Optisk spredning er et reelt problem for biologisk avbildning. Ved å forhindre at lys fokuseres dypt inn i biologisk vev, begrenser spredningseffekter bildedybder til rundt 100 mikron, og produserer bare uskarpe bilder utenfor. En ny teknikk kalt ultralydindusert optisk klarningsmikroskopi kan øke denne avstanden med mer enn en faktor på seks, takket være det noe kontraintuitive trinnet med å sette inn et lag med gassformige bobler i området som avbildes. Å legge til dette boblelaget sikrer at fotonene ikke avviker når de forplanter seg gjennom prøven.
Optisk spredning oppstår når lys samhandler med strukturer som er mindre enn bølgelengden. Det innfallende lyset forstyrrer elektroner i strukturen, og danner oscillerende dipolmomenter som sender ut lyset på nytt i mange forskjellige retninger.
"Teknikker som konfokalmikroskopi er mye brukt i biovitenskapelig forskning som kreft og hjernevevsavbildning, men de er begrenset på grunn av dette problemet," forklarer Jin Ho Chang på DGIST (Daegu Gyeongbuk Institute of Science and Technology) i Korea. "Begrensningen av bildedybden skyldes hovedsakelig at innfallende fotoner blir kraftig avbøyd fra deres opprinnelige forplantningsretninger som et resultat av optisk spredning. Faktisk avtar antallet ikke-spredte fotoner eksponentielt med avstanden som fotonene har tilbakelagt, så lys kan ikke fokuseres tett etter en dybde på omtrent 100 mikron."
Mens forskere har utviklet ulike typer lysbølgefrontformende teknikker for å møte denne begrensningen, kan ingen av dem brukes til å ta tredimensjonale bilder. Disse andre teknikkene krever også høyytelses optiske moduler og sofistikerte optikksystemer.
Ingen optisk spredning i bobleskyen
I det siste arbeidet utviklet Chang og kolleger en ny tilnærming der de bruker høyintensitetsultralyd for å generere gassbobler i volumet av vev som ligger foran bildeplanet. For å forhindre at boblene kollapser og muligens skader vevet, overførte forskerne lavintensitets ultralyd kontinuerlig under avbildningsprosessen med lasermikroskop, og opprettholdt en kontinuerlig fluks av bobler hele veien. De fant at når konsentrasjonen av gassbobler i volumet er høyere enn 90 %, opplever fotoner fra bildelaseren knapt noen optisk spredning inne i gassbobleområdet (kalt "bobleskyen"). Dette er fordi de midlertidig opprettede gassboblene reduserer optisk spredning i samme retning som forplantningen av det innfallende lyset, og øker dermed inntrengningsdybden.
"Som et resultat kan laseren være tett fokusert på bildeplanet, utover hvilket konvensjonell laserskanningsmikroskopi ikke kan ta skarpe bilder," forteller Chang. Fysikkens verden. "Dette fenomenet er analogt med optisk clearing basert på kjemiske midler, så vi kalte vår tilnærming ultralyd-indusert optisk clearing-mikroskopi (US-OCM)."
I motsetning til konvensjonelle optiske clearing-metoder, kan UC-OCM lokalisere den optiske clearing i området av interesse og gjenopprette de opprinnelige optiske egenskapene til området når boblefluksen er slått av. Dette innebærer at teknikken skal være ufarlig for levende vev.
Ifølge forskerne, som beskriver arbeidet sitt i Natur Photonics, den største fordelen med US-OCM er: en økning i avbildningsdybden med en faktor på mer enn seks med en oppløsning som ligner den for konvensjonell lasermikroskopi; rask bildedatainnsamling og bilderekonstruksjon (bare 125 millisekunder kreves for ett rammebilde bestående av 403 x 403 piksler); og 3D-bilder som er enkle å få tak i.
Og det er ikke alt: teamet påpeker at implementering av den nye metoden bare krever en relativt enkel akustisk modul (en enkelt ultralydsvinger og et transduserdrivende system) som skal legges til et konvensjonelt laserskanningsmikroskopoppsett. Teknikken kan også utvides til andre laserskannende mikroskopiteknikker som multifoton og fotoakustisk mikroskopi.
Ultralyd og lys lett å kombinere
"Jeg tror personlig at utviklingen av hybridteknologi er en av de nye forskningsretningene, og ultralyd og lys er relativt enkle å kombinere for å maksimere fordelene samtidig som de utfyller hverandres ulemper," sier Chang. "Forskere som arbeider innen ultralyd har lenge visst at sterk ultralyd kan skape gassbobler i biologisk vev og at de kan forsvinne helt uten å skade vev."
Kerker-spredning lokaliserer partikler med subatomisk presisjon
Ideen til eksperimentet kom opp under diskusjoner med teammedlem Jae Youn Hwang, en optikkspesialist ved DGIST. Tanken var at ultralyd-induserte gassbobler kunne brukes som et optisk rensemiddel hvis de på en eller annen måte kunne lage tettpakkede bobler i området av interesse. "Konvensjonell optisk clearing er avhengig av det faktum at optisk spredning er minimal når brytningsindeksene til lysspredere i vev ligner hverandre," forklarer Chang. "Kjemiske midler brukes for å redusere den høye brytningsindeksen til spredere slik at den nærmer seg den til selve vevet."
Ifølge DGIST-teamet kan teknikken brukes til høyoppløselig hjernevevsavbildning, tidlig diagnose av Alzheimers sykdom og presis diagnose av kreftvev i kombinasjon med endoskopteknologi. "Jeg tror også at det grunnleggende konseptet i denne studien kan brukes på optiske terapier, for eksempel fototermiske og fotodynamiske terapier for å forbedre deres effektivitet fordi de også lider av begrenset lyspenetrasjon," sier Chang.
