Zespół dr. hab. Grzegorza Sobonia z Wydziału Elektroniki, Fotoniki i Mikrosystemów, który opracował rozwiązanie, otrzymał ostatnio Nagrodę im. Nikoli Tesli przyznawaną przez Politechnikę Wrocławską za wybitne osiągnięcie naukowe lub inżynierskie.

“Nasz zespół od wielu już lat zajmuje się laserami. W ramach jednego z projektów opracowaliśmy laser światłowodowy, który jest laserem impulsowym, czyli emitującym krótkie 'błyski' światła. Pojawiają się one w równych odstępach czasu i są niezwykle krótkie. W tym przypadku oznacza to kilkadziesiąt femtosekund, przy czym femtosekunda to jedna biliardowa część sekundy” - opisuje prof. PWr Grzegorz Soboń.

IMPULS KRÓTSZY NIŻ MGNIENIE OKA

Laser światłowodowy to urządzenie dużo prostszej konstrukcji niż powszechnie używany obecnie do generowania krótkich impulsów femtosekundowy laser tytanowo-szafirowy. Laser w wersji zaprojektowanej przez ekspertów PWr jest też dużo łatwiejszym w obsłudze urządzeniem, nie wymaga umiejętności z zakresu techniki laserowej i może go obsługiwać lekarz, biolog czy chemik.

“Przygotowaliśmy go w takiej postaci, że wystarczy przycisnąć jeden guzik i laser działa. Co ma też bardzo duże znaczenie w przypadku wdrożenia tego rozwiązania” - podkreśla prof. Soboń.

Badania oddziaływań tak krótkich impulsów z materią otwierają drogę do obserwacji najróżniejszych zjawisk. Dlatego wśród możliwych zastosowań tego lasera są mikroskopia wielofotonowa do badania struktury tkanek, wytwarzanie nanostruktur na powierzchniach, badania nowoczesnych nanomateriałów czy też białek emitujących fluorescencję, mających znaczenie dla chorób neurodegeneracyjnych.

“Można wykorzystywać go do analiz różnych struktur biologicznych, zaglądać w głąb tkanek takich jak mózg. Można aktywować pewne procesy, reakcje chemiczne, co może być interesujące dla chemików” - opisuje rozmówca Nauki w Polsce.

BEZPIECZNYM LASEREM W SIATKÓWKĘ OKA

Obecnie laser opracowany na PWr jest wykorzystywany do badań i obrazowania siatkówki oka ludzkiego w Międzynarodowym Centrum Badań Oka (ang. International Center for Translational Eye Research ICTER).

“Oko jest organem dla człowieka bezcennym i wrażliwym, a wszelka aparatura laserowa, która miałaby zostać użyta do tego, aby świecić w oko musi spełniać bardzo rygorystyczne wymagania dotyczące bezpieczeństwa. Takich laserów, które miałyby wystarczające parametry, by zaobserwować efekt, o jaki nam chodziło przy obrazowaniu oka i jednocześnie, by spełniały normy bezpieczeństwa na rynku nie było” - opisuje badacz Politechniki Wrocławskiej.

Wcześniej tę technikę obrazowania stosowano na myszach z użyciem laserów tytanowo-szafirowych. Te konstrukcje - jak opisuje prof. Soboń - są dość leciwe, duże, skomplikowane i drogie, ale też ich parametry są takie, że nie nadawały się do bezpiecznego badania ludzkiego wzroku.

Pierwsze testy swojego lasera naukowcy z PWr przeprowadzali na wyekstrahowanych próbkach biologicznych. Później, gdy okazało się, że zastosowana technika działa, wykonali prototyp lasera, który zainstalowano w Instytucie ICTER. Tam zintegrowano go z oftalmoskopem, czyli przyrządem do badania dna oka. W 2022 roku przeprowadzono pierwsze próby na oku ludzkim, a potem kilkanaście kolejnych. Laser pracuje tam do tej pory, umożliwiając prowadzenie badań na myszach i na ludzkim wzroku.

“W oku, w procesie widzenia, zachodzi cykl reakcji chemicznych, które są wyzwalane światłem w wyniku oddziaływania fotonu na fotoreceptory. Na niektórych etapach procesu widzenia powstają molekuły, które emitują fluorescencję. Jeśli oświetlimy daną molekułę światłem o pewnej barwie, to ona nam odpowie charakterystycznym wzorem światła o innej barwie” - opisuje rozmówca Nauki w Polsce.

W układzie oftalmoskopu siatkówka pacjenta zostaje pobudzona światłem z lasera i substancje takie jak metabolity witaminy A, emitują fluorescencję o charakterystycznej barwie. Badacze ją rejestrują i na tej podstawie otrzymują informacje na temat właściwości siatkówki oka, np. czy widać w niej niekorzystne zmiany.

Taki pomysł na badania siatkówki oka mieli eksperci w Centrum ICTER. Problem z tego rodzaju badaniami polegał na tym, że fluorofory, aby dały fluorescencję, musiałyby być oświetlone szkodliwym dla wzroku światłem ultrafioletowym. W ICTER wykorzystano więc absorpcję dwufotonową, która pozwala obejść fototoksyczność światła UV poprzez wykorzystanie lasera światłowodowego.

OSZUKAĆ MOLEKUŁY

“To proces, w którym oszukujemy siatkówkę oka i świecimy na nią światłem o długości fali dwa razy dłuższej, która nie jest fototoksyczna. Molekuły, które absorbują dwa fotony z tego promieniowania 'myślą', że są pobudzone ultrafioletem, a nie są. W ten sposób uzyskujemy dostęp do tych molekuł, które wcześniej nie były wcale dostępne, bo nie było możliwości takiego ich oświetlenia” - opisuje prof. Soboń.

Stosowana w opisywanych badaniach technologia to mikroskopia wykorzystująca fluorescencję wzbudzaną dwufotonowo (ang. Two-photon excited fluorescence microscopy).

Opracowany na PWr laser jest dość uniwersalny i może zostać użyty do różnych zastosowań. To dlatego, że efekt absorpcji dwufotonowej jest dobrze znany i wykorzystywany w wielu innych gałęziach nauki – niekoniecznie w oku.

Obecnie badacze kończą projekt, finansowany z Narodowego Centrum Badań i Rozwoju, w którym powstaje przedkomercyjny produkt - rozwiązanie, które będzie można wdrażać na najwyższym stopniu gotowości technologicznej.

“Będziemy chcieli je komercjalizować. Założenie jest takie, by w każdym laboratorium, które zajmowałoby się badaniami siatkówki oka lub innymi badaniami mógł pracować nasz laser” - zaznacza badacz.

Nauka w Polsce, Ewelina Krajczyńska-Wujec