Optisk kraftinduceret selvstyrende lys i humane suspensioner af røde blodlegemer

Nye fotoniske værktøjer til medicinsk billeddannelse kan bruges til at forstå laserlinjens ikke -lineære adfærd i humant blod til teranostiske applikationer. Når lys kommer ind i biologiske væsker, spredes det hurtigt, imidlertid, nogle cellesuspensioner kan få ikke-lineære reaktioner i laserstråler til selvfokus og øge lysets indtrængning til biomedicinske anvendelser som en kvantificerbar markør for sygdom. I en nylig undersøgelse nu offentliggjort i Lys:Videnskab og applikationer , Rekha Gautam og hendes kolleger ved San Francisco State University og et internationalt team af kolleger viste, at en laserstråle, der skinner gennem suspensioner af røde blodlegemer, kan blive "selvfanget". Processen reducerede lysspredning for at bevare strømmen af ​​laserlysstrålen i de biologiske prøver.

Den observerede ikke -linearitet afhængede af osmotiske tilstande og alderen på prøverne. Forskerne foreslår at bruge teknikken til at diagnosticere seglcelleanæmi eller malaria; sygdomme, der påvirker størrelse og form af blodlegemer. Osmotiske tilstande spiller en vigtig rolle i egenskaberne af humane røde blodlegemer (RBC'er) afgørende under sygdomsanalyse. Talrige bestræbelser i det sidste årti har fokuseret på undersøgelse af de biomekaniske egenskaber af RBC'er suspenderet i varierende osmotiske løsninger.

I det nuværende arbejde, Gautam et al. bestemt den selvfangende og spredningsresistente ikke-lineære formering af en laserstråle gennem tre forskellige osmotiske opløsninger/betingelser. Resultaterne viste, at styrken af ​​den optiske ikke -linearitet steg med osmotisk tryk på cellerne. Interessant nok, i ældre blodprøver med lyserede celler var den ikke -lineære adfærd især forskellig på grund af tilstedeværelsen af ​​frit hæmoglobin. For at forklare de eksperimentelle observationer, Gautam et al. brugt en teoretisk model med en optisk kraft-medieret ikke-lokal ikke-linearitet. Det nuværende arbejde med let selvstyring gennem spredt blødt biologisk stof kan introducere nye fotoniske værktøjer til ikke-invasiv biomedicinsk billeddannelse og medicinsk diagnose.

Menneskelige RBC'er er skiveformede formbare celler, der har et rumligt ensartet brydningsindeks, da de mangler kerner i modsætning til de fleste organeller, og viser særprægelig deformerbarhed ved passage gennem vener og mikrokapillærer. Formændringen kan foranlediges ved at ændre osmolariteten i den omgivende væskebuffer for at bruge RBC'er som afstembare optofluidiske mikrolinser. De optiske egenskaber for RBC'er er vigtige for in vitro og in vivo sygdomsdiagnostik, hvor brydningsindekset for RBC bestemmes af hæmoglobin (Hb) - den største del af erytrocytens tørindhold i vægt. Som resultat, hvis cellevolumen faldt på grund af varierende osmotiske tilstande, brydningsindekset steg.

Patofysiologiske tilstande såsom seglcelleanæmi, malaria og sepsis er ofte tæt forbundet med de fysiske egenskaber ved RBC'er, deres form og størrelse. De grundlæggende træk ved varierende brydningsindeks og celleformer giver RBC'er mulighed for at reagere på ændringer i forskellige osmotiske miljøer, hvilket gør dem til ideelle kandidater til at studere lysspredning. I det nuværende arbejde, Gautam et al. viste ikke-lineær selvfangst af lys over en centimeters udbredelsesafstand ved spredning af RBC-suspensioner. Da de øgede laserstrålens effekt, de viste strålen dramatisk selvfokus inden for alle tre osmotiske forhold-meget gerne optiske rumlige solitons (ikke-lineære selvfangede bølgepakker). De optiske kræfter, der ændrer sig med celletæthed og morfologi, kan give ikke -invasive værktøjer til at sortere forskellige celler, ifølge et bestemt stadie af en given sygdom.

Forskerne fik blodprøver fra anonyme donorer til eksperimenterne. I det første sæt eksperimenter, de brugte en lineær polariseret laserstråle med kontinuerlig bølge (CW) med en bølgelængde på 532 nm. De fokuserede lyset i en 3 cm lang glaskuvette fyldt med RBC -suspensioner under forskellige osmotiske forhold, som tidligere beskrevet. De overvågede de lineære og ikke -lineære output fra prøven ved hjælp af et CCD -kamera og effektdetektor, og målte strålediametre ved hjælp af Beamview -programmet. Strålen diffrakterede først normalt ved en lav effekt på 10 mW og oplevede derefter stærk spredning på grund af tilfældig fordeling af ikke-sfærisk formede RBC'er.

