Neinvazivní zobrazovací metoda proniká hlouběji do živé tkáně

Metabolické zobrazování je neinvazivní metoda, která umožňuje lékařům a vědcům studovat živé buňky pomocí laserového světla. To jim pomáhá posoudit progresi onemocnění a reakce na léčbu.

Avšak světlo se rozptyluje, když prochází biologickou tkání, čímž se omezuje hloubka, do které může proniknout, a snižuje se rozlišení zachycených obrazů.

Výzkumníci z MIT nyní vyvinuli novou techniku, která více než zdvojnásobuje obvyklý hloubkový limit metabolického zobrazování. Jejich metoda také zvyšuje rychlost zobrazování, čímž poskytuje bohatší a detailnější obrazy.

Tato nová technika nevyžaduje předběžnou úpravu tkáně, například řezání nebo barvení barvivy. Místo toho specializovaný laser osvětluje hluboko do tkáně, což způsobuje, že určité vnitřní molekuly v buňkách a tkáních emitují světlo. To eliminuje potřebu měnit tkáň, čímž poskytuje přirozenější a přesnější reprezentaci její struktury a funkce.

Větší hloubka průniku, vyšší rychlost a vyšší rozlišení činí tuto metodu zvláště vhodnou pro náročné zobrazovací aplikace, jako je výzkum rakoviny, tkáňové inženýrství, objevování léčiv a studium imunitních reakcí.

„Tato práce ukazuje významné zlepšení v hloubce průniku pro bezznačkové metabolické zobrazování. Otevírá nové cesty pro studium a zkoumání metabolické dynamiky hluboko v živých biosystémech,“ říká Sixian You, docentka na katedře elektrotechniky a informatiky (EECS), členka Výzkumné laboratoře pro elektroniku a hlavní autorka článku o této zobrazovací technice.

Na článku se podílela také hlavní autorka Kunzan Liu, postgraduální studentka EECS; Tong Qiu, postdoktorand MIT; Honghao Cao, postgraduální student EECS; Fan Wang, profesorka neurověd a kognitivních věd; Roger Kamm, profesor biologie a strojírenství; Linda Griffith, profesorka výuky inovací na katedře biologického inženýrství; a další kolegové z MIT. Výzkum vyšel dnes v časopise Science Advances.

Laserové zaměření

Tato nová metoda spadá do kategorie bezznačkového zobrazování, což znamená, že tkáň není předem barvena. Barvení vytváří kontrast, který pomáhá klinickému biologovi lépe vidět buněčná jádra a proteiny. Barvení však obvykle vyžaduje, aby biolog vzorek rozřezal a nakrájel, což často tkáň zabije a znemožní studium dynamických procesů v živých buňkách.

V bezznačkových zobrazovacích technikách výzkumníci používají lasery k osvětlení specifických molekul v buňkách, což způsobuje, že emitují světlo různých barev, které odhalují různé molekulární obsahy a buněčné struktury. Vytvoření ideálního laserového světla s určitými vlnovými délkami a vysoce kvalitními pulsy pro zobrazování hlubokých tkání však bylo náročné.

Výzkumníci vyvinuli nový přístup k překonání tohoto omezení. Používají multimódové vlákno, typ optického vlákna, které může nést značné množství energie, a spojují ho s kompaktním zařízením zvaným „tvarovač vláken“. Tento tvarovač jim umožňuje přesně modulovat šíření světla adaptivní změnou tvaru vlákna. Ohýbáním vlákna se mění barva a intenzita laseru.

Na základě předchozí práce výzkumníci upravili první verzi tvarovače vláken pro hlubší multimodální metabolické zobrazování.

„Chceme nasměrovat veškerou tuto energii do barev, které potřebujeme, s vlastnostmi pulzů, které požadujeme. To nám dává vyšší účinnost generování a jasnější obraz, dokonce i hluboko v tkáních,“ říká Cao.

Jakmile vytvořili řídicí mechanismus, vyvinuli zobrazovací platformu, která využívá výkonný laserový zdroj k generování světel delších vlnových délek, které jsou zásadní pro hlubší pronikání do biologických tkání.

„Věříme, že tato technologie má potenciál významně posunout biologický výzkum. Tím, že ji učiníme dostupnou a cenově dostupnou pro biologické laboratoře, doufáme, že vědcům poskytneme silný nástroj pro objevování,“ říká Liu.

