Nieuwe fotonische hulpmiddelen voor medische beeldvorming kunnen worden gebruikt om het niet-lineaire gedrag van laserlicht in menselijk bloed voor theranostische toepassingen te begrijpen. Wanneer licht biologische vloeistoffen binnendringt, wordt het snel verstrooid, echter, sommige celsuspensies kunnen niet-lineaire reacties in laserstralen induceren om zichzelf te concentreren en de penetratie van licht voor biomedische toepassingen als een kwantificeerbare marker van ziekte te verbeteren. In een recente studie die nu is gepubliceerd in Licht:wetenschap en toepassingen , Rekha Gautam en haar collega's van de San Francisco State University en een internationaal team van collega's toonden aan dat een laserstraal die door suspensies van rode bloedcellen schijnt, 'zelfgevangen' kan raken. Het proces verminderde de lichtverstrooiing om de kracht van de laserstraal in de biologische monsters te behouden.

De waargenomen niet-lineariteit was afhankelijk van de osmotische omstandigheden en de leeftijd van de monsters. De wetenschappers stellen voor om de techniek te gebruiken om sikkelcelanemie of malaria te diagnosticeren; ziekten die de grootte en vorm van bloedcellen beïnvloeden. Osmotische omstandigheden spelen een belangrijke rol in de eigenschappen van menselijke rode bloedcellen (RBC's) die cruciaal zijn tijdens ziekteanalyse. Talloze inspanningen in het afgelopen decennium waren gericht op de studie van de biomechanische eigenschappen van RBC's gesuspendeerd in verschillende osmotische oplossingen.

In het huidige werk, Gautam et al. bepaalde de zelfinvangende en verstrooiingsbestendige niet-lineaire voortplanting van een laserstraal door drie verschillende osmotische oplossingen/omstandigheden. De resultaten toonden aan dat de sterkte van de optische niet-lineariteit toenam met de osmotische druk op de cellen. interessant, in verouderde bloedmonsters met gelyseerde cellen was het niet-lineaire gedrag opmerkelijk anders door de aanwezigheid van vrij hemoglobine. Om de experimentele waarnemingen te verklaren, Gautam et al. gebruikte een theoretisch model met een optische krachtgemedieerde niet-lokale niet-lineariteit. Het huidige werk over zelfgeleiding van licht door verstrooide zachte biologische materie kan nieuwe fotonische hulpmiddelen introduceren voor niet-invasieve biomedische beeldvorming en medische diagnose.

Menselijke RBC's zijn schijfvormige kneedbare cellen die een ruimtelijk uniforme brekingsindex hebben omdat ze kernen missen in tegenstelling tot de meeste organellen, en vertonen onderscheidende vervormbaarheid voor doorgang door aderen en microcapillairen. De vormverandering kan worden veroorzaakt door de osmolariteit van de omringende vloeibare buffer te wijzigen om RBC's te gebruiken als afstembare optofluïdische microlenzen. De optische eigenschappen van RBC's zijn belangrijk voor in vitro en in vivo ziektediagnostiek waarbij de brekingsindex van de RBC wordt bepaald door hemoglobine (Hb) - het grootste gewichtsdeel van het droge erytrocytengehalte. Als resultaat, als het celvolume is afgenomen als gevolg van wisselende osmotische omstandigheden, de brekingsindex nam toe.

Pathofysiologische aandoeningen zoals sikkelcelanemie, malaria en sepsis zijn vaak nauw verwant aan de fysieke eigenschappen van rode bloedcellen, hun vorm en grootte. De fundamentele kenmerken van verschillende brekingsindices en celvormen stellen RBC's in staat om te reageren op veranderingen in verschillende osmotische omgevingen, waardoor ze ideale kandidaten zijn om verstrooid licht te bestuderen. In het huidige werk, Gautam et al. toonde niet-lineaire zelfinsluiting van licht over een centimeter afstand van voortplanting door verstrooiing van RBC-suspensies. Toen ze de kracht van de laserstraal verhoogden, ze toonden de straal dramatisch zelffocus binnen alle drie de osmotische omstandigheden - net zoals optische ruimtelijke solitonen (niet-lineaire zelf-gevangen golfpakketten). De optische krachten die veranderen met de celdichtheid en morfologie kunnen niet-invasieve hulpmiddelen bieden om verschillende cellen te sorteren, volgens een specifiek stadium van een bepaalde ziekte.

De wetenschappers verkregen bloedmonsters van anonieme donoren voor de experimenten. In de eerste reeks experimenten, ze gebruikten een lineair gepolariseerde continue golf (CW) laserstraal met een golflengte van 532 nm. Ze concentreerden het licht in een 3 cm lange glazen cuvet gevuld met RBC-suspensies in verschillende osmotische omstandigheden, zoals eerder beschreven. Ze bewaakten de lineaire en niet-lineaire outputs van het monster met behulp van een CCD-camera en vermogensdetector, en de straaldiameters gemeten met behulp van het Beamview-programma. De bundel brak eerst normaal af bij een laag vermogen van 10 mW en ervoer daarna sterke verstrooiing als gevolg van willekeurige verdeling van niet-bolvormige RBC's.

