Микропузырьки фокусируют лазерные лучи внутри тела

  1. Разорвано с помощью ультразвука
  2. [Микропузырьки позволяют ультразвуку «видеть» опухолевые клетки]
  3. Зонд глубоких областей мозга
  4. [Можем ли мы мгновенно идентифицировать патогены по их свету?]

Ученые тестируют новый метод, который использует крошечные пузырьки внутри тела для фокусировки лазерных лучей, функционируя как дорожная карта для света.

Основная проблема с фокусировкой света внутри тела заключается в том, что биологическая ткань оптически непрозрачна. В отличие от прозрачного стекла клетки и белки, из которых состоит ткань, рассеиваются и поглощают свет.

«Наши ткани ведут себя очень похоже на густой туман в отношении света», - говорит Чанхуэй Янг, профессор электротехники, биоинженерии и медицинской инженерии в Калифорнийском технологическом институте (Caltech). «Так же, как мы не можем сфокусировать фару автомобиля сквозь туман, ученым всегда было трудно фокусировать свет через ткани».

Ученые тестируют новый метод, который использует крошечные пузырьки внутри тела для фокусировки лазерных лучей, функционируя как дорожная карта для света

Микропузырьки под оптическим микроскопом. Медицинские газовые микросферы, инкапсулированные в альбумин, получают с помощью микроскопа 20Х. (Фото: Хауэн Руан, Мусок Джанг и Чанхуэй Ян / Калтех)

Чтобы обойти эту проблему, Ян и его команда обратились к микропузырькам, обычно используемым в медицине для усиления контраста в ультразвуковой визуализации.

Заполненные газом микропузырьки заключены в тонкие белковые оболочки и имеют показатель акустической рефракции - свойство, которое влияет на то, как звуковые волны распространяются в среде, отличной от живой ткани. В результате они по-разному реагируют на звуковые волны.

«Вы можете использовать ультразвук для быстрого сокращения и расширения микропузырьков, и эта вибрация помогает отличать их от окружающих тканей, потому что заставляет их отражать звуковые волны более эффективно, чем биологические ткани», - говорит Хаовен Руан, доктор наук в лаборатории Янга.

Кроме того, оптический показатель преломления микропузырьков не такой, как у биологической ткани. Оптический показатель преломления является мерой того, сколько световых лучей изгибается при переходе из одной среды (например, жидкости) в другую (газ).

Разорвано с помощью ультразвука

Ян, Руан и аспирант Мусок Джанг разработали новую технику, называемую оптической фокусировкой с ультразвуковым кодированием (TRUME) с обращенным временем, которая использует несоответствие между акустическими и оптическими показателями преломления микропузырьков и тканей для фокусировки света внутри тела.

Во-первых, микропузырьки, введенные в ткань, разрываются ультразвуковыми волнами. Измеряя разницу в пропускании света до и после такого события, исследователи Caltech могут изменить волновой фронт лазерного луча так, чтобы он фокусировался на исходных местоположениях микропузырьков.

[Микропузырьки позволяют ультразвуку «видеть» опухолевые клетки]

В результате, объясняет Ян, «вы как будто ищете кого-то в темном поле, и вдруг человек испускает вспышку. На короткое время человек освещается, и вы можете увидеть его местонахождение ».

В новом исследовании в Связи природы Команда показала, что их метод TRUME может быть использован в качестве эффективной «путеводной звезды» для фокусировки лазерных лучей в определенных местах биологической ткани. Одного хорошо расположенного микропузырька было достаточно, чтобы успешно сфокусировать лазер; несколько всплывающих пузырьков, расположенных в непосредственной близости от цели, функционировали как карта для освещения.

«Каждое всплывающее событие служит дорожной картой для скручивания световых траекторий через ткань», - говорит Ян. «Мы можем использовать эту дорожную карту для формирования света таким образом, чтобы он сходился там, где лопаются пузырьки».

Зонд глубоких областей мозга

Если будет показано, что TRUME эффективно работает внутри живой ткани - например, без каких-либо негативных последствий от разрыва микропузырьков - это может обеспечить широкий спектр исследований и медицинских применений. Например, комбинируя микропузырьки с антителом-зондом, разработанным для поиска биомаркеров, связанных с раком, врачи могут нацеливаться, а затем уничтожать опухоли в глубине тела или обнаруживать злокачественные новообразования гораздо раньше.

«Ультразвуковые и рентгенологические методы могут обнаружить рак только после того, как он сформирует массу», - говорит Ян. «Но с помощью оптической фокусировки вы можете поймать раковые клетки, пока они претерпевают биохимические изменения, но до того, как они претерпят морфологические изменения».

[Можем ли мы мгновенно идентифицировать патогены по их свету?]

Методика может заменить другие диагностические методы скрининга. Например, его можно использовать для измерения концентрации белка, называемого билирубином, у детей, чтобы определить риск развития желтухи.

«В настоящее время эта процедура требует забора крови, но с помощью TRUME мы могли бы пролить свет на тело младенца и найти уникальную характеристику поглощения молекулы билирубина», - говорит Руан.

В сочетании с существующими методиками, которые позволяют ученым активировать отдельные нейроны у лабораторных животных с помощью света, TRUME может помочь нейробиологам лучше понять, как работает мозг. «В настоящее время нейробиологи ограничены поверхностными слоями мозга», - говорит Ян. «Но наш метод оптической фокусировки может обеспечить минимально инвазивный способ исследования более глубоких областей мозга».

Национальные Институты Здоровья, Национальная Инициатива Института Здоровья BRAIN и Предложение по совместным исследованиям GIST-Caltech поддержали эту работу.

Источник: Калифорнийский технологический институт

Можем ли мы мгновенно идентифицировать патогены по их свету?