Forbedret 3D kemisk billeddannelse med fasemodulation

Forståelse af komplekse biologiske og biomedicinske systemer er i høj grad hjulpet af 3D-billeddannelse, som giver meget mere detaljeret information end traditionelle todimensionelle metoder. Imidlertid forbliver billeddannelse af levende celler og væv udfordrende på grund af faktorer som begrænset billeddannelseshastighed og betydelig spredning i grumsete miljøer.

I denne sammenhæng er multimodale mikroskopiteknikker bemærkelsesværdige. Specifikt bruger ikke-lineære teknikker som CRS (kohærent Raman-spredning) optisk vibrationsspektroskopi, hvilket giver præcis kemisk billeddannelse i væv og celler på en etiketfri måde.

Desuden kan stimuleret Raman scattering (SRS) mikroskopi, en CRS-metode, nøjagtigt fange billeder af biomolekyler på grund af det lineære forhold mellem stimuleret Raman-intensitet og koncentrationen af ​​målmolekyler. Det gør det med høj følsomhed og uden interferens fra uønskede ikke-resonante baggrunde.

I en nylig undersøgelse offentliggjort i Advanced Photonics , professor Zhiwei Huang, direktør for Optical Bioimaging Laboratory i Institut for Biomedicinsk Teknik ved College of Design and Engineering ved National University of Singapore, arbejdede sammen med sit team for at udvikle en ny teknik kaldet fasemoduleret stimuleret Raman-spredningstomografi (PM- SRST) til mærkefri 3D kemisk billeddannelse af celler og væv.

Ifølge Huang, "Denne metode udviklet af os giver mulighed for direkte erhvervelse af 3D-prøveinformation i det rumlige domæne uden at nødvendiggøre efterbehandlingsprocedurerne. Vi har også demonstreret nytten af ​​PM-SRST-teknikken til at forbedre både den laterale opløsning og billeddannelse. dybde af SRS 3D-billeddannelse af biovæv."

I denne tilgang erstattes den almindelige "pumpe"-stråle i SRS-metoden med en specialiseret stråle kendt som Bessel-strålen. Positionen af ​​en anden stråle, den fokuserede Stokes-stråle, styres ved hjælp af en enhed kaldet en rumlig lysmodulator langs Bessel-pumpestrålen i prøven til mekanisk scanningsfri z-sektionering.

Ved at kombinere Bessel-pumpestrålen med en Stokes-stråle med længere bølgelængde forbedres PM-SRST's evne til at håndtere spredning, hvilket muliggør optagelse af hurtige og detaljerede billeder i dybere vævsområder.

Metodens effektivitet blev bevist gennem eksperimenter, der viste hurtig etiketfri volumetrisk kemisk billeddannelse på tværs af forskellige prøver. Disse omfattede realtidsovervågning af den 3D Brownske bevægelse af polymerperler i vand, observation af diffusions- og optagelsesprocesserne for deuteriumoxid (D₂ O) i planterødder og undersøgelse af brystkræftcellers biokemiske respons på eddikesyre.

Desuden blev lysgennemtrængningsdybden af ​​PM-SRST sammenlignet med den for konventionel SRS-billeddannelse. I PM-SRST er signalet fra dybere vævsområder bemærkelsesværdigt stærkere end i C-SRS, hvilket fører til en ca. to gange forbedring af billeddybden.

Huang bemærker, "Den z-scanningsfrie optiske sektioneringsegenskab i PM-SRST er universel, som let kan udvides til andre billedbehandlingsmodaliteter. For eksempel kan det nuværende system let tilpasses til kohærent anti-Stokes Raman-spredning (CARS) tomografi, og ved at bruge enten pumpen eller Stokes-strålen alene, kan PM-SRST-teknikken forenkles for at lette anden eller tredje harmonisk generations tomografi, multifoton tomografi eller fluorescens tomografi."

PM-SRST-teknikken, der er i stand til hurtig og etiketfri kemisk 3D-billeddannelse, kan bruges til at studere metaboliske aktiviteter og funktionelle dynamiske processer relateret til lægemiddelafgivelse og terapi i levende celler og væv.

Flere oplysninger: Weiqi Wang et al., Stimuleret Raman-spredningstomografi til hurtig tredimensionel kemisk billeddannelse af celler og væv, Avanceret fotonik (2024). DOI:10.1117/1.AP.6.2.026001

Leveret af SPIE