Kan tre-foton absorption føre til bedre bio-imaging?

Tre-fotonabsorption (3PA) er en ikke-lineær optisk proces, der involverer samtidig absorption af tre fotoner for at excitere en elektron fra grundtilstanden til en højere energitilstand. Denne proces er typisk meget svagere end en-foton-absorption (1PA) og to-foton-absorption (2PA), men den kan forbedres betydeligt i visse materialer, såsom halvleder-nanokrystaller og organiske farvestoffer.

3PA har flere potentielle fordele for bio-billeddannelse i forhold til 1PA og 2PA. For det første kan 3PA give dybere vævsgennemtrængning, fordi lys med længere bølgelængde, der bruges til 3PA, er mindre spredt og absorberet af vævskomponenter såsom vand og hæmoglobin. For det andet kan 3PA bruges til at excitere fluorescens i specifikke molekyler med høj selektivitet, fordi excitationsbølgelængden kan indstilles præcist til at matche absorptionsspektret af målmolekylet. For det tredje kan 3PA generere billeder med højere opløsning, fordi det mindre brændvidde, der bruges til 3PA-mikroskopi, resulterer i mindre fotoblegning og fotobeskadigelse af prøven.

På trods af disse potentielle fordele er 3PA stadig ikke meget brugt til bio-billeddannelse på grund af flere udfordringer. For det første er effektiviteten af ​​3PA typisk meget lav, hvilket kræver høje lasereffekter, der kan beskadige biologiske prøver. For det andet er excitationsbølgelængden for 3PA ofte i det ultraviolette (UV) område, hvilket kan være skadeligt for celler. For det tredje er udviklingen af ​​egnede 3PA-prober stadig i sine tidlige stadier.

Da disse udfordringer er overvundet, vil 3PA sandsynligvis blive et vigtigere værktøj til bio-imaging. Dens unikke kombination af dyb vævsgennemtrængning, høj selektivitet og høj opløsning gør den ideel til en række forskellige anvendelser, herunder in vivo-billeddannelse, fluorescensresonansenergioverførsel (FRET) og superopløsningsmikroskopi.

Her er nogle specifikke eksempler på, hvordan 3PA er blevet brugt til bio-imaging:

* 3PA mikroskopi er blevet brugt til at afbilde blodkar i hjernen på en levende mus. 3PA-signalet blev genereret af et fluorescerende farvestof, der specifikt blev optaget af endotelceller, de celler, der beklæder blodkarrene. Denne undersøgelse viste potentialet af 3PA til in vivo billeddannelse af dybe vævsstrukturer.

* 3PA FRET er blevet brugt til at studere proteininteraktioner i levende celler. I denne teknik er to forskellige fluorescerende farvestoffer knyttet til to forskellige proteiner af interesse. Når proteinerne interagerer, kommer farvestofferne tæt på hinanden, og 3PA-signalet fra det ene farvestof overføres til det andet farvestof. Dette giver forskere mulighed for at overvåge proteininteraktioner i realtid og med høj rumlig opløsning.

* 3PA superopløsningsmikroskopi er blevet brugt til at afbilde strukturer i celler med en opløsning på mindre end 100 nanometer. Denne teknik kombinerer den høje opløsning af 3PA-mikroskopi med super-opløsningsegenskaberne fra teknikker som stimuleret emissionsdepletering (STED) mikroskopi og fotoaktiveret lokaliseringsmikroskopi (PALM).

Disse eksempler viser potentialet af 3PA til bio-imaging. Efterhånden som udfordringerne forbundet med 3PA er overvundet, vil denne teknik sandsynligvis blive stadig vigtigere for en række anvendelser inden for biomedicinsk forskning og klinisk diagnostik.