Nieuwe beeldvormingstechnologie elimineert de behoefte aan dure ultrasnelle lasers

Een onderzoeksteam dat is aangesloten bij UniSt heeft de ontwikkeling aangekondigd van een innovatieve niet -lineaire beeldvormingstechniek die in staat is om interne biologische weefsels in 3D te visualiseren met behulp van gewone lichtbronnen, zoals laserpointers, in plaats van kostbare ultrasnelle gepulseerde lasers.

Onder leiding van professor Jung-Hoon Park en professor Jinmyoung Joo in de afdeling Biomedical Engineering bij UNIST, heeft het onderzoeksteam gespecialiseerde nanodeeltjes gebruikt om een ​​niet-lineaire fluorescentiemicroscopietechnologie te creëren die alleen werkt met continu-golf (CW) lasers.

Deze doorbraak bereikt resolutie en weefselpenetratiediepten die vergelijkbaar zijn met die van conventionele systemen die afhankelijk zijn van dure femtoseconde gepulseerde lasers, en het kan ook worden toegepast voor precieze fotodynamische therapie die zich richt op laesies zonder schadelijke omringende weefsels. Het werk is gepubliceerd in Geavanceerde materialen.

Biologische weefsels verspreiden licht uitgebreid, waardoor duidelijke interne beeldvorming moeilijk is. Om dit te overwinnen, focussen technieken zoals multiphoton microscopie op het induceren van fluorescentie alleen in de buurt van het brandpunt, het filteren van achtergrondruis veroorzaakt door verstrooiing.

Multiphoton-microscopie vereist echter dat femtoseconde gepulseerde lasers hoge fotondichtheden leveren die nodig zijn voor gelijktijdige multi-fotonabsorptie, waardoor de toegankelijkheid in klinische en laboratoriumomgevingen wordt beperkt vanwege hoge kosten.

Het onderzoeksteam omzeilde deze beperking door gebruik te maken van nanodeeltjes (UCNP’s). Wanneer ze via bloedstroom in biologische weefsels worden geïnjecteerd, absorberen deze nanokristallen fotonen van een eenvoudige CW-laser en uitstoten licht bij ultraviolet (UV), blauwe of nabij-infraroodgolflengten.

Vanwege hun niet -lineaire optische eigenschappen – waar de emissie -intensiteit afhankelijk is van het vierkant of de kubus van de intensiteit van het excitatielampje – treedt significante fluorescentie alleen op in gebieden waar het licht sterk geconcentreerd is, zoals het brandpunt.

Met behulp van deze aanpak heeft het team met succes 3D-beelden met hoge resolutie vastgelegd van cerebrale bloedvaten in levende muizen op diepten van ongeveer 800 micrometer-ongeveer zes keer dieper dan traditionele confocale microscopie en vergelijkbaar met multiphoton-microscopie. Bovendien maakte het systeem realtime visualisatie van de bloedstroom mogelijk met 30 frames per seconde in een breed gezichtsveld, ter illustratie van het potentieel voor snelle, in vivo vasculaire studies.

Naast beeldvorming zorgt deze technologie voor diepte-selectieve, driedimensionale fotomodulatie in troebele media. Door de gelokaliseerde fluorescentie alleen op de focus te benutten, kunnen clinici lichtgevoelige middelen activeren precies op doellocaties, waardoor onderpandschade aan omliggende weefsels wordt geminimaliseerd. Het team demonstreerde deze mogelijkheid door selectief op UV-responsieve materialen te activeren in weefseldiepten met behulp van UCNP-gegenereerd UV-licht.

Deze vooruitgang biedt een kosteneffectief alternatief voor traditionele high-end microscopie-tools, waardoor beeldvorming met hoge resolutie diep weefsel en precieze fototherapie zonder dure femtoseconde lasers nodig is. In combinatie met bestaande diagnostische apparatuur zoals MRI, kan deze technologie het vermogen om cerebrale bloedstroom, metabole responsen en andere fysiologische processen in klinische omgevingen in klinische instellingen ook aanzienlijk te controleren aanzienlijk verbeteren.