Aan een patiënt, de analyse van een weefselbiopsiemonster om te controleren op zoiets als kanker lijkt misschien een relatief eenvoudig proces, zelfs als het betekent dat je een klein stukje vlees moet opgeven om te worden getest. Het monster gaat naar een laboratorium, de patiënt gaat naar huis, en binnen enkele dagen belt de dokter met de resultaten.

In werkelijkheid, er gaat nogal wat werk zitten in het voorbereiden van een weefselmonster en het evalueren ervan op tekenen van ziekte. Onder een microscoop te bekijken, het monster moet in extreem dunne plakjes worden gesneden die misschien maar een paar cellen dik zijn. En om te helpen bij het bekijken, de technicus kan een verscheidenheid aan kleurstoffen gebruiken om specifieke eiwitten of celstructuren te labelen.

"Uitgebreide verwerking van het monster is vereist, " zegt Lihong Wang, Caltech's Bren hoogleraar medische technologie en elektrotechniek in de afdeling Engineering en Applied Science. "Je kunt maar zoveel moleculen tegelijk labelen, en je moet een wasbeurt doen tussen de etiketteringen. En sommige moleculen nemen geen kleurstoffen op en worden helemaal niet gelabeld."

Een nieuwe techniek die in het lab van Wang wordt ontwikkeld, heeft tot doel dat proces een stuk eenvoudiger en minder invasief te maken. In plaats van kleurstoffen te gebruiken, de techniek maakt gebruik van pulsen van laserlicht om een ​​monster af te beelden.

Deze nieuwe aanpak, genaamd ultraviolet-gelokaliseerde midden-infrarood fotoakoestische microscopie, of ULM-PAM, ontwikkelt beelden van de microscopische structuren die in een stuk weefsel worden gevonden door het monster te bombarderen met zowel infrarood als ultraviolet laserlicht.

Een af ​​te beelden monster wordt eerst geraakt met een puls van ultraviolet laserlicht. Dit licht zorgt ervoor dat de moleculen in het monster gaan trillen. Sensoren die tegen het monster worden geplaatst, pikken die trillingssignalen op en geven ze door aan een computer die ze verwerkt.

In de volgende stap, het monster wordt geraakt met een puls van infrarood laserlicht. Deze puls verwarmt het monster enigszins, maar niet gelijkmatig. Sommige materialen in het monster, zoals eiwitten of DNA, zullen meer opwarmen dan andere omdat ze meer energie van de laser absorberen.

Onmiddellijk na de verwarmingspuls, het monster wordt opnieuw geraakt met een puls van ultraviolet laserlicht. Net als voorheen, het UV-licht zorgt ervoor dat moleculen in het monster gaan trillen, en die signalen worden doorgegeven aan de computer. Door de signalen van monsters voor en na verhitting te vergelijken, de computer maakt een beeld waarin structuren te herkennen zijn aan hun warmtesignatuur. Omdat kankercellen eiwitten en DNA anders tot expressie brengen dan gezonde cellen, ze kunnen op deze manier worden onderscheiden.

Om beter te begrijpen hoe het werkt, stel je voor dat je twee vellen papier krijgt - een witte en een zwarte - en wordt gevraagd om te bepalen welke welke was zonder ernaar te kijken.

Een manier om dat te doen is om beide vellen papier in de zon te leggen, wacht een paar minuten, en nemen dan hun temperatuur op. Omdat zwarte objecten meer licht absorberen dan witte objecten, het zwarte laken zou heter worden dan het witte. Het zonlicht in dit voorbeeld is analoog aan de infraroodlaser die wordt gebruikt in de ULM-PAM-techniek, en de thermometer is analoog aan de UV-laser.

Junhui Shi, een postdoctoraal onderzoeker in medische technologie in het lab van Wang, leidde de twee jaar durende inspanning om ULM-PAM te ontwikkelen en zegt dat het project met een aantal belangrijke hindernissen werd geconfronteerd.

"Omdat ultraviolet licht en infrarood verschillende eigenschappen hebben, we moesten speciale spiegels en glas vinden die beide konden scherpstellen, "zegt hij. "En omdat er geen camera bestaat die beide kan zien, we moesten manieren ontwikkelen om te zien of ze correct waren gefocust."

Hoewel Wang en Shi hebben aangetoond dat ULM-PAM werkt, hun techniek blijft in de proof-of-concept-fase. Het duurt nog steeds te lang om bruikbaar te zijn in een klinische omgeving, hoewel het upgraden van de lasers snellere scans van weefselmonsters mogelijk maakt, ze zeggen.

Een doel op langere termijn is om de technologie te ontwikkelen tot iets dat op weefsels kan worden gebruikt terwijl ze zich nog in het lichaam van een patiënt bevinden, zegt Wang.

"Ik wil dit verplaatsen naar in vivo. Ik wil dit gebruiken om kankercellen in beeld te brengen tijdens operaties, "zegt hij. "Dat zou de droom zijn."

Het document waarin de techniek wordt beschreven, getiteld "Hoge resolutie, hoog contrast midden-infrarood beeldvorming van verse biologische monsters met ultraviolet-gelokaliseerde fotoakoestische microscopie, " verschijnt in het nummer van 13 mei van Natuurfotonica .