Optische Streuung ist ein echtes Problem für die biologische Bildgebung. Da verhindert wird, dass Licht tief in biologisches Gewebe fokussiert wird, begrenzen Streueffekte die Bildtiefe auf etwa 100 Mikrometer und erzeugen darüber hinaus nur unscharfe Bilder. Eine neue Technik namens ultraschallinduzierte optische Clearing-Mikroskopie könnte diesen Abstand dank des etwas kontraintuitiven Schritts, eine Schicht aus Gasblasen in den abzubildenden Bereich einzufügen, um mehr als das Sechsfache vergrößern. Durch das Hinzufügen dieser Blasenschicht wird sichergestellt, dass die Photonen bei ihrer Ausbreitung durch die Probe nicht abgelenkt werden.
Optische Streuung tritt auf, wenn Licht mit Strukturen interagiert, die kleiner als seine Wellenlänge sind. Das einfallende Licht stört Elektronen in der Struktur und bildet oszillierende Dipolmomente, die das Licht in viele verschiedene Richtungen abstrahlen.
„Techniken wie die konfokale Mikroskopie werden in der biowissenschaftlichen Forschung wie Krebs und der Bildgebung von Gehirngewebe häufig eingesetzt, sind jedoch aufgrund dieses Problems begrenzt“, erklärt Jin Ho Chang im DGIST (Daegu Gyeongbuk Institut für Wissenschaft und Technologie) in Korea. „Die Einschränkung der Abbildungstiefe ist hauptsächlich darauf zurückzuführen, dass einfallende Photonen aufgrund optischer Streuung stark von ihrer ursprünglichen Ausbreitungsrichtung abgelenkt werden. Tatsächlich nimmt die Anzahl der nicht gestreuten Photonen exponentiell mit der von den Photonen zurückgelegten Distanz ab, sodass das Licht nach einer Tiefe von etwa 100 Mikrometern nicht mehr eng fokussiert werden kann.“
Obwohl Forscher verschiedene Arten von Techniken zur Formung der Lichtwellenfront entwickelt haben, um dieser Einschränkung zu begegnen, kann keines davon zur Aufnahme dreidimensionaler Bilder verwendet werden. Auch diese anderen Techniken erfordern leistungsstarke optische Module und hochentwickelte Optiksysteme.
Keine optische Streuung in der Blasenwolke
In der neuesten Arbeit entwickelten Chang und Kollegen einen neuen Ansatz, bei dem sie hochintensiven Ultraschall verwenden, um Gasblasen im Gewebevolumen vor der Bildebene zu erzeugen. Um zu verhindern, dass die Blasen kollabieren und möglicherweise das Gewebe schädigen, sendeten die Forscher während des Bildgebungsprozesses mit dem Laser-Scanning-Mikroskop kontinuierlich Ultraschall geringer Intensität aus und sorgten so für einen kontinuierlichen Fluss von Blasen. Sie fanden heraus, dass Photonen des Bildlasers kaum optische Streuung innerhalb des Gasblasenbereichs (der sogenannten „Blasenwolke“) erfahren, wenn die Konzentration der Gasblasen im Volumen mehr als 90 % beträgt. Denn die temporär entstehenden Gasblasen reduzieren die optische Streuung in die gleiche Richtung wie die Ausbreitung des einfallenden Lichts und erhöhen so dessen Eindringtiefe.
„Dadurch kann der Laser eng auf die Abbildungsebene fokussiert werden, über die hinaus mit der herkömmlichen Laser-Scanning-Mikroskopie keine scharfen Bilder erzielt werden können“, erklärt Chang Physik-Welt. „Dieses Phänomen ähnelt der optischen Reinigung auf Basis chemischer Wirkstoffe, daher haben wir unseren Ansatz Ultraschall-induzierte optische Clearing-Mikroskopie (US-OCM) genannt.“
Im Gegensatz zu herkömmlichen optischen Clearing-Methoden kann UC-OCM die optische Clearing im interessierenden Bereich lokalisieren und die ursprünglichen optischen Eigenschaften des Bereichs wiederherstellen, sobald der Blasenfluss abgeschaltet wird. Dies bedeutet, dass die Technik für lebendes Gewebe ungefährlich sein sollte.
Nach Angaben der Forscher, die ihre Arbeit detailliert beschreiben Natur PhotonicsDie Hauptvorteile von US-OCM sind: eine Erhöhung der Abbildungstiefe um mehr als den Faktor sechs bei einer Auflösung, die derjenigen der konventionellen Lasermikroskopie ähnelt; schnelle Bilddatenerfassung und Bildrekonstruktion (für ein Einzelbild mit 125 x 403 Pixeln werden nur 403 Millisekunden benötigt); und einfach zu erhaltende 3D-Bilder.
Und das ist noch nicht alles: Das Team weist darauf hin, dass für die Umsetzung der neuen Methode nur ein relativ einfaches Akustikmodul (ein einzelner Ultraschallwandler und ein Wandlerantriebssystem) zu einem herkömmlichen Laser-Scanning-Mikroskopie-Aufbau hinzugefügt werden muss. Die Technik könnte auch auf andere Laser-Scanning-Mikroskopietechniken wie Multiphotonen- und photoakustische Mikroskopie ausgeweitet werden.
Ultraschall und Licht einfach kombinierbar
„Ich persönlich glaube, dass die Entwicklung der Hybridtechnologie eine der neuen Forschungsrichtungen ist und Ultraschall und Licht relativ einfach zu kombinieren sind, um ihre Vorteile zu maximieren und gleichzeitig die Nachteile des anderen zu ergänzen“, sagt Chang. „Forscher, die auf dem Gebiet des Ultraschalls arbeiten, wissen seit langem, dass starker Ultraschall Gasblasen in biologischem Gewebe erzeugen kann und dass diese vollständig verschwinden können, ohne das Gewebe zu schädigen.“
Die Kerker-Streuung lokalisiert Teilchen mit subatomarer Präzision
Die Idee für das Experiment entstand bei Gesprächen mit Teammitglied Jae Youn Hwang, einem Optikspezialisten am DGIST. Der Gedanke war, dass durch Ultraschall erzeugte Gasblasen als optisches Klärmittel verwendet werden könnten, wenn sie auf irgendeine Weise dicht gepackte Blasen im interessierenden Bereich erzeugen könnten. „Konventionelle optische Reinigung beruht auf der Tatsache, dass die optische Streuung minimal ist, wenn die Brechungsindizes der Lichtstreuer im Gewebe einander ähnlich sind“, erklärt Chang. „Chemische Wirkstoffe werden eingesetzt, um den hohen Brechungsindex der Streuer so zu reduzieren, dass er sich dem des Gewebes selbst annähert.“
Nach Angaben des DGIST-Teams könnte die Technik in Kombination mit der Endoskoptechnologie für die hochauflösende Bildgebung von Gehirngewebe, die Frühdiagnose der Alzheimer-Krankheit und die präzise Diagnose von Krebsgewebe eingesetzt werden. „Ich glaube auch, dass das Grundkonzept dieser Studie auf optische Therapien wie photothermische und photodynamische Therapien angewendet werden kann, um deren Wirksamkeit zu verbessern, da diese auch unter einer begrenzten Lichtdurchdringung leiden“, sagt Chang.