Dynamické aplikace

Když výzkumníci otestovali své zobrazovací zařízení, světlo dokázalo proniknout do biologického vzorku více než 700 mikrometrů, zatímco nejlepší předchozí techniky dosahovaly pouze asi 200 mikrometrů.

„S tímto novým typem hlubokého zobrazování se chceme podívat na biologické vzorky a vidět něco, co jsme ještě nikdy neviděli,“ dodává Liu.

Technika hlubokého zobrazování jim umožnila vidět buňky na několika úrovních v živém systému, což by mohlo pomoci výzkumníkům studovat metabolické změny, ke kterým dochází v různých hloubkách. Rychlejší rychlost zobrazování jim navíc umožňuje shromažďovat detailnější informace o tom, jak metabolismus buňky ovlivňuje rychlost a směr jejích pohybů.

Tato nová zobrazovací metoda by mohla posílit studium organoidů, které jsou inženýrsky upravené buňky, které mohou růst a napodobovat strukturu a funkci orgánů. Výzkumníci v laboratořích Kamm a Griffith jsou průkopníky ve vývoji mozkových a endometriálních organoidů, které mohou růst jako orgány pro hodnocení nemocí a léčby.

Přesné pozorování vnitřního vývoje bez řezání nebo barvení tkáně, které vzorek usmrtí, však bylo náročné.

Tato nová zobrazovací technika umožňuje výzkumníkům neinvazivně sledovat metabolické stavy uvnitř živého organoidu, zatímco pokračuje v růstu.

S ohledem na tyto a další biomedicínské aplikace plánují výzkumníci usilovat o ještě vyšší rozlišení obrazů. Současně pracují na vytvoření nízkohlučných laserových zdrojů, které by umožnily hlubší zobrazování s menším dávkováním světla.

Vyvíjejí také algoritmy, které reagují na obrazy a rekonstruují úplné 3D struktury biologických vzorků ve vysokém rozlišení.

Dlouhodobě doufají, že tuto techniku uplatní v reálném světě, aby pomohli biologům sledovat odpověď na léky v reálném čase a pomohli při vývoji nových léků.

„Tím, že umožníme multimodální metabolické zobrazování, které zasahuje hlouběji do tkání, poskytujeme vědcům bezprecedentní schopnost pozorovat neprůhledné biologické systémy v jejich přirozeném stavu. Jsme nadšení, že budeme spolupracovat s klinickými lékaři, biology a bioinženýry, abychom posunuli hranice této technologie a proměnili tyto poznatky ve skutečné lékařské průlomy,“ říká You.

„Tato práce je vzrušující, protože používá inovativní metody zpětné vazby k zobrazování metabolismu buněk hlouběji v tkáních ve srovnání s aktuálními technikami. Tyto technologie také poskytují vysoké rychlosti zobrazování, které byly použity k odhalení jedinečné metabolické dynamiky motility imunitních buněk v krevních cévách. Očekávám, že tyto zobrazovací nástroje budou nezbytné pro objevování souvislostí mezi funkcí buněk a metabolismem v dynamických živých systémech,“ říká Melissa Skala, výzkumnice v Morgridge Institute for Research, která se na této práci nepodílela.

„Schopnost získávat snímky s vysokým rozlišením s více fotony spoléhající se na kontrast autofluorescence NAD(P)H rychleji a hlouběji do tkání otevírá dveře ke studiu širokého spektra důležitých problémů,“ dodává Irene Georgakoudi, profesorka biomedicínského inženýrství na Tufts University, která se také na této práci nepodílela. „Zobrazování živých tkání co nejrychleji, kdykoli posuzujeme metabolickou funkci, je vždy obrovskou výhodou, pokud jde o zajištění fyziologické relevance dat, odběr smysluplného objemu tkáně nebo sledování rychlých změn. Pro aplikace v diagnostice rakoviny nebo v neurovědě nám zobrazování hlouběji – a rychleji – umožňuje zvážit bohatší soubor problémů a interakcí, které nebyly v živých tkáních studovány dříve.“

Tento výzkum je částečně financován ze startovních fondů MIT, ceny U.S. National Science Foundation CAREER Award, stipendia MIT Irwin Jacobs and Joan Klein Presidential Fellowship a stipendia MIT Kailath Fellowship.