Verdens første fiberoptiske ultralydsonde til fremtidig sygdomsdiagnostik i nanoskala

Forskere ved University of Nottingham har udviklet et ultralydsbilleddannelsessystem, som kan placeres på spidsen af ​​en hårtynd optisk fiber, og vil kunne indsættes i den menneskelige krop for at visualisere celleabnormiteter i 3D.

Den nye teknologi producerer mikroskopiske og nanoskopiske opløsningsbilleder, der en dag vil hjælpe klinikere med at undersøge celler, der bor i svært tilgængelige dele af kroppen, såsom mave-tarmkanalen, og tilbyde mere effektive diagnoser for sygdomme lige fra mavekræft til bakteriel meningitis.

Det høje ydeevne, som teknologien leverer, er i øjeblikket kun mulige moderne forskningslaboratorier med store, videnskabelige instrumenter – mens dette kompakte system har potentialet til at bringe det ind i kliniske omgivelser for at forbedre patientbehandlingen.

Det Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC)-finansierede innovation reducerer også behovet for konventionelle fluorescerende etiketter - kemikalier, der bruges til at undersøge cellebiologi under et mikroskop - som kan være skadelige for menneskelige celler i store doser.

Resultaterne bliver rapporteret i et nyt papir, med titlen "Phonon-billeddannelse i 3D med en fibersonde, " offentliggjort i Lys:Videnskab og applikationer .

Papirforfatter Salvatore La Cavera, en EPSRC Doctoral Prize Fellow fra University of Nottingham Optics and Photonics Research Group, sagde om ultralydsbilleddannelsessystemet:"Vi tror på dets evne til at måle stivheden af ​​en prøve, dens biokompatibilitet, og dets endoskopiske potentiale, alt imens du får adgang til nanoskalaen, er det, der adskiller det. Disse funktioner sætter teknologien op til fremtidige målinger inde i kroppen; mod det ultimative mål med minimalt invasiv point-of-care diagnostik."

I øjeblikket på prototypestadiet, det ikke-invasive billeddannelsesværktøj, beskrevet af forskerne som en "fononsonde, " er i stand til at blive indsat i et standard optisk endoskop, som er et tyndt rør med et kraftigt lys og kamera for enden, der navigeres ind i kroppen for at finde, analysere, og opererer kræftlæsioner, blandt mange andre sygdomme. Det kan være fordelagtigt at kombinere optiske og fononteknologier; fremskynde den kliniske arbejdsgang og reducere antallet af invasive testprocedurer for patienter.

Muligheder for 3D-kortlægning

Ligesom en læge kan foretage en fysisk undersøgelse for at mærke efter unormal 'stivhed' i væv under huden, der kunne indikere tumorer, phonon-sonden vil tage dette '3D-kortlægning'-koncept til et cellulært niveau.

Ved at scanne ultralydssonden i rummet, den kan gengive et tredimensionelt kort over stivhed og rumlige træk ved mikroskopiske strukturer ved, og nedenfor, overfladen af ​​en prøve (f.eks. væv); det gør det med evnen til at afbilde små objekter som et storskalamikroskop, og kontrasten til at differentiere objekter som en ultralydssonde.

"Teknikker, der er i stand til at måle, om en tumorcelle er stiv, er blevet realiseret med laboratoriemikroskoper, men disse kraftfulde værktøjer er besværlige, ubevægelig, og ikke tilpasses patientvendte kliniske omgivelser. Nanoskala ultralydsteknologi i en endoskopisk kapacitet er klar til at tage det spring, " tilføjer Salvatore La Cavera.

Hvordan det virker

Det nye ultralydsbilleddannelsessystem bruger to lasere, der udsender korte energipulser til at stimulere og detektere vibrationer i en prøve. En af laserimpulserne absorberes af et lag af metal - en nano-transducer (som virker ved at omdanne energi fra en form til en anden) - fremstillet på spidsen af ​​fiberen; en proces, som resulterer i, at højfrekvente fononer (lydpartikler) bliver pumpet ind i prøven. Så støder en anden laserpuls sammen med lydbølgerne, en proces kendt som Brillouin-spredning. Ved at detektere disse "kolliderede" laserimpulser, formen af ​​den vandrende lydbølge kan genskabes og vises visuelt.

Den detekterede lydbølge koder information om stivheden af ​​et materiale, og endda dens geometri. Nottingham-holdet var det første til at demonstrere denne dobbelte kapacitet ved hjælp af pulserende lasere og optiske fibre.

Effekten af ​​en billeddannende enhed måles typisk af det mindste objekt, der kan ses af systemet, dvs. opløsningen. I to dimensioner kan fononsonden "opløse" objekter i størrelsesordenen 1 mikrometer, ligner et mikroskop; men i den tredje dimension (højde) giver den målinger på skalaen af ​​nanometer, hvilket er uden fortilfælde for et fiberoptisk billeddannelsessystem.

Fremtidige ansøgninger

I avisen, forskerne viser, at teknologien er kompatibel med både en enkelt optisk fiber og de 10, 000 til 20, 000 fibre af et billedbundt (1 mm i diameter), som brugt i konventionelle endoskoper.

Følgelig, overlegen rumlig opløsning og brede synsfelter kunne rutinemæssigt opnås ved at indsamle stivhed og rumlig information fra flere forskellige punkter på en prøve, uden at skulle flytte enheden – hvilket bringer en ny klasse af phonon-endoskoper inden for rækkevidde.

Ud over klinisk sundhedspleje, områder som præcisionsfremstilling og metrologi kunne bruge dette højopløsningsværktøj til overfladeinspektioner og materialekarakterisering; en supplerende eller erstatningsmåling for eksisterende videnskabelige instrumenter. Fremvoksende teknologier såsom 3D-bioprint og vævsteknologi kan også bruge phonon-sonden som et inline-inspektionsværktøj ved at integrere den direkte i den ydre diameter af printnålen.

Næste, holdet vil udvikle en række biologiske celle- og vævsbilleddannelsesapplikationer i samarbejde med Nottingham Digestive Diseases Center og Institute of Biophysics, billeddannelse og optisk videnskab ved University of Nottingham; med det formål at skabe et levedygtigt klinisk værktøj i de kommende år.