Ikke-invasiv, etiketfri optisk metode visualiserer dybe, cellulær hjernesygdom in vivo

Brug af nær-infrarødt lys med lang bølgelængde, forskere ved UC Davis udviklede en etiketfri mikroskopitilgang, der opnår en unik kombination af dyb, høj opløsning, og minimalt invasiv hjernebilleddannelse. Teknikken afbilder neuroner og aksonal myelinisering på tværs af musens neocortex og nogle sub-kortikale regioner, gennem det fortyndede kranium. Nu kan undersøgelser af hjernesygdomme udføres dybt i musehjernen gennem et minimalt invasivt og simpelt kirurgisk præparat.

Sygdomme i centralnervesystemet (CNS), såsom Alzheimers sygdom (AD), manifesterer sig tidligt på mikroskopisk (dvs. cellulært) niveau, dybt i hjernen. Endnu, optiske mikroskoper, der kan se celler i den levende hjerne, er overfladiske eller invasive. Helhjernebilleddannelsesteknikker såsom magnetisk resonansbilleddannelse er dybe og ikke-invasive, men mangler cellulær opløsning.

I et nyt blad udgivet i Lysvidenskab og anvendelse , et hold af videnskabsmænd, ledet af professor Vivek J. Srinivasan fra afdelingerne for oftalmologi og radiologi og Tech4Health Institute, NYU Langone Health, USA, og kolleger har udviklet en etiketfri optisk mikroskopi-tilgang, der har en unik evne til at afbilde dybt, med høj opløsning og minimal invasivitet. Specifikt, de demonstrerede en in vivo høj numerisk apertur optisk kohærensmikroskopi (OCM) tilgang, der udnytter 1700 nm vandabsorptionsvinduet, hvor dæmpning af lys ved spredning og absorption minimeres.

1700 nm vandabsorptionsvinduet, også kendt som det tredje nær-infrarøde (NIR) vindue, kan prale af et lokalt vandabsorptionsminimum og relativt lav spredning. I OCM, et bredere spektrum giver en finere aksial opløsning, og med det, en stærkere evne til at afvise multipliceret spredt lys, der forårsager billedsløring. Men hele 1700 nm vinduet, som spænder fra 1560 til 1820 nm, bruges ofte ikke:

"Overgangen fra standardbølgelængder til 1700 nm OCM, mens du udnytter hele vandabsorptionsvinduet optimalt (ikke kun en del af vinduet), har været meget vanskelig til dato på grund af de mange optiske tekniske udfordringer, " nævnte forskerne.

Disse udfordringer omfatter støjende detektorer og lyskilder, alvorlig kromatisk spredning, og mangel på standardiserede optiske komponenter. Forskerne behandlede disse problemer gennem valget af en støjsvag superkontinuum lyskilde, en tilpasset numerisk spredningskompensationsmetode, og optisk systemdesign. Med disse tekniske fremskridt, neuronal celle og myelin arkitektur over hele dybden af ​​musens neocortex, og nogle sub-kortikale regioner, kan afbildes gennem et fortyndet kraniepræparat, der bevarer intrakranielt rum.

"Resultaterne repræsenterer hidtil usete dybder for billeddannelse af hjernen i cellulær skala gennem et minimalt invasivt præparat. Vi undersøgte derefter 5xFAD-musemodellen for Alzheimers sygdom (AD), som forventes at vise en graduering af patologi med kortikal dybde. Billeddannelsesresultaterne bekræftede forekomsten af ​​alvorlig patologi i dyb, men ikke overfladisk cortex, som ville blive savnet af mere overfladiske billedbehandlingsteknikker."

Et andet vigtigt træk ved metoden er, at billedkontrasten opstår fra iboende egenskaber ved selve hjernen. OCM kræver ikke transgene mus eller administration af forbindelser. Tab af nerveceller, demyelinisering af axoner, plaketter, og lokale vævsforandringer kan alle afbildes.

"Nu kan sygdom visualiseres dybt i musehjernen med et simpelt kirurgisk præparat, uden eksogen mærkning. Det 1700 nm optiske vindue kan også kvantificere vævsvand og lipidindhold in vivo, som kan give yderligere indsigt i sygdomsprogression, ", forudser forskerne.