Неожиданное открытие в области оптической физики, сделанное исследователями из Массачусетского технологического института, способно кардинально ускорить и детализировать процесс получения изображений живых тканей. В ходе экспериментов выяснилось, что при соблюдении определенных условий хаотический и рассеянный лазерный сигнал способен самопроизвольно перестраиваться, формируя узкий, чрезвычайно сфокусированный «карандашный луч».
Используя этот самостоятельно организованный источник света, научная группа создала трехмерные изображения гематоэнцефалического барьера человека. Скорость получения снимков примерно в 25 раз превысила показатели текущего «золотого стандарта», при этом качество визуализации осталось на прежнем уровне. Разработанный метод также открывает возможность наблюдать за перемещением лекарственных препаратов в режиме реального времени. Такая способность, по мнению ученых, может оказаться критически важной для оценки эффективности терапии при таких заболеваниях, как болезнь Альцгеймера или боковой амиотрофический склероз — в частности, позволяет проверить, достигают ли лекарства намеченных целей в мозге.
«В научном сообществе долгое время господствовало убеждение: если повышать мощность лазера подобного типа, его свет неизбежно становится хаотичным. Однако мы продемонстрировали, что это не является аксиомой. Мы пошли за фактами, приняли неопределенность как данность и обнаружили возможность, позволяющую свету самоорганизоваться в новое решение для биовизуализации», — прокомментировал Сиксиан Ю, доцент кафедры электротехники и информатики Массачусетского технологического института, член Научно-исследовательской лаборатории электроники и старший автор статьи, описывающей этот метод.
В работе над исследованием также приняли участие ведущий автор Хунхао Цао, аспирант EECS; аспиранты EECS Ли-Ю Ю и Кунзан Лю; постдоки Сара Шпитц, Франческа Микела Прамоттон и Федерико Пресутти; Чжэнъюй Чжан, доктор философии; Субхаш Кулкарни, доцент Гарвардского университета и Медицинского центра диакониссы Бет Исраэль; а также Роджер Камм, заслуженный профессор биологической и машиностроительной инженерии Сесила и Иди Грин в Массачусетском технологическом институте. Статья опубликована сегодня в журнале Nature Methods.
Удивительное поведение лазера
Отправной точкой открытия стало наблюдение, полностью опровергнувшее прежние ожидания. Ранее исследователи применяли формирователь волокна — устройство, позволяющее тщательно контролировать лазерный свет, проходящий через оптоволокно. Однако в ходе экспериментов было зафиксировано, что вместо усиления хаоса свет, напротив, реорганизовался в стабильный и сфокусированный луч, что открыло совершенно новые перспективы для прижизненной визуализации биологических структур.
ез многомодовое оптическое волокно, способное достигать высоких уровней мощности.
Постепенно увеличивая мощность лазера, чтобы проверить возможности расширения волокна.
Обычно увеличение приводит к большему рассеянию света из-за дефектов внутри волокна. Вместо этого, когда мощность приблизилась к порогу, при котором волокно могло быть повреждено, свет внезапно увиделся в одном чрезвычайно остром луче.
«Этим волокнам присущ беспорядок. Светотехника, которую вам обычно нужно использовать, чтобы справиться с этим беспорядком, особенно при высокой мощности, является давней проблемой. Но благодаря такой самоорганизации вы можете получить стабильный и сверхбыстрый карандашный луч без необходимости использования специальных компонентов для формирования получения», — сказал он. Ты говоришь.
Условия, обеспечение самоорганизации света
Чтобы воспроизвести этот эффект, команда определила два ключевых требования.
Во-первых, лазер должен входить в волокно под идеально выровненным углом в ноль градусов, что более строго, чем стандартная практика. Во-вторых, мощность необходимо привнести в техпор, пока свет не начнет напрямую взаимодействовать со стеклянным стекловолокном.
"При этой критической нелинейности скорости может передаваться внешняя волна, баланс, который самопреобразует входной луч в организующийся карандашный луч," Это улыбка.
Подобные состояния редко исследуются, поскольку исследователи обычно исбегают высоких температур, чтобы не повредить волокна. Точные спортивные достижения также обычно не требуются, поскольку многомодовые волокна уже могут содержать большое количество энергии.
Однако в соединении эти достижения обеспечивают системе стабильный луч без сложной оптической инженерии.
«В этом прелесть этого метода — вы можете сделать это с помощью обычной оптической установки и без особых знаний в предметной области», — сказал он. Ты говоришь.
Более четкое изображение с компонентами компонентов
Испытания показали, что этот карандашный луч одновременно стабилен и обладает высокой детализацией по сравнению с аналогичными лучами. Многие случайные лучи создают «боковые лепестки». — размытые ореолы, снижающие четкость изображения.
Напротив, этот луч остается чистым и четко сфокусированным.
Затем исследователи применили эту технику для изображения гематоэнцефального барьера человека — плотного клеточного слоя, который защищает мозг от вредных веществ, а также блокирует многие лекарства.
Более быстрая 3D-визуализация гематоэнцефального барьера
Ученым часто приходится наблюдать, как лекарства перемещаются по кровеносным сосудам в этот барьер и постепенно лишают их тканей головного мозга. Традиционные оптические методы обычно захватывают один 2D-срез за раз, требующий повторного сканирования для полного создания 3D-изображений.
применил новый метод карандашного луча, команда быстро получила высокоточное изображение, а также отслеживала, как клетки проверяют признаки в первый момент времени.
«Фармацевтическая промышленность особенно заинтересована в американских человеческих моделях скрининга лекарств, которые эффективно преодолевают препятствия, поскольку модели на животных часто не могут предсказать, что происходит у людей. То, что этот новый метод не требует, чтобы клетка имела флуоресцентную метку, меняет правила игры. Впервые мы теперь можем визуализировать квантование времени проникновения лекарств в мозг и даже определить скорость, с помощью которой типичный тип клеток обрабатывает лекарства», — говорит Камм.
«Однако важно отметить, что этот подход не ограничивает гематоэнцефальный барьер, но позволяет контролировать временные достижения различных соединений и молекулярных мишени в моделях инженерных тканей, предоставляя потенциальный инструмент для биологической инженерии», — говорит он. Шпитц добавлен.
Система создала 3D-изображения клеточного уровня с улучшенным качеством и сделала это примерно в 25 раз быстрее, чем традиционные методы.
"Обычно приходится искать компромисс между достоверностью изображения и глубиной фокуса — за раз можно рассматривать только отдельные области. Но с помощью нашего метода мы можем преодолеть этот компромисс, создав карандашный луч с высоким уровнем развития и большой глубиной фокуса», — сказал он. Ты говоришь.
Будущие приложения и дальнейшие действия
Заглядывая в будущее, исследователи стремятся лучше понять физику этого самоорганизующегося объекта и механизмы, которые позволяют ему формироваться. Они также планируют распространить этот метод на другие приложения, включая визуализацию нейронов, и изучить практические методы использования этой технологии.
Эта работа частично финансировалась стартап-фондами Массачусетского технологического института, Национальным средним фондом (NSF), Фондом сообщества Кремниевой долины, Фондом Diacomp, Гарвардским центром по распространению с официальными заболеваниями, стипендией MathWorks и премией Клода Э. Шеннона.