Een nieuwe benadering van optische beeldvorming maakt het mogelijk om snel en economisch meerdere moleculaire interacties in een groot gebied van levend weefsel te volgen, zoals een orgaan of een klein dier; technologie die toepassingen zou kunnen hebben in de medische diagnose, geleide chirurgie, of preklinische drugstests. De methode, die is gedetailleerd in Natuurfotonica , is in staat om gelijktijdig 16 kleuren aan ruimtelijk gekoppelde informatie te volgen over een gebied van enkele centimeters, en kan interacties vastleggen die plaatsvinden in slechts miljardsten van een seconde.

"We hebben een slimme manier ontwikkeld om in korte tijd een enorme hoeveelheid informatie te verkrijgen, " zei Xavier Intes, hoogleraar biomedische technologie aan het Rensselaer Polytechnic Institute. "Onze aanpak is sneller en goedkoper dan bestaande technologie zonder enig compromis in de precisie van de gegevens die we verkrijgen."

Zoals de naam al aangeeft, optische beeldvorming gebruikt licht om een ​​doel te onderzoeken. Bij biomedische toepassingen optische beeldvorming heeft veel voordelen ten opzichte van technieken zoals MRI en PET, die magnetisme en positronemissies gebruiken om beelden in levend weefsel te verkrijgen.

De methode die het Intes-lab heeft ontwikkeld, maakt gebruik van geavanceerde optische beeldvormingstechnieken - fluorescentie-levensduurbeeldvorming in combinatie met bevordering van resonantie-energieoverdracht - om de moleculaire toestand van weefsels te onthullen. In fluorescentie-levensduurbeeldvorming (FLIM), moleculen van belang zijn gelabeld met fluorescerende "reporter" moleculen die, wanneer opgewonden door een lichtstraal, zenden in de loop van de tijd een lichtsignaal uit met een bepaalde kleur die indicatief is voor hun directe omgeving. Reporter-moleculen kunnen worden afgestemd om informatie te bieden over omgevingsfactoren zoals viscositeit, pH, of de aanwezigheid van zuurstof. FLIM is ideaal voor de dikke weefsels van een lichaam omdat het afhankelijk is van tijdsinformatie, in plaats van lichtintensiteit, die aanzienlijk degradeert als het door weefsel reist. Onderzoekers gebruikten ook Forster-resonantie-energieoverdracht (FRET), die de nabijheid bepaalt tussen twee gelijkaardig gelabelde moleculen - zoals een medicijn en zijn doelwit - op basis van een energieoverdracht die alleen plaatsvindt wanneer de gelabelde moleculen in de zieke cellen worden afgeleverd voor maximale therapeutische werkzaamheid.

Echter, terwijl de FLIM-FRET-methode een signaal genereert dat rijk is aan informatie, het snel en economisch opvangen van dat signaal is problematisch. De huidige methoden zijn afhankelijk van dure camera's, die slechts één verslaggever tegelijk kan fotograferen, en het scannen van het onderwerp kan uren duren, aangezien de camera informatie uit zijn volledige gezichtsveld verzamelt.

Om dit obstakel te overwinnen, de onderzoekers zagen af ​​van camera's en gebruikten in plaats daarvan een detectiemethode met één pixel in combinatie met een wiskundige bemonsteringstechniek (gebaseerd op een Hadamard-transformatie) waarmee ze in 10 minuten voldoende relevante informatie konden verzamelen om een ​​nauwkeurig beeld te construeren. De detectiemethode kan tegelijkertijd informatie over 16 spectrale kanalen verzamelen, en drie detectieapparaten die rond het monster waren geplaatst, verschaften ruimtelijke informatie die werd gebruikt om een ​​driedimensionaal beeld te construeren.

"Dit is een nieuw platform, een nieuwe optie in de macroscopie, en we denken dat het tractie zal hebben in meerdere toepassingen in de biomedische arena, ' zei Intes.

Het onderzoek van Intes wordt mogelijk gemaakt door de visie van The New Polytechnic, een opkomend paradigma voor hoger onderwijs dat erkent dat mondiale uitdagingen en kansen zo groot zijn dat ze niet adequaat kunnen worden aangepakt door zelfs de meest getalenteerde persoon die alleen werkt. Rensselaer fungeert als een kruispunt voor samenwerking:door samen te werken met partners uit verschillende disciplines, sectoren, en geografische regio's - om complexe mondiale uitdagingen aan te pakken, met behulp van de meest geavanceerde tools en technologieën, waarvan vele bij Rensselaer worden ontwikkeld. Onderzoek bij Rensselaer richt zich op enkele van 's werelds meest urgente technologische uitdagingen - van energiezekerheid en duurzame ontwikkeling tot biotechnologie en menselijke gezondheid. The New Polytechnic is transformatief in de wereldwijde impact van onderzoek, in zijn innovatieve pedagogiek, en in het leven van de studenten van Rensselaer.