Новый метод визуализации позволяет отказаться от дорогих ультрабыстрых лазеров

Исследователи из UNIST разработали инновационную нелинейную методику визуализации, которая позволяет получать 3D-изображения внутренних биологических тканей с помощью обычных источников света (например, лазерных указок), а не дорогостоящих ультракоротких импульсных лазеров.

Команда под руководством профессоров Чжун-Хуна Парка и Джинмён Джу использовала специальные наночастицы для создания технологии нелинейной флуоресцентной микроскопии, работающей исключительно на непрерывных (CW) лазерах.

Этот прорыв обеспечивает разрешение и глубину проникновения в ткани, сопоставимые с традиционными системами на фемтосекундных лазерах, и также может применяться для точной фотодинамической терапии, избирательно воздействующей на поражения без повреждения окружающих тканей. Работа опубликована в Advanced Materials.

Биологические ткани сильно рассеивают свет, что затрудняет чёткую визуализацию. Методы вроде многофотонной микроскопии фокусируются на индукции флуоресценции только вблизи фокальной точки, отфильтровывая фоновый шум от рассеяния.

Однако многофотонная микроскопия требует фемтосекундных импульсных лазеров для создания высокой плотности фотонов, необходимой для одновременного многофотонного поглощения, что ограничивает доступность технологии из-за высокой стоимости.

Исследователи обошли это ограничение, используя апконвертирующие наночастицы (UCNPs). При инъекции в ткани эти нанокристаллы поглощают фотоны от простого CW-лазера и излучают свет в ультрафиолетовом (UV), синем или ближнем инфракрасном диапазонах.

Благодаря их нелинейным оптическим свойствам (интенсивность излучения зависит от квадрата или куба интенсивности возбуждающего света) значительная флуоресценция возникает только в областях с высокой концентрацией света, например, в фокальной точке.

Используя этот подход, команда успешно получила высококачественные 3D-изображения церебральных кровеносных сосудов у живых мышей на глубине около 800 микрометров — примерно в шесть раз глубже, чем при традиционной конфокальной микроскопии, и сопоставимо с многофотонной микроскопией. Система также позволила визуализировать кровоток в реальном времени со скоростью 30 кадров в секунду на широком поле зрения, демонстрируя потенциал для быстрых исследований сосудов in vivo.

Помимо визуализации, эта технология позволяет осуществлять глубинно-селективную трёхмерную фотомодуляцию внутри мутных сред. Используя локализованную флуоресценцию, генерируемую только в фокусе, можно активировать фотосенсибилизирующие агенты точно в целевых участках, минимизируя повреждение окружающих тканей. Команда продемонстрировала эту возможность, селективно активируя UV-чувствительные материалы на определённой глубине в ткани с помощью UV-света от UCNPs.

Это достижение предлагает экономичную альтернативу традиционным дорогостоящим микроскопам, обеспечивая высококачественную визуализацию глубоких тканей и точную фототерапию без необходимости в фемтосекундных лазерах. В сочетании с существующим диагностическим оборудованием, таким как MRI, эта технология может значительно улучшить возможности мониторинга церебрального кровотока, метаболических реакций и других физиологических процессов в клинической практике.