Gautam et al. vervolgens gemeten genormaliseerde lasertransmissie (uitgangs-/ingangsvermogen) als functie van het ingangsbundelvermogen. In hypotone oplossingen, ze merkten op dat de rode bloedcellen zich in een "gezwollen" toestand bevonden, waarbij de effectieve brekingsindex van de cellen afnam naarmate de water-tot-Hb-verhouding toenam. In tegenstelling tot, in de hypertone oplossing, de wetenschappers merkten op dat rode bloedcellen slonken, en hun effectieve index nam toe als gevolg van een verminderde water-tot-Hb-verhouding. In een derde isotone oplossing, de cellen vertoonden een "normale" toestand, waarin de RBC's intermediair gedrag vertoonden. Toen de experimenten twee weken later met dezelfde bloedmonsters werden uitgevoerd, de wetenschappers observeerden met name verschillende uitkomsten waarin de niet-lineaire focus dramatisch verbeterde voor de hypertone oplossing.

In een tweede reeks experimenten, de wetenschappers gebruikten een zelfgebouwd optisch pincetsysteem om de optische gradiëntkracht op rode bloedcellen te meten. Gautam et al. verzamelde het voorwaarts verstrooiende licht van de gevangen cellen met een condensorlens en vervolgens gefocust op een positiegevoelige detector (PSD). Ze berekenden de stijfheid en gradiëntkracht in de drie afzonderlijke oplossingen. Om de metingen te vereenvoudigen, Gautam et al. behandelde hypotone en hypertone RBC's als schijfvormige objecten. Ze gebruikten een CCD-camera om celbewegingen van de drie verschillende oplossingen vast te leggen, samen met een microscoop met twee objectieven, waar de opstelling werd aangedreven met behulp van een 960 nm laserstraal. De resultaten illustreerden de beweging van cellen tegen Brownse beweging onder invloed van optische krachten op basis van de omstandigheden van de cel (vorm, grootte) en hun bundelvangcapaciteit. Gautam et al. schatte de vangkracht met behulp van de Langevin-vergelijking en informeerde dat de kracht een trend volgde van hypertoon> isotoon> hypotone omstandigheden.

De wetenschappers ontwikkelden vervolgens een model om niet-lineaire bundelvoortplanting in biologische zachte materie te simuleren om de fysica van optische kracht-gemedieerde niet-lineariteit te begrijpen. Ze modelleerden de tijdsevolutie van de deeltjesconcentratieverdeling met behulp van een diffusie-advectievergelijking en beschouwden de aanwezigheid van een voorwaartse verstrooiingskracht om de deeltjes in de richting van de bundelvoortplanting te duwen, naast de optische gradiëntkracht. Gautam et al. berekende de verandering in bundelgrootte voor de verschillende gradiënt- en verstrooiingskrachtparameters om de niet-lineaire zelffocusserende effecten onder verschillende bufferomstandigheden te simuleren. Ze registreerden de veranderende grootte, volume- en brekingsindices van RBC's onder verschillende osmotische omstandigheden die verantwoordelijk waren voor de variërende grootte van optische krachten die de optische niet-lineariteit wijzigden. De gesimuleerde resultaten waren kwalitatief consistent met de experimentele waarnemingen.

Op deze manier, Gautam et al. bestudeerde niet-lineaire bundelvoortplanting in menselijke RBC's gesuspendeerd in drie verschillende bufferoplossingen. Ze ontdekten dat RBC's een sterke zelffocusserende niet-lineariteit vertoonden die chemisch kon worden gecontroleerd op basis van de bufferoplossing. Ze stellen daarom voor om de optische niet-lineariteit af te stemmen via osmose en verhoogde osmotische druk, buiten de cellen in vers bloedmonsters. Wanneer de monsters verouderd zijn, vrij hemoglobine uit de gelyseerde RBC's speelde een actieve rol in de waargenomen optische niet-lineariteit en versterkte de niet-lineaire respons in hypotone omstandigheden.

Met behulp van directe videomicroscopie en optische pincetmetingen, de wetenschappers toonden aan dat de bundelvangkracht het grootst was voor RBC's in de hypertone omstandigheden en het zwakst voor hypotone oplossingen. De wetenschappers introduceerden een theoretisch model om de waargenomen experimentele effecten te valideren. Het werk zal een nieuw perspectief introduceren in de ontwikkeling van diagnostische hulpmiddelen, aangezien de resultaten veelbelovend zijn voor de ontwikkeling van laserbehandelingstherapieën voor bloedgerelateerde ziekten.

© 2019 Wetenschap X Netwerk