Учёные создали метод 3D-картирования температуры внутри живой ткани с помощью света и ИИ

Исследователи из Университета Ка-Фоскари (Венеция) и Автономного университета Мадрида разработали прорывную технику для трёхмерного картирования температуры внутри биологических тканей с использованием невидимого света и искусственного интеллекта.

Метод, опубликованный в Nature Communications, может изменить подход к мониторингу температуры внутри человеческого тела, потенциально улучшив раннее выявление заболеваний и контроль лечения без дорогих или инвазивных технологий визуализации.

«Мы превращаем оптические искажения, обычно считающиеся проблемой, в источник информации, — говорит Риккардо Марин, один из ведущих авторов исследования. — С помощью этого метода мы можем определить, насколько горяча ткань и как глубоко она находится под поверхностью».

В основе метода лежат люминесцентные нанотермометры — ультрамалые частицы сульфида серебра (Ag₂S), которые светятся в ближнем инфракрасном диапазоне при стимуляции светом. Цвет и интенсивность этого свечения зависят как от температуры частицы, так и от количества биологической ткани, через которую должен пройти свет.

Для расшифровки этих тонких спектральных сдвигов команда обучила двухслойную нейронную сеть на сотнях гиперспектральных изображений, собранных в различных условиях. В результате была создана модель, способная восстанавливать точные трёхмерные тепловые карты ткани даже в биологически сложных сценариях.

Эксперименты по доказательству концепции продемонстрировали способность системы обнаруживать температурные градиенты как в искусственных тканевых фантомах, так и в реальных биологических образцах. Исследователям также удалось картировать кровеносные сосуды у живого животного, что стало первым случаем удалённого высокоразрешающего 3D-тепловидения с использованием только света.

В то время как традиционные методы, такие как фМРТ или ПЭТ-сканирование, требуют дорогостоящего оборудования и специальной подготовки, этот новый оптический метод портативен, безопаснее и значительно дешевле, что потенциально позволяет проводить диагностику даже вне больничных условий.

Помимо измерения температуры, те же принципы можно адаптировать для измерения других жизненно важных параметров, таких как концентрация кислорода и pH, путём настройки оптических свойств наночастиц.

«Мы считаем, что это только начало, — добавляет Эрвин Шимендес, доцент Автономного университета Мадрида. — Машинное обучение предлагает мощный инструмент для навигации в сложности реальных биологических систем — далеко за пределами возможностей традиционных моделей».

Взгляд в будущее: исследование внутренней жизни клетки

Эта публикация закладывает основу для нового пятилетнего проекта под руководством Марина, который недавно получил грант в размере 1,5 млн евро на развитие технологий люминесцентного нанозондирования. Его проект MAtCHLESS будет разрабатывать сенсоры и системы визуализации следующего поколения для мониторинга ключевых внутриклеточных параметров, таких как температура, pH и кислород, с беспрецедентной скоростью и разрешением.

Проект, выполняемый в Университете Ка-Фоскари в тесном сотрудничестве с коллегами из Мадрида, будет изучать функции как клеток млекопитающих, так и экстремофильных микробов — микроорганизмов, способных выдерживать экстремальные условия. Он направлен на достижение прорывов в медицинской диагностике, биотехнологии и даже астробиологии, углубляя наше понимание жизни в экстремальных условиях на Земле и, возможно, за её пределами.