Metabolinis vaizdavimas yra neinvazinis metodas, leidžiantis gydytojams ir mokslininkams tirti gyvas ląsteles naudojant lazerio šviesą, kuri gali padėti įvertinti ligos progresavimą ir gydymo atsaką.
Tačiau šviesa išsisklaido, kai ji patenka į biologinį audinį, ribodama jos prasiskverbimą ir trukdydama užfiksuotų vaizdų raiškai.
Dabar MIT mokslininkai sukūrė naują metodą, kuris daugiau nei dvigubai padidina įprastą metabolinio vaizdo gylio ribą. Jų metodas taip pat padidina vaizdo greitį, todėl gaunami sodresni ir išsamesni vaizdai.
Taikant šią naują techniką nereikia iš anksto apdoroti audinių, pavyzdžiui, jį pjaustyti arba dažyti dažais. Vietoj to, specializuotas lazeris apšviečia giliai į audinį, todėl tam tikros ląstelėse ir audiniuose esančios molekulės skleidžia šviesą. Tai pašalina poreikį keisti audinį, o tai suteikia natūralesnį ir tikslesnį jo struktūros ir funkcijos vaizdą.
Tyrėjai tai pasiekė adaptyviai pritaikydami lazerio šviesą giliesiems audiniams. Naudodami neseniai sukurtą pluošto formuotoją – prietaisą, kurį valdo jį lenkdami – jie gali sureguliuoti šviesos spalvą ir impulsus, kad sumažintų sklaidą ir padidintų signalą, kai šviesa sklinda gilyn į audinį. Tai leidžia jiems pamatyti daug toliau į gyvus audinius ir užfiksuoti aiškesnius vaizdus.
Dėl didesnio įsiskverbimo gylio, didesnio greičio ir didesnės skiriamosios gebos šis metodas ypač tinka sudėtingoms vaizdavimo programoms, tokioms kaip vėžio tyrimai, audinių inžinerija, vaistų atradimas ir imuninių atsakų tyrimas.
„Šis darbas rodo reikšmingą pagerėjimą, kalbant apie medžiagų apykaitos vaizdų be etikečių įsiskverbimą į gylį. Tai atveria naujas galimybes tirti ir tirti medžiagų apykaitos dinamiką giliai gyvose biosistemose”, – sako Elektros inžinerijos ir kompiuterių mokslo katedros docentas Sixian You. (EECS), Elektronikos tyrimų laboratorijos narys ir vyresnysis straipsnio apie šią vaizdo gavimo techniką autorius.
Straipsnyje prie jos prisijungė pagrindinis autorius Kunzan Liu, EECS absolventas; Tong Qiu, MIT postdoc; Honghao Cao, EECS absolventas; Fan Wang, smegenų ir pažinimo mokslų profesorius; Roger Kamm, Cecil ir Ida Green nusipelnęs biologijos ir mechanikos inžinerijos profesorius; Linda Griffith, Inžinerijos mokyklos Inovacijų mokymo profesorė Biologijos inžinerijos katedroje; ir kiti MIT kolegos. Tyrimas pasirodys m Mokslo pažanga.
Fokusuotas į lazerį
Šis naujas metodas patenka į vaizdavimo be etikečių kategoriją, o tai reiškia, kad audinys nėra nudažytas iš anksto. Dažymas sukuria kontrastą, kuris padeda klinikiniam biologui geriau matyti ląstelių branduolius ir baltymus. Tačiau dažymui paprastai reikia, kad biologas padalytų ir supjaustytų mėginį – procesas, dėl kurio dažnai žūva audinys ir neįmanoma ištirti dinaminių procesų gyvose ląstelėse.
Taikydami vaizdavimo be etikečių metodus, mokslininkai naudoja lazerius, kad apšviestų konkrečias molekules ląstelėse, todėl jos skleidžia skirtingų spalvų šviesą, atskleidžiančią įvairų molekulinį turinį ir ląstelių struktūras. Tačiau sukurti idealią lazerio šviesą su tam tikrais bangos ilgiais ir aukštos kokybės impulsus giliųjų audinių vaizdavimui buvo sudėtinga.
Tyrėjai sukūrė naują metodą, kaip įveikti šį apribojimą. Jie naudoja daugiamodį skaidulą, tam tikrą optinio pluošto tipą, kuris gali nešti daug energijos, ir galėtų jį sujungti su kompaktišku įrenginiu, vadinamu „pluošto formuotoju”. Šis formuotojas leidžia jiems tiksliai moduliuoti šviesos sklidimą adaptyviai keičiant pluošto formą. Skaidulos lenkimas keičia lazerio spalvą ir intensyvumą.
