Volumetrisk billeddannelsesmetode afslører kemisk indhold

Et "kemisk billeddannelsessystem", der bruger en særlig type laserstråle til at trænge dybt ind i væv, kan føre til teknologier, der eliminerer behovet for at trække blod til analyser, herunder lægemiddeltest og tidlig påvisning af sygdomme som kræft og diabetes.

Systemet, kaldet stimuleret Raman projektionsmikroskopi og tomografi, muliggør "volumetrisk billeddannelse" uden brug af fluorescerende farvestoffer, der kan påvirke biologiske funktioner og hindre nøjagtighed, sagde Ji-Xin Cheng, en professor i Purdue Universitys Weldon School of Biomedical Engineering, Institut for Kemi og Birck Nanoteknologi Center.

"Volumetrisk kemisk billeddannelse tillader en bedre forståelse af den kemiske sammensætning af tredimensionelle komplekse biologiske systemer, såsom celler, " han sagde.

Teknologien anvender en type laserstråle kaldet en Bessel -stråle, som bevarer fokus på en længere afstand end en traditionel "gaussisk stråle", der bruges i andre billedteknologier, gør det muligt at trænge dybt ned i væv. Stimuleret Raman -spektroskopi eliminerer behovet for fluorescerende farvestoffer. Teknologien giver mere præcise data end andre metoder, fordi den muliggør billeddannelse af hele cellen ved at "tilføje" signaler, der produceres fra scanningsstrålen, Sagde Cheng.

Fordi Bessel-strålen muliggør billeddannelse med dybt væv, det kan føre til systemer, der eliminerer behovet for at trække blod til analyser såsom lægemiddeltest og påvisning af biomarkører til ikke-invasiv tidlig diagnose af sygdomme, Sagde Cheng.

"Dette er et langsigtet mål, "sagde han." I mellemtiden, meget mere forskning er nødvendig for at forbedre systemet. "

Forskerne beviste konceptet ved at afbilde fedtopbevaring i levende celler. Fundene er detaljeret i et forskningsartikel, der blev vist den 24. april i tidsskriftet Naturkommunikation .

Den rapporterede teknologi giver information om kemisk sammensætning, indsamling af en række billeder, mens prøven roteres og rekonstrueres 3-D-strukturen gennem billedrekonstruktionsalgoritmer.

Bessel-strålen fremstilles ved hjælp af et par kegleformede "axicon" -linser og kombineres med et mikroskopobjektiv. Dets anvendelse til volumetrisk fluorescensbilleddannelse blev tidligere demonstreret af fysiker Eric Betzig, som vandt Nobelprisen i kemi i 2014 for sit banebrydende bidrag til fluorescensmikroskopi med superopløsning. Superopløsningsteknologi giver forskere mulighed for at løse strukturelle træk langt mindre end bølgelængden af ​​synligt lys, sidestegning af "diffraktionsgrænsen", der normalt forhindrer billeddannelse af funktioner mindre end ca. 250 nanometer, som er stor i forhold til visse biologiske molekyler og strukturer i celler.

Imidlertid, fluorescensmikroskopi kræver normalt brug af fluorescerende mærker, som kan forstyrre biologiske processer og hindre nøjagtighed ved bestemmelse af kemisk struktur.

Fremtidig forskning vil omfatte arbejde med at øge systemets detekteringsfølsomhed og forbedre billedkvalitet og -hastighed.

"Der er masser af plads til forbedringer, "Sagde Cheng." Systemet er baseret på en omfangsrig og relativt dyr femtosekundlaser, hvilket begrænser dets potentiale for bred anvendelse og klinisk oversættelse. Alligevel, vi forventer, at denne begrænsning kan omgås gennem tekniske innovationer for at reducere omkostningerne og størrelsen af ​​vores teknologi. Vi bemærker også, at Bessel -strålen kan fremstilles ved hjælp af fibre, som kunne forenkle systemet og muliggøre endoskopiske applikationer. "

Papiret blev forfattet af Xueli Chen, en gæsteforsker fra Xidian University i Kina; Purdue postdoktoral forskningsassistent Chi Zhang; Purdue ph.d.-studerende Peng Lin og Kai-Chih Huang; Xidian University forskere Jimin Liang og Jie Tian; og Cheng.