USC-wetenschappers hebben een nieuwe tool ontwikkeld om dieper en duidelijker in levende wezens te kijken, een visueel voordeel dat tijd bespaart en medische behandelingen bevordert.

Het is het soort fundamentele wetenschap dat kan worden gebruikt om betere diagnostiek en behandelingen te ontwikkelen, inclusief het opsporen van longkanker of schade door verontreinigende stoffen. De technologie is veelzijdig genoeg om een ​​smartphone-app te worden voor gebruik in de geneeskunde op afstand, voedselveiligheid of detectie van vals geld, zei Francesco Cutrale, hoofdauteur van de studie- en onderzoeksassistent-professor biomedische technologie aan de USC Viterbi School of Engineering.

Wetenschappers verbonden aan het USC Michelson Center for Convergent Bioscience werken de afgelopen jaren aan de technologie. Hun bevindingen worden vandaag gepubliceerd in Natuurcommunicatie .

De techniek richt zich, letterlijk, over de bouwstenen van de biologie. Wanneer biologen diep in een levend wezen kijken - een cel, een vis, een persoon - het is niet altijd duidelijk wat er aan de hand is. Cellen en eiwitten zijn diep verweven in weefsels, veel vragen over de interacties tussen componenten. De eerste stap naar het genezen van ziekte is het probleem duidelijk zien, en dat is niet altijd makkelijk geweest.

Hoe deze nieuwe beeldvormingstechniek werkt

Het probleem oplossen, onderzoekers hebben vertrouwd op een techniek genaamd fluorescentie hyperspectrale beeldvorming (fHSI). Het is een methode die kleuren over een spectrum kan onderscheiden, tag moleculen zodat ze kunnen worden gevolgd, en produceren levendig gekleurde beelden van de binnenkant van een organisme.

Maar de voordelen die fHSI biedt, hebben beperkingen. Het onthult niet noodzakelijk het volledige kleurenspectrum. Het vereist veel gegevens, vanwege de complexiteit van biologische systemen, het duurt dus lang om de beelden te verzamelen en te verwerken. Er komen ook veel tijdrovende berekeningen bij kijken, wat een groot nadeel is omdat experimenten beter werken als ze in realtime kunnen worden gedaan.

Om die problemen op te lossen, de USC-onderzoekers ontwikkelden een nieuwe methode genaamd spectraal gecodeerde verbeterde representaties (SEER). Het biedt meer duidelijkheid en werkt tot 67 keer sneller en met 2,7 keer meer definitie dan de huidige technieken.

Het vertrouwt op wiskundige berekeningen om de gegevens sneller te ontleden. Het kan levendige fluorescerende tags over het volledige kleurenspectrum verwerken voor meer details. En het gebruikt veel minder computergeheugenopslag, nog belangrijker met de explosie van big data-onderzoek achter modern convergent biowetenschappelijk onderzoek. Volgens de studie, SEER is een "snelle, intuïtieve en wiskundige manier" om afbeeldingen te interpreteren terwijl ze worden verzameld en verwerkt.

"Er zijn een aantal scenario's waarin deze analyse achteraf, terwijl krachtig, te laat zou zijn in experimentele of medische besluitvorming, Cutrale zei. "Er is een kloof tussen acquisitie en analyse van de hyperspectrale gegevens, waar wetenschappers en artsen niet op de hoogte zijn van de informatie in het experiment. SEER is ontworpen om deze leemte op te vullen."

Van het opsporen van longkanker tot een mogelijke app voor mobiele telefoons

De eerste toepassing van SEER zal op medisch en onderzoeksgebied zijn. Het veelzijdige algoritme, eerst geschreven door Wen Shi en Daniel Koo bij het Translational Imaging Center van USC, zal worden gebruikt voor het opsporen van vroege stadia van longziekte en mogelijke schade door verontreinigende stoffen bij patiënten in samenwerking met artsen van het Children's Hospital Los Angeles. Ook, wetenschappers op het gebied van life sciences zijn begonnen met het toepassen van SEER in hun experimentele pijplijnen in een poging om de efficiëntie verder te verbeteren.

Verbeteringen in beeldtechnologieën kunnen ook het consumentenniveau bereiken, dus het is waarschijnlijk dat technologieën zoals fHSI en SEER op mobiele telefoons kunnen worden geïnstalleerd om krachtige visualisatietools te bieden.

Het Michelson Center brengt een divers netwerk van vooraanstaande wetenschappers en ingenieurs van het USC Dornsife College of Letters samen, Kunsten en Wetenschappen, de USC Viterbi School of Engineering en de Keck School of Medicine van USC onder één dak, dankzij een gulle gift van $ 50 miljoen van een orthopedisch chirurg, uitvinder en filantroop Gary K. Michelson en zijn vrouw, Alya Michelson.