Gautam et al. målte derefter normaliseret lasertransmission (output/inputeffekt) som en funktion af inputstrålens effekt. I hypotoniske løsninger, de bemærkede, at RBC'erne var i en "hævet" tilstand, hvor cellernes effektive brydningsindeks faldt, da vand-til-Hb-forholdet steg. I modsætning, i den hypertoniske opløsning, forskerne observerede, at RBC'er skrumpede, og deres effektive indeks steg på grund af reduceret vand-til-Hb-forhold. I en tredje isotonisk løsning, cellerne udviste en "normal" tilstand, hvor RBC'erne viste mellemliggende adfærd. Da forsøgene blev udført ved hjælp af de samme blodprøver to uger senere, forskerne observerede især forskellige resultater, hvor det ikke -lineære fokus dramatisk blev forbedret for den hypertoniske løsning.

I et andet sæt eksperimenter, forskerne brugte et hjemmebygget optisk pincet til at måle den optiske gradientkraft på RBC'er. Gautam et al. opsamlede det fremadspredende lys fra de fangede celler med en kondensatorlinse og fokuserede efterfølgende på en positionsfølsom detektor (PSD). De beregnede stivheden og gradientkraften i de tre separate løsninger. For at forenkle målingerne, Gautam et al. behandlet hypotoniske og hypertoniske RBC'er som skiveformede objekter. De brugte et CCD -kamera til at registrere cellebevægelser fra de tre forskellige løsninger sammen med et mikroskop med to mål, hvor opsætningen blev drevet ved hjælp af en 960 nm laserstråle. Resultaterne illustrerede cellers bevægelse mod brownisk bevægelse under virkningen af ​​optiske kræfter baseret på cellens betingelser (form, størrelse) og deres strålefangstkapacitet. Gautam et al. estimerede fangstkraften ved hjælp af Langevin -ligningen og informerede om, at kraften fulgte en tendens til hypertonisk> isotonisk> hypotoniske tilstande.

Forskerne udviklede derefter en model til simulering af ikke-lineær stråleudbredelse i biologisk blødt stof for at forstå fysikken i optisk kraft-medieret ikke-linearitet. De modellerede tidsudvikling af partikelkoncentrationsfordelingen ved hjælp af en diffusions-advektionsligning og betragtede tilstedeværelsen af ​​en fremadspredende kraft for at skubbe partiklerne langs strålens udbredelsesretning, sammen med den optiske gradientkraft. Gautam et al. beregnet ændringen i strålestørrelse for de forskellige gradient- og spredningskraftparametre for at simulere de ikke-lineære selvfokuserende effekter under forskellige bufferforhold. De registrerede den ændrede størrelse, volumen og brydningsindeks for RBC'er under forskellige osmotiske forhold, der var ansvarlige for den varierende størrelse af optiske kræfter, der modificerede den optiske ikke -linearitet. De simulerede resultater var kvalitativt i overensstemmelse med de eksperimentelle observationer.

På denne måde, Gautam et al. studerede ikke -lineær stråleformering i humane RBC'er suspenderet i tre forskellige bufferopløsninger. De fandt ud af, at RBC'er udviste en stærk selvfokuserende ikke-linearitet, der kunne kontrolleres kemisk baseret på bufferopløsningen. De foreslår derfor at indstille den optiske ikke -linearitet via osmose og øget osmotisk tryk, uden for cellerne i friske blodprøver. Når prøverne blev ældre, frit hæmoglobin fra de lyserede RBC'er spillede en aktiv rolle i den observerede optiske ikke -linearitet og forstærkede det ikke -lineære respons under hypotoniske tilstande.

Ved hjælp af direkte videomikroskopi og optiske pincetmålinger, forskerne viste, at strålefangstkraften var størst for RBC'er under de hypertoniske forhold og svagest for hypotoniske løsninger. Forskerne introducerede en teoretisk model til validering af de observerede eksperimentelle effekter. Arbejdet vil introducere et nyt perspektiv i udviklingen af ​​diagnostiske værktøjer, da resultaterne er meget lovende mod udvikling af laserbehandlingsterapier til blodrelaterede sygdomme.

© 2019 Science X Network