Remdamiesi ankstesniu darbu, tyrėjai pritaikė pirmąją pluošto formuotojo versiją gilesniam multimodaliniam metaboliniam vaizdavimui.
„Mes norime nukreipti visą šią energiją į spalvas, kurių mums reikia su mums reikalingomis impulsų savybėmis. Tai suteikia mums didesnį generavimo efektyvumą ir aiškesnį vaizdą net giliai audiniuose”, – sako Cao.
Sukūrę valdomą mechanizmą, jie sukūrė vaizdo gavimo platformą, kad panaudotų galingą lazerio šaltinį, kad būtų generuojami ilgesni šviesos bangos ilgiai, kurie yra labai svarbūs norint giliau prasiskverbti į biologinius audinius.
„Manome, kad ši technologija gali žymiai pagerinti biologinius tyrimus. Padarydami ją prieinamą ir prieinamą biologijos laboratorijoms, tikimės suteikti mokslininkams galingą atradimų įrankį”, – sako Liu.
Dinaminės programos
Kai tyrėjai išbandė savo vaizdo gavimo įrenginį, šviesa sugebėjo prasiskverbti daugiau nei 700 mikrometrų į biologinį mėginį, o geriausi ankstesni metodai galėjo pasiekti tik apie 200 mikrometrų.
„Naudodami šį naujo tipo giluminį vaizdą, norime pažvelgti į biologinius mėginius ir pamatyti tai, ko dar niekada nematėme“, – priduria Liu.
Giluminio vaizdo gavimo technika leido jiems pamatyti ląsteles įvairiuose gyvosios sistemos lygiuose, o tai galėtų padėti mokslininkams ištirti medžiagų apykaitos pokyčius, vykstančius skirtinguose gyliuose. Be to, didesnis vaizdo gavimo greitis leidžia jiems surinkti išsamesnę informaciją apie tai, kaip ląstelės metabolizmas veikia jos judėjimo greitį ir kryptį.
Šis naujas vaizdo gavimo metodas galėtų paskatinti organoidų, kurie yra inžinerijos būdu sukurtos ląstelės, galinčios augti, kad imituotų organų struktūrą ir funkciją, tyrimą. Kamm ir Griffith laboratorijų mokslininkai pirmauja kuriant smegenų ir endometriumo organoidus, kurie gali augti kaip organai ligų ir gydymo įvertinimui.
Tačiau buvo sudėtinga tiksliai stebėti vidinius pokyčius, nepjaustant ar nudažant audinio, o tai žudo mėginį.
Šis naujas vaizdo gavimo metodas leidžia mokslininkams neinvaziškai stebėti medžiagų apykaitos būsenas gyvo organoido viduje, kol jis toliau auga.
Turėdami omenyje šiuos ir kitus biomedicininius pritaikymus, mokslininkai planuoja siekti dar didesnės raiškos vaizdų. Tuo pačiu metu jie stengiasi sukurti mažo triukšmo lazerinius šaltinius, kurie leistų gauti gilesnį vaizdą naudojant mažesnę šviesos dozę.
Jie taip pat kuria algoritmus, kurie reaguoja į vaizdus, kad atkurtų visas biologinių mėginių 3D struktūras didele raiška.
Ilgainiui jie tikisi pritaikyti šią techniką realiame pasaulyje, kad padėtų biologams stebėti vaistų atsaką realiuoju laiku, kad padėtų kurti naujus vaistus.
„Įgalindami daugiarūšį metabolinį vaizdavimą, kuris pasiekia giliau audinius, suteikiame mokslininkams precedento neturintį gebėjimą stebėti neskaidrias biologines sistemas jų natūralioje būsenoje. Džiaugiamės galėdami bendradarbiauti su gydytojais, biologais ir bioinžinieriais, siekdami išplėsti šios srities ribas. technologijas ir paversti šias įžvalgas realaus pasaulio medicinos laimėjimais“, – sako You.
Šis tyrimas iš dalies finansuojamas iš MIT startuolių fondų, JAV Nacionalinio mokslo fondo KARJEROS apdovanojimo, MIT Irwino Jacobso ir Joan Klein prezidento stipendijos bei MIT Kailatho stipendijos.