Een "chemisch beeldvormingssysteem" dat een speciaal type laserstraal gebruikt om diep in het weefsel door te dringen, zou kunnen leiden tot technologieën die de noodzaak elimineren om bloed af te nemen voor analyses, waaronder het testen van geneesmiddelen en vroege detectie van ziekten zoals kanker en diabetes.

Het systeem, genaamd gestimuleerde Raman-projectiemicroscopie en tomografie, maakt "volumetrische beeldvorming" mogelijk zonder gebruik te maken van fluorescerende kleurstoffen die biologische functies kunnen beïnvloeden en de nauwkeurigheid kunnen belemmeren, zei Ji-Xin Cheng, een professor aan de Weldon School of Biomedical Engineering van Purdue University, Afdeling Chemie en Birck Nanotechnology Center.

"Volumetrische chemische beeldvorming maakt een beter begrip mogelijk van de chemische samenstelling van driedimensionale complexe biologische systemen zoals cellen, " hij zei.

De technologie maakt gebruik van een soort laserstraal die een Bessel-straal wordt genoemd, die de focus over een langere afstand behoudt dan een traditionele "Gaussiaanse straal" die wordt gebruikt in andere beeldtechnologieën, waardoor het mogelijk is om diep in het weefsel door te dringen. Gestimuleerde Raman-spectroscopie elimineert de noodzaak voor fluorescerende kleurstoffen. De technologie levert nauwkeurigere gegevens op dan andere methoden, omdat het beeldvorming van de hele cel mogelijk maakt door signalen die door de scanbundel worden geproduceerd, op te tellen. zei Chen.

Omdat de Bessel-bundel beeldvorming van diep weefsel mogelijk maakt, het zou kunnen leiden tot systemen die de noodzaak elimineren om bloed af te nemen voor analyses zoals het testen van geneesmiddelen en detectie van biomarkers voor niet-invasieve vroege diagnose van ziekten, zei Chen.

"Dit is een langetermijndoelstelling, "zei hij. "In de tussentijd, er is veel meer onderzoek nodig om het systeem te verbeteren."

De onderzoekers bewezen het concept door de vetopslag in levende cellen in beeld te brengen. De bevindingen worden gedetailleerd beschreven in een onderzoekspaper die op 24 april in het tijdschrift verschijnt Natuurcommunicatie .

De gerapporteerde technologie levert informatie op over de chemische samenstelling, het verzamelen van een reeks afbeeldingen tijdens het roteren van het monster en het reconstrueren van de 3D-structuur door middel van algoritmen voor beeldreconstructie.

De Bessel-bundel wordt geproduceerd met behulp van een paar kegelvormige "axicon"-lenzen en wordt gecombineerd met een microscoopobjectief. Het gebruik ervan voor volumetrische fluorescentiebeeldvorming werd eerder aangetoond door natuurkundige Eric Betzig, die in 2014 de Nobelprijs voor scheikunde won voor zijn baanbrekende bijdrage aan de superresolutie-fluorescentiemicroscopie. Superresolutietechnologie stelt onderzoekers in staat structurele kenmerken op te lossen die veel kleiner zijn dan de golflengte van zichtbaar licht, het omzeilen van de "diffractielimiet" die normaal beeldvorming van kenmerken kleiner dan ongeveer 250 nanometer verhindert, wat groot is in vergelijking met bepaalde biologische moleculen en structuren in cellen.

Echter, fluorescentiemicroscopie vereist meestal het gebruik van fluorescerende tags, die biologische processen kunnen verstoren en de nauwkeurigheid voor het bepalen van de chemische structuur kunnen belemmeren.

Toekomstig onderzoek omvat werkzaamheden om de detectiegevoeligheid van het systeem te verhogen en de beeldkwaliteit en -snelheid te verbeteren.

"Er is nog genoeg ruimte voor verbetering, "Cheng zei. "Het systeem is gebaseerd op een omvangrijke en relatief dure femtoseconde laser, wat het potentieel voor breed gebruik en klinische vertaling beperkt. Hoe dan ook, we verwachten dat deze beperking kan worden omzeild door technische innovaties om de kosten en omvang van onze technologie te verminderen. We merken ook op dat de Bessel-bundel kan worden geproduceerd met behulp van vezels, wat het systeem zou kunnen vereenvoudigen en endoscopische toepassingen mogelijk zou maken."

Het artikel is geschreven door Xueli Chen, een gastonderzoeker van de Xidian University in China; Purdue postdoctoraal onderzoeksmedewerker Chi Zhang; Purdue-promovendi Peng Lin en Kai-Chih Huang; Xidian University-onderzoekers Jimin Liang en Jie Tian; en Chen.