De meeste ziektetoestanden, van kanker en atherosclerose tot neurodegeneratieve en orthopedische aandoeningen, gaan gepaard met veranderingen in weefselstijfheid. De klinische geneeskunde heeft lang vertrouwd op handmatige palpatie van verdachte regio's om weefselstijfheid voor diagnose te detecteren. Beeldvormende modaliteiten zoals echografie, MRI en OCT kunnen ook effectief weefselstijfheid meten. Laser speckle rheology (LSR) biedt een nieuwe, contactloze optische benadering. LSR gebruikt een goedkope laser die lijkt op een gewone laserpointer om laserlicht op weefsel te laten schijnen, plus een camera om spikkelpatronen weer te geven die worden gereflecteerd door lichtverstrooiende deeltjes in het monster.

Harvard Medical School universitair hoofddocent dermatologie Seemanini Nadkarni, wiens lab in het Wellman Center for Photomedicine LSR ontwikkelde, legt de rol uit van laservlekpatronen bij het communiceren van weefselstijfheid:"In een zachte, conform exemplaar, lichtverstrooiende deeltjes bewegen snel, waardoor het spikkelpatroon sneller fluctueert. In tegenstelling tot, in een stijf exemplaar, een dicht netwerk van vezels beperkt deze bewegingen, waardoor een trage twinkeling van spikkelvlekken ontstaat." Door de snelheid van spikkelfluctuaties te meten, LSR maakt het mogelijk om de complexe materiaaleigenschappen van weefsels te meten.

Laser spikkel reologie, een tutorial

Een tutorial die onlangs is gepubliceerd door Nadkarni en haar collega Zeinab Hajjarian in de open access, peer-reviewed Journal of Biomedical Optics (JBO), biedt een actueel en visueel rijk overzicht van optische methoden in weefselmechanica, met een specifieke focus op LSR. De tutorial bespreekt verschillende klinische toepassingen voor het vertalen van het LSR-platform voor toepassingen in fundamenteel onderzoek en klinische geneeskunde. Het is gebaseerd op een lezingenreeks gepresenteerd door Nadkarni op de 9 ^e Internationale Graduate Summer School, Biofotonica '19, in Hven, Zweden.

JBO-hoofdredacteur Brian Pogue, MacLean Professor of Engineering Science aan Dartmouth College Thayer School of Engineering, zegt, "De tutorial combineert de kritische aspecten van experimentele methoden in hoe spikkelveldmetingen worden ontworpen en gebruikt, met een appreciatie van de behoeften in de cel, Matrix, en biologische weefselkarakterisering." De auteurs beoordelen zowel in vitro-toepassingen als in vivo weefselbeeldvorming voordat ze de geschiedenis van het veld samenvatten en waar het naartoe lijkt te gaan.

Met als doel het bereik van het LSR-platform uit te breiden tot het onderzoek en de diagnose van ziekten bij de mens vanuit een biomechanisch perspectief, het onderzoeksteam heeft verschillende apparaten ontwikkeld die gebruikmaken van het LSR-platform voor toepassingen in de hematologie, interventionele cardiologie, en kankeronderzoek.

Bloedstollingssensor ter grootte van een handpalm

Een belangrijk onderzoeksthema is het gebruik van LSR om bloedingen en trombotische aandoeningen op te sporen bij patiënten op het punt van zorg. Het team heeft een bloedstollingssensor ter grootte van een handpalm ontwikkeld, iCoagLab genoemd, die een paar druppels bloed gebruikt om verschillende parameters te meten om de stollingstoestand van een patiënt binnen enkele minuten te evalueren.

Stollingsstoornissen treden op wanneer bloed veel te langzaam of veel te snel stolt, en het resulterende stolsel is erg los of erg stevig en veroorzaakt bloedingen of trombotische gebeurtenissen, " zei Nadkarni. "Door de stijfheid van bloedstolling te meten en te volgen met behulp van LSR, we kunnen levensbedreigende stollingsdefecten identificeren en waarschijnlijk de bloedtransfusiestrategieën begeleiden bij bloedende patiënten of de dosering van bloedverdunners informeren bij patiënten met trombotische aandoeningen."

Weefselstijfheid in bloedvaten in kaart brengen

LSR kan ook worden uitgevoerd via optische vezelbundels met een kleine diameter die zijn ingebouwd in endoscopen, katheters of naalden om interne weefsels in het lichaam te evalueren die anders ontoegankelijk zouden zijn voor traditionele mechanische tests. Bijvoorbeeld, hartinfarct, de belangrijkste doodsoorzaak wereldwijd, treedt op als gevolg van het scheuren van mechanisch zwakke plaques in de vaatwand.

"Ons onderzoeksteam heeft intravasculaire LSR-kathetertechnologie ontwikkeld om de stijfheidskaart van volledige vaatwanden te verkrijgen en mechanisch onstabiele vetplaques te detecteren die betrokken zijn bij hartaanvallen. We hebben de LSR-kathetertechnologie getest in kransslagaders van menselijke kadavers en in modellen van levende dieren, en bevorderen de technologie in de richting van preklinische en klinische instellingen, ' zei Nadkarni.

Nieuwe LSR-microscoop als hulpmiddel bij kankeronderzoek

Verschillende fundamentele mechano-biologische studies door de jaren heen hebben het belang van micromechanische aspecten van weefsel en ziekte benadrukt en opgeroepen tot nieuwe instrumenten voor het meten van deze eigenschappen. De auteurs van deze tutorial hebben ook een nieuwe LSR-microscoop ontwikkeld waarmee de stijfheid van weefsels en materialen op lengteschalen van enkele tientallen microns in kaart kan worden gebracht.

"Het nieuwe LSR-microscoopschema legt de stijfheidsverdelingskaart over enkele centimeters van een weefselmonster in slechts enkele seconden vast. Ter vergelijking:vergelijkbare metingen verkregen met traditionele micro-indentatietechnieken kunnen enkele uren duren, " zei co-auteur Hajjarian, assistent elektrotechniek bij het Wellman Center for Photomedicine, en instructeur in dermatologie aan de Harvard Medical School. "We hebben de unieke sterke punten van deze technologie aangetoond in microgefabriceerde fantomen, in vitro modellen van kanker maligniteiten, en tumorspecimens verzameld van patiënten."

De auteurs gaan in op de technische aspecten van hoe deze fysieke principes verschillende verwerkingsaspecten van de spikkelframereeksen aansturen om mechanische parameters te kwantificeren die belangrijk zijn voor de aard of functie van het weefsel. Pogue vindt deze regeling opmerkelijk:"In het bijzonder, de benadering van de auteurs voor het ontwikkelen van een stroomschema van de verwerkingsalgoritmen en theoretische onderbouwing biedt de basis die nodig is om te begrijpen wat wordt gemeten."

Door LSR te presenteren in de bredere context van concurrerende optische technieken en door een vergelijkende bespreking te geven van de kenmerken die specifiek zijn voor elke technologie, de auteurs hebben de belangen van de biomedische optische engineeringgemeenschap gediend. Volgens Pogue, "Hun dissectie van de concurrerende optische methoden die werden gebruikt, zoals optische coherentie-elastografie, tractiekrachtmicroscopie, dynamische lichtverstrooiing en diffusiegolfspectroscopie helpen de methoden van laserspikkelreologie in een betere context te plaatsen, in het wapenarsenaal van werktuigen."