społecznych, a w szczególności edukacji, o której prof. Wojtkowski bardzo chętnie i często opowiada. Jego zdaniem, zawód naukowca wciąż nie jest bardzo popularny, nie cieszy się zainteresowaniem. Na szczęście takie miejsca jak MCBO mają zmienić to stereotypowe myślenie.