Новый метод неинвазивной визуализации проникает глубже в живые ткани

Метод метаболической визуализации, основанный на лазерном свете, позволяет изучать живые клетки, оценивая развитие болезней и реакцию на лечение. Однако свет рассеивается в биологических тканях, что ограничивает глубину проникновения и снижает чёткость изображений.

Исследователи из MIT разработали технику, которая более чем вдвое увеличивает обычный предел глубины для метаболической визуализации, одновременно повышая скорость съёмки и детализацию изображений. Метод не требует предварительной обработки тканей (нарезки или окрашивания). Вместо этого специализированный лазер вызывает свечение определённых собственных молекул в клетках, обеспечивая более естественное и точное представление о структуре и функции ткани.

Ключевым элементом стал адаптивный лазер, настроенный для глубоких тканей. Используя устройство "формирователь волокна" (fiber shaper), управляемое изгибом, исследователи могут настраивать цвет и импульсы света, чтобы минимизировать рассеивание и максимизировать сигнал по мере углубления в ткань.

Большая глубина проникновения, высокая скорость и разрешение делают метод перспективным для исследований рака, тканевой инженерии, открытия лекарств и изучения иммунных ответов.

"Эта работа демонстрирует значительное улучшение глубины проникновения для бесконтактной метаболической визуализации. Она открывает новые возможности для изучения метаболической динамики глубоко в живых биосистемах", — говорит Сисянь Ю, старший автор статьи в Science Advances.

Техническая основа

Метод относится к бесконтактной визуализации (label-free imaging), где для создания контраста используются не красители, а лазеры, заставляющие определённые молекулы в клетках светиться. Для глубокой визуализации требуется лазерный свет с определёнными длинами волн и высококачественными импульсами, что ранее было сложной задачей.

Исследователи использовали многомодовое оптическое волокно, способное передавать большую мощность, в сочетании с "формирователем волокна". Изгибая волокно, они могут точно модулировать распространение света, адаптивно меняя его цвет и интенсивность.

"Мы хотим направить всю эту энергию в нужные цвета с требуемыми свойствами импульсов. Это даёт нам более высокую эффективность генерации и более чёткое изображение, даже глубоко в тканях", — объясняет Хунхао Цао.

Результаты и применение

При тестировании устройства свет проникал на глубину более 700 микрометров в биологический образец, тогда как лучшие предыдущие техники достигали лишь около 200 микрометров.

Метод позволяет видеть клетки на разных уровнях живой системы и изучать метаболические изменения на различных глубинах. Высокая скорость съёмки даёт подробную информацию о том, как метаболизм клетки влияет на скорость и направление её движения.

Техника особенно полезна для изучения органоидов (инженерных клеток, имитирующих органы), поскольку позволяет неинвазивно отслеживать их метаболическое состояние в процессе роста, не убивая образец.

Планы на будущее

Исследователи планируют:

• Достичь ещё более высокого разрешения изображений.
• Создать лазерные источники с низким уровнем шума для более глубокой визуализации при меньшей дозе света.
• Разработать алгоритмы для реконструкции полных 3D-структур биологических образцов в высоком разрешении.
• В перспективе — применять технику в реальном времени для мониторинга реакции на лекарства и помощи в разработке новых препаратов.

"Мы предоставляем учёным беспрецедентную возможность наблюдать нетранспарентные биологические системы в их естественном состоянии. Мы стремимся сотрудничать с клиницистами, биологами и биоинженерами, чтобы расширить границы этой технологии и превратить эти открытия в реальные медицинские прорывы", — заключает Сисянь Ю.