Биомедицинские инженеры из Университета Дьюка возглавили консорциум, состоящий из нескольких организаций, для разработки процесса, который легко и точно отслеживает изменения количества и формы ганглиозных клеток сетчатки глаза.
Эта работа опубликована в статье, опубликованной 3 мая в журнале Optica.
Сетчатка глаза является продолжением центральной нервной системы. Ганглиозные клетки являются одними из основных нейронов глаза, которые обрабатывают и отправляют визуальную информацию в мозг.
При многих нейродегенеративных заболеваниях, таких как глаукома, ганглиозные клетки дегенерируют и исчезают, что приводит к необратимой слепоте. Традиционно исследователи используют ОКТ, технологию визуализации, похожую на ультразвук, которая использует свет вместо звука, чтобы заглянуть под слои ткани глаза, чтобы диагностировать и отслеживать прогрессирование глаукомы и других глазных заболеваний.
Хотя ОКТ позволяет исследователям эффективно просматривать слой ганглиозных клеток в сетчатке, метод достаточно чувствителен только для того, чтобы показать толщину клеточного слоя – он не может выявить отдельные ганглиозные клетки.
Это мешает ранней диагностике или быстрому отслеживанию прогрессирования заболевания, так как большое количество ганглиозных клеток должно исчезнуть, прежде чем врачи смогут увидеть изменения в толщине.
Чтобы исправить это, недавняя технология, называемая адаптивной оптикой ОКТ (АО-ОКТ), позволяет получать изображения, достаточно чувствительные для просмотра отдельных ганглиозных клеток. Адаптивная оптика – это технология, которая сводит к минимуму влияние оптических аберраций, возникающих при обследовании глаза, которые являются основным ограничивающим фактором в достижении высокого разрешения при ОКТ-визуализации.
«Это более высокое разрешение упрощает диагностику нейродегенеративных заболеваний», – сказала Сина Фарсиу, профессор биомедицинской инженерии в Duke. «Но он также генерирует такой большой объем данных, что анализ изображений стал основным узким местом в широком использовании этой потенциально революционной технологии в исследованиях глаз и мозга."
В своей новой статье Фарсиу и Сомайе Солтаниан-Заде, научный сотрудник лаборатории Фарсиу, предлагают решение этой проблемы, разработав высокоадаптивный и простой в обучении алгоритм, основанный на глубоком обучении, который первым выявляет и отслеживает формы ганглиозных клеток по данным АО-ОКТ-сканирований.
Чтобы проверить точность своего подхода, который они назвали WeakGCSeg, команда проанализировала данные АО-ОКТ сетчатки здоровых людей и пациентов с глаукомой.
Их каркас эффективно и точно сегментировал ганглиозные клетки из обоих образцов и определил, какие образцы были взяты из глаукомных глаз, на основе количества и размера присутствующих ганглиозных клеток.
«Наши экспериментальные результаты показали, что WeakGCSeg на самом деле превосходит людей-экспертов и превосходит другие современные сети, которые могут обрабатывать объемные биомедицинские изображения», – сказал Солтанян-Заде.
Помимо диагностической работы, команда надеется, что WeakGCSeg упростит проведение клинических испытаний методов лечения нейродегенеративных заболеваний. Например, если в исследовании тестируется терапия глаукомы, WeakGCSeg может увидеть, замедлила ли терапия дегенерацию клеток по сравнению с контрольной группой.
Только с помощью ОКТ первый признак изменения потребует гибели сотен, если не тысяч клеток, что может занять месяцы или годы.
«С нашей техникой вы сможете количественно оценить самые ранние изменения», – сказал Фарсиу. "Ваше клиническое испытание также может быть короче, потому что вы можете увидеть и измерить такой ранний эффект, поэтому здесь есть большой потенциал."
Команда планирует продолжить сотрудничество с коллегами из Управления по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов (FDA), Университета Индианы и Университета Мэриленда, чтобы применить свой метод к большему количеству пациентов. Они также надеются распространить WeakGCSeg на различные типы клеток, такие как фоторецепторы, и заболевания глаз, такие как пигментный ретинит и врожденные заболевания сетчатки.
WeakGCSeg также может улучшить диагностику и отслеживать прогрессирование неврологических заболеваний. Согласно Фарсиу, предыдущие исследования показали, что изменения в слое ганглиозных клеток связаны с различными заболеваниями центральной нервной системы, такими как болезнь Альцгеймера, болезнь Паркинсона и БАС.
С помощью своей новой техники они могут продолжить изучение этой связи и потенциально обнаружить полезные биомаркеры для улучшения диагностики и лечения этих и других нейродегенеративных заболеваний.
«Мы невероятно благодарны нашим сотрудникам из FDA и Университета Индианы за предоставление нам образцов для тестирования WeakCGSeg», – сказал Фарсиу. «И эта работа была бы невозможна без новаторских работ Дональда Миллера из Университета Индианы и Чжуолина Лю и Дэниела Хаммера из FDA по продвижению технологии визуализации AO-OCT. Приятно видеть влияние таких технологий визуализации одиночных нейронов in vivo на здравоохранение в следующем десятилетии."