Ny billeddannelsesteknik stimulerer partikler til at udsende laserlys, kunne skabe billeder med højere opløsning

En ny billedteknik udviklet af forskere ved MIT, Harvard Universitet, og Massachusetts General Hospital (MGH) har til formål at belyse cellulære strukturer i dybt væv og andre tætte og uigennemsigtige materialer. Deres metode bruger små partikler indlejret i materialet, der afgiver laserlys.

Holdet syntetiserede disse "laserpartikler" i form af små spisepinde, hver måler en lille brøkdel af et menneskehårs bredde. Partiklerne er fremstillet af blyjodidperovskit - et materiale, der også bruges i solpaneler, og som effektivt absorberer og fanger lys. Når forskerne skinner en laserstråle mod partiklerne, partiklerne lyser op, afgiver normalt, diffust fluorescerende lys. Men hvis de indstiller den indkommende lasers effekt til en bestemt "lasertærskel, "partiklerne vil øjeblikkeligt generere laserlys.

Forskerne, ledet af MIT -kandidatstuderende Sangyeon Cho, viste, at de var i stand til at stimulere partiklerne til at udsende laserlys, at skabe billeder med en opløsning, der er seks gange højere end de aktuelle fluorescensbaserede mikroskoper.

"Det betyder, at hvis et fluorescensmikroskops opløsning er indstillet til 2 mikrometer, vores teknik kan have en opløsning på 300 nanometer-cirka en seksdoblet forbedring i forhold til almindelige mikroskoper, "Cho siger." Ideen er meget enkel, men meget kraftfuld og kan være nyttig i mange forskellige billeddannelsesprogrammer. "

Cho og hans kolleger har offentliggjort deres resultater i tidsskriftet Fysisk gennemgangsbreve . Hans medforfattere omfatter Seok Hyun Yun, en professor ved Harvard; Nicola Martino, en stipendiat ved Harvard og MGH's Wellman Center for Photomedicine; og Matjaž Humar, en forsker ved Jozef Stefan Institute. Forskningen blev udført som en del af Harvard-MIT Division of Health Sciences and Technology.

Et lys i mørket

Når du tænder en lommelygte i et mørkt rum, at lyset fremstår som et relativt diffust, diset stråle af hvidt lys, repræsenterer et virvar af forskellige bølgelængder og farver. I stærk kontrast, laserlys er en skarpt fokuseret, monokromatisk lysstråle, af en bestemt frekvens og farve.

I konventionel fluorescensmikroskopi, forskere kan injicere en prøve af biologisk væv med partikler fyldt med fluorescerende farvestoffer. De peger derefter en laserstråle gennem en linse, der leder strålen gennem vævet, forårsager fluorescerende partikler i sin vej til at lyse op.

Men disse partikler, som mikroskopiske lommelygter, producere en relativt utydelig, fuzzy glød. Hvis sådanne partikler skulle udsende mere fokuseret, laserlignende lys, de kan producere skarpere billeder af dybe væv og celler. I de seneste år, forskere har udviklet laserlysemitterende partikler, men Cho's arbejde er den første til at anvende disse unikke partikler på billeddannelsesapplikationer.

Chopstick lasere

Teamet syntetiserede først bittesmå, 6-mikron lange nanotråde fra blyjodid perovskit, et materiale, der gør et godt stykke arbejde med at fange og koncentrere fluorescerende lys. Partiklernes stavformede geometri-som Cho beskriver som "spisepindlignende"-kan tillade en bestemt lysbølgelængde at hoppe frem og tilbage langs partiklernes længde, frembringer en stående bølge, eller meget regelmæssig, koncentreret lysmønster, ligner en laser.

Forskerne byggede derefter en enkel optisk opsætning, ligner konventionelle fluorescensmikroskoper, hvor en laserstråle pumpes fra en lyskilde, gennem en linse, og på en prøveplatform, der indeholder laserpartiklerne.

For det meste, forskerne fandt ud af, at partiklerne udsendte diffust fluorescerende lys som reaktion på laserstimuleringen, ligner konventionelle fluorescerende farvestoffer, ved lav pumpeeffekt. Imidlertid, når de indstillede laserens effekt til en bestemt tærskel, partiklerne lyser betydeligt op, udsender meget mere laserlys.

Cho siger, at den nye optiske teknik, som de har navngivet LAser partikel Stimulated Emission (LASE) mikroskopi, kunne bruges til at forestille et bestemt fokusplan, eller et bestemt lag af biologisk væv. Teoretisk set han siger, forskere kan skinne en laserstråle ind i en tredimensionel vævsprøve, der er indlejret i hele med laserpartikler, og brug en linse til at fokusere strålen på en bestemt dybde. Kun de partikler i strålens fokus vil absorbere nok lys eller energi til at tænde som lasere selv. Alle andre partikler opstrøms for banens stråle bør absorbere mindre energi og kun udsende fluorescerende lys.

"Vi kan opsamle alt dette stimulerede emission og kan meget let skelne laser fra fluorescerende lys ved hjælp af spektrometre, "Cho siger." Vi forventer, at dette vil være meget kraftfuldt, når det påføres biologisk væv, hvor lyset normalt spredes rundt, og opløsningen er ødelagt. Men hvis vi bruger laserpartikler, de vil være de smalle punkter, der vil udsende laserlys. Så vi kan skelne fra baggrunden og kan opnå en god opløsning. "

Giuliano Scarcelli, en adjunkt ved University of Maryland, siger, at teknikkens succes afhænger af succesfuld implementering af det på et standardfluorescensmikroskop. Når det er opnået, laserbilledapplikationer, han siger, er lovende.

"Det faktum, at du har en laser versus fluorescens, betyder sandsynligvis, at du kan måle dybere i væv, fordi du har et højere signal-til-støj-forhold, "siger Scarcelli, som ikke var involveret i arbejdet. "Vi bliver nødt til at se i praksis, men på den anden side, med optik, vi har ingen god måde at afbilde dybt væv. Så enhver forskning om dette emne er en velkommen tilføjelse. "

For at implementere denne teknik i levende væv, Cho siger, at laserpartikler skulle være biokompatible, hvilke blyiodidperovskitmaterialer ikke er. Imidlertid, holdet undersøger i øjeblikket måder at manipulere celler selv til at lyse som lasere.

"Vores idé er, hvorfor ikke bruge cellen som en intern lyskilde? "siger Cho." Vi begynder at tænke over det problem. "