Lasere sigter mod at erstatte skalpeller i banebrydende biopsiteknik

Til en patient, analysen af ​​en vævsbiopsiprøve for at kontrollere for noget som kræft kan virke som en relativt simpel proces, selvom det betyder at opgive et lille stykke kød, der skal testes. Prøven går til et laboratorium, patienten tager hjem, og om flere dage ringer lægen med resultaterne.

I virkeligheden, der går en del arbejde med at forberede en vævsprøve og evaluere den for tegn på sygdom. For at blive set under et mikroskop, prøven skal skæres i ekstremt tynde skiver, der måske kun er få celler tykke. Og for at hjælpe med visning, teknikeren kan anvende en række farvestoffer til at mærke specifikke proteiner eller cellestrukturer.

"Omfattende behandling af prøven er påkrævet, "siger Lihong Wang, Caltechs Bren professor i medicinsk teknik og elektroteknik i afdelingen for teknik og anvendt videnskab. "Du kan kun mærke så mange molekyler ad gangen, og du skal vaske mellem mærkningerne. Og nogle molekyler absorberer ikke farvestoffer og bliver slet ikke mærket. "

En ny teknik, der udvikles i Wangs laboratorium, har til formål at gøre denne proces meget enklere og mindre invasiv. I stedet for at bruge farvestoffer, teknikken anvender pulser af laserlys til at forestille en prøve.

Denne nye tilgang, kaldet ultraviolet lokaliseret mid-infrarød fotoakustisk mikroskopi, eller ULM-PAM, udvikler billeder af de mikroskopiske strukturer, der findes i et stykke væv, ved at bombardere prøven med både infrarødt og ultraviolet laserlys.

En prøve, der skal afbildes, rammes først med en puls af ultraviolet laserlys. Dette lys får molekylerne inde i prøven til at vibrere. Sensorer placeret mod prøven opfanger disse vibrationssignaler og sender dem videre til en computer, der behandler dem.

I det næste trin, prøven rammes med en puls af infrarødt laserlys. Denne puls opvarmer prøven lidt, men ikke jævnt. Nogle materialer i prøven, som proteiner eller DNA, vil varme mere op end andre, fordi de absorberer mere energi fra laseren.

Umiddelbart efter varmepulsen, prøven bliver igen ramt med en puls af ultraviolet laserlys. Ligesom før, UV -lyset får molekyler inde i prøven til at vibrere, og disse signaler sendes videre til computeren. Ved at sammenligne signalerne fra prøver før og efter at de er opvarmet, computeren skaber et billede, hvor strukturer kan identificeres ved deres varmesignaturer. Da kræftceller udtrykker proteiner og DNA anderledes end raske celler, de kan differentieres på denne måde.

For bedre at forstå, hvordan det fungerer, forestil dig, hvis du fik to ark papir - et hvidt og et sort - og blev bedt om at afgøre, hvilket der var, uden at se på dem.

En måde at gøre det på er at sætte begge ark papir i solen, vent et par minutter, og derefter tage deres temperatur. Fordi sorte genstande absorberer mere lys end hvide genstande, det sorte ark ville blive varmere end det hvide. Sollyset i dette eksempel er analogt med den infrarøde laser, der bruges i ULM-PAM-teknikken, og termometeret er analogt med UV -laseren.

Junhui Shi, en postdoktor i medicinsk teknik i Wangs laboratorium, ledet den toårige indsats for at udvikle ULM-PAM og siger, at projektet stod over for nogle betydelige forhindringer.

"Fordi ultraviolet lys og infrarødt har forskellige egenskaber, vi måtte finde specielle spejle og glas, der kunne fokusere begge dele, "siger han." Og fordi der ikke findes noget kamera, der kan se begge dele, vi var nødt til at udvikle måder at se, om de var korrekt fokuseret. "

Selvom Wang og Shi har vist, at ULM-PAM virker, deres teknik forbliver på proof-of-concept-stadiet. Det tager stadig for lang tid at være nyttig i kliniske omgivelser - selvom opgradering af laserne muliggør hurtigere scanninger af vævsprøver, de siger.

Et langsigtet mål er at udvikle teknologien til noget, der kan bruges på væv, mens de stadig er i en patients krop, Siger Wang.

"Jeg vil flytte dette til in vivo. Jeg vil bruge dette til at forestille kræftceller under operationen, "siger han." Det ville være drømmen. "

Papiret, der beskriver teknikken, med titlen "Høj opløsning, højkontrast mellem-infrarød billeddannelse af friske biologiske prøver med ultraviolet lokaliseret fotoakustisk mikroskopi, "vises i udgaven af ​​13. maj af Natur fotonik .