Een nieuwe beeldvormingstechniek ontwikkeld door wetenschappers van MIT, Harvard universiteit, en Massachusetts General Hospital (MGH) heeft tot doel cellulaire structuren in diep weefsel en andere dichte en ondoorzichtige materialen te verlichten. Hun methode maakt gebruik van kleine deeltjes ingebed in het materiaal, die laserlicht afgeven.

Het team synthetiseerde deze "laserdeeltjes" in de vorm van kleine eetstokjes, elk meet een klein deel van de breedte van een mensenhaar. De deeltjes zijn gemaakt van loodjodideperovskiet, een materiaal dat ook wordt gebruikt in zonnepanelen, en dat licht efficiënt absorbeert en vasthoudt. Als de onderzoekers een laserstraal op de deeltjes schijnen, de deeltjes lichten op, normaal afgeven, diffuus fluorescerend licht. Maar als ze het vermogen van de inkomende laser afstemmen op een bepaalde "lasdrempel", " zullen de deeltjes onmiddellijk laserlicht genereren.

De onderzoekers, onder leiding van MIT-afgestudeerde student Sangyeon Cho, toonden aan dat ze de deeltjes konden stimuleren om laserlicht uit te zenden, het creëren van afbeeldingen met een resolutie die zes keer hoger is dan die van de huidige op fluorescentie gebaseerde microscopen.

"Dat betekent dat als de resolutie van een fluorescentiemicroscoop is ingesteld op 2 micrometer, onze techniek kan een resolutie van 300 nanometer hebben - ongeveer een zesvoudige verbetering ten opzichte van gewone microscopen, " zegt Cho. "Het idee is heel eenvoudig maar zeer krachtig en kan in veel verschillende beeldbewerkingstoepassingen worden gebruikt."

Cho en zijn collega's hebben hun resultaten gepubliceerd in het tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven . Zijn co-auteurs zijn onder meer Seok Hyun Yun, een professor aan Harvard; Nicola Martino, een research fellow bij Harvard en MGH's Wellman Center for Photomedicine; en Matjaž Humar, een onderzoeker aan het Jozef Stefan Instituut. Het onderzoek werd gedaan als onderdeel van de Harvard-MIT Division of Health Sciences and Technology.

Een licht in het donker

Als je met een zaklamp schijnt in een verduisterde kamer, dat licht verschijnt als een relatief diffuus, wazige straal van wit licht, wat neerkomt op een wirwar van verschillende golflengten en kleuren. In sterk contrast, laserlicht is een scherp gefocust, monochromatische lichtstraal, van een bepaalde frequentie en kleur.

Bij conventionele fluorescentiemicroscopie, wetenschappers kunnen een monster van biologisch weefsel injecteren met deeltjes gevuld met fluorescerende kleurstoffen. Vervolgens richten ze een laserstraal door een lens die de straal door het weefsel stuurt, waardoor eventuele fluorescerende deeltjes op zijn pad oplichten.

Maar deze deeltjes zoals microscopisch kleine zaklampen, produceren een relatief onduidelijke, vage gloed. Als zulke deeltjes meer gefocust zouden uitzenden, laserachtig licht, ze kunnen scherpere beelden van diepe weefsels en cellen produceren. In recente jaren, onderzoekers hebben laserlicht-emitterende deeltjes ontwikkeld, maar Cho's werk is het eerste dat deze unieke deeltjes toepast op beeldvormingstoepassingen.

Chopstick lasers

Het team synthetiseerde eerst kleine, 6 micron lange nanodraden van loodjodide perovskiet, een materiaal dat fluorescerend licht goed opvangt en concentreert. De staafvormige geometrie van de deeltjes - die Cho beschrijft als "eetstokjesachtig" - kan een specifieke golflengte van licht heen en weer laten stuiteren langs de lengte van de deeltjes, het genereren van een staande golf, of heel regelmatig, geconcentreerd patroon van licht, vergelijkbaar met een laser.

De onderzoekers bouwden vervolgens een eenvoudige optische opstelling, vergelijkbaar met conventionele fluorescentiemicroscopen, waarbij een laserstraal uit een lichtbron wordt gepompt, door een lens, en op een monsterplatform dat de laserdeeltjes bevat.

Voor het grootste gedeelte, de onderzoekers ontdekten dat de deeltjes diffuus fluorescerend licht uitzonden als reactie op de laserstimulatie, vergelijkbaar met conventionele fluorescerende kleurstoffen, bij laag pompvermogen. Echter, toen ze het vermogen van de laser afstemden op een bepaalde drempel, de deeltjes lichtten flink op, veel meer laserlicht uitzenden.

Cho zegt dat de nieuwe optische techniek, die ze LAser-deeltjesgestimuleerde emissie (LASE) microscopie hebben genoemd, kan worden gebruikt om een ​​specifiek brandvlak af te beelden, of een bepaalde laag biologisch weefsel. theoretisch, hij zegt, wetenschappers kunnen een laserstraal schijnen in een driedimensionaal weefselmonster dat is ingebed met laserdeeltjes, en gebruik een lens om de straal op een bepaalde diepte te focussen. Alleen die deeltjes in de focus van de straal zullen genoeg licht of energie absorberen om zelf als laser aan te gaan. Alle andere deeltjes stroomopwaarts van de straal van het pad zouden minder energie moeten absorberen en alleen fluorescerend licht uitstralen.

"We kunnen al deze gestimuleerde emissie opvangen en kunnen laserlicht heel gemakkelijk onderscheiden van fluorescerend licht met behulp van spectrometers, " zegt Cho. "We verwachten dat dit zeer krachtig zal zijn wanneer het wordt toegepast op biologisch weefsel, waar licht normaal gesproken overal rondstrooit, en resolutie is verwoest. Maar als we laserdeeltjes gebruiken, het zullen de smalle punten zijn die laserlicht zullen uitzenden. Zo kunnen we onderscheiden van de achtergrond en een goede resolutie bereiken."

Giuliano Scarcelli, een assistent-professor aan de Universiteit van Maryland, zegt dat het succes van de techniek zal afhangen van de succesvolle implementatie ervan op een standaard fluorescentiemicroscoop. Als dat eenmaal is bereikt, de toepassingen van laserbeeldvorming, hij zegt, zijn veelbelovend.

"Het feit dat je een laser versus fluorescentie hebt, betekent waarschijnlijk dat je dieper in het weefsel kunt meten omdat je een hogere signaal-ruisverhouding hebt, " zegt Scarcelli, die niet bij het werk betrokken was. "We zullen in de praktijk moeten zien, maar aan de andere kant, met optica, we hebben geen goede manier om diep weefsel in beeld te brengen. Dus elk onderzoek over dit onderwerp is een welkome aanvulling."

Om deze techniek in levend weefsel te implementeren, Cho zegt dat laserdeeltjes biocompatibel moeten zijn, welke loodjodide perovskiet materialen dat niet zijn. Echter, het team onderzoekt momenteel manieren om cellen zelf te manipuleren om te gloeien als lasers.

"Ons idee is waarom zou je de cel niet als interne lichtbron gebruiken?' zegt Cho. 'We beginnen over dat probleem na te denken.'