Bendy laserstråler kan undersøge menneskeligt væv som aldrig før

Lysarkfluorescensmikroskopi er en spændende ny billeddannelsesmetode, der udnytter tynde plader af lys for at lave billeder af store biologiske prøver såsom flue og fiskeembryoer, mus og endda stykker af menneskeligt væv. Og dets anvendelse kan føre til mindre påtrængende og mere effektiv diagnose for patienter.

På University of St Andrews, vi har for nylig udnyttet de usædvanlige egenskaber ved formede laserstråler til at få et klarere billede dybere inde i prøver - ved hjælp af stråler, der bøjer og krummer rundt om hjørner og bliver lysere, frem for svagere, som de rejser.

I modsætning, Hvis du holder en finger kort foran en konventionel laserpeger, vil du bemærke, at din finger lyser, når strålen spreder lyset i alle retninger, og kun en lille mængde lys - hvis nogen - kommer igennem.

Mikroskopi har udviklet sig i et stort tempo siden udviklingen for mere end 350 år siden, men det er stadig udfordrende at se store tredimensionelle (3-D) prøver. Det betyder, at biologiske prøver har tendens til at være enkeltcellelag dyrket på et tyndt glasglas, hvilket ikke er et meget realistisk scenario.

Mennesker er 3D-væsener, og sygdomsforskning skal tage højde for det. Hvis en person får et lægemiddel for en sygdom, det ville være rart, hvis det ikke forårsagede et andet. Det er af denne grund, at en masse biomedicinsk forskning bevæger sig mod 3D-modeller for mere præcist at studere sygdomme som Alzheimers og Parkinsons.

Imidlertid, lysarkfluorescensmikroskopi er en teknologi, der er særligt velegnet til billeddannelse af store mængder hurtigt og uden at forårsage skade. Geometrien til denne form for mikroskopi blev oprindeligt udviklet i begyndelsen af ​​det 20. århundrede for at hjælpe undersøgelsen af ​​nanopartikler.

Richard Zsigmondy vandt Nobelprisen i kemi i 1925 til dels for at udvikle denne teknologi - men den faldt senere ud af brug. Det var først med fremkomsten af ​​laserbelysning og naturligt forekommende fluorescerende biomarkører, at lysarkmikroskopi, i de sidste to årtier, oplevede en renæssance inden for biomedicinsk billeddannelse.

Sidevender

Manglen på kontrast i et billede kan bevise en betydelig vejspærring, når det kommer til billeddannelse af store prøver. Det svarer til at prøve at læse en bog med gennemsigtige sider i mørket.

Hvis du skinner en lommelygte ved bogen, vil ordene på siden være synlige, men du vil også se ordene foran og bag den side, du læser - hvilket gør det ekstremt svært at se, hvilket ord der kom fra hvilken side. Det samme problem gælder for at prøve at se inde i store prøver ved hjælp af fluorescensmikroskopi.

Når man læser lysarket, bogen bliver tilgængelig igen ved blot at holde fakkelen til siden af ​​bogen og skinne den på tværs af hver side separat.

I lysarkmikroskopi, et tyndt stykke lys sendes ind i siden af ​​prøven, som skærer på tværs af den del, du vil se på. Denne måde, fluorescens genereres stadig i interesseplanet, men ikke andre steder, og slutresultatet er skarpt, klart billede. Ved at gøre lysarket tyndere, mindre genstande bliver synlige.

Den virkelige udfordring er at lave et supertyndt lysark, der skærer på tværs af en hel prøve. På trods af den innovative billeddannelsesmetode, lyset er stadig underlagt optikreglerne. En standard laserstråle - kendt som en gaussisk stråle - er begrænset af divergens.

Hvis du fokuserer en gaussisk stråle ned til et punkt, det vil afvige og udvide bagefter. Hvis du fokuserer det mere stramt, det vil ekspandere hurtigere. Dette begrænser længden af ​​supertynde lysark, og den kan derfor ikke bruges til billeddannelse af store objekter.

Forskere begyndte at undersøge brugen af ​​eksotiske bjælker med usædvanlige egenskaber til at skabe lysark i 2010. Disse stråler snyder divergens og ændrer ikke deres form eller størrelse, når de rejser, og kan derfor forblive tynde over meget større afstande end en standard gaussisk stråle, giver et mikroskop med høj opløsning og et stort billeddannelsesområde.

Eksotiske bjælker til sejren

Besselbjælker og luftige bjælker, der siges at give en "triple-win" til mikroskopi, er de mest bemærkelsesværdige af eksotiske bjælker til at bøje reglerne.

Disse eksotiske stråler muliggør ikke kun større opløsning over et stort billeddannelsesområde, men de spreder også deres energi og beskytter derved prøven mod intens laserstråling. De modstår også spredning og bliver derfor ikke forvrænget, hvilket resulterer i lysark og billeder af høj kvalitet.

For nylig, vi har taget yderligere kontrol over formen på disse specielle bjælker, ved hjælp af stråler og lysark, der kan vokse i intensitet og blive lysere, når de rejser. Brug af lysark, der bliver lysere, betyder, at vi får mere signal fra dybt inde i prøver, hvor absorption normalt ville få lysarket og billedet til at blive støjende og meget svagere.

Teknikken er afhængig af at kontrollere måden, hvorpå energi spredes ud i prøven. Den naive måde at få mere signal fra dybere områder af en prøve ville være at skrue op for laserkraften, hvilket kan forårsage meget skade på overfladen af ​​prøven. Ved selektivt at koncentrere mere energi kun i de dybe lag, vi kan øge signalet på en måde, der ikke bør skade prøven.

Vores forskning har vist, at denne formede lysmetode er til gavn for billeddannelse i lysark, men vi forventer også, at det kan skubbe grænserne for en række andre optiske billeddannelsesteknikker såsom optisk kohærens tomografi - en slags "optisk ultralyd" billeddannelsesmetode, der finder masser af kliniske anvendelser, herunder nethinden.

Det er en spændende tid at arbejde med sådanne eksotiske bjælker.

Denne artikel blev oprindeligt offentliggjort på The Conversation. Læs den originale artikel.