Onderzoekers hebben een nieuwe techniek ontwikkeld die microscopische fluorescentiebeeldvorming mogelijk maakt tot vier keer de dieptelimiet die wordt opgelegd door lichtdiffusie. Fluorescentiemicroscopie wordt vaak gebruikt om moleculaire en cellulaire details van de hersenen in diermodellen van verschillende ziekten in beeld te brengen, maar tot nu, is beperkt tot kleine volumes en zeer invasieve procedures als gevolg van intense lichtverstrooiing door de huid en schedel.

"Visualisatie van biologische dynamiek in een onverstoorde omgeving, diep in een levend organisme, is essentieel voor het begrijpen van de complexe biologie van levende organismen en de progressie van ziekten, " zei onderzoeksteamleider Daniel Razansky van de Universiteit van Zürich en ETH Zürich, beide in Zwitserland. "Onze studie is de eerste keer dat 3D-fluorescentiemicroscopie volledig niet-invasief is uitgevoerd met een resolutie op capillair niveau in een volwassen muizenbrein, effectief een gezichtsveld van ongeveer 1 centimeter beslaat."

In optiek , beschrijven de onderzoekers hun nieuwe techniek, die diffuse optische lokalisatiebeeldvorming (DOLI) wordt genoemd. Het maakt gebruik van wat bekend staat als het tweede nabij-infrarood (NIR-II) spectrale venster van 1000 tot 1700 nanometer, die minder verstrooiing vertoont.

"Het mogelijk maken van optische observaties met hoge resolutie in diep levend weefsel is een al lang bestaand doel op het gebied van biomedische beeldvorming, " zei Razansky. "DOLI's uitstekende resolutie voor optische waarnemingen van diep weefsel kan functionele inzichten in de hersenen verschaffen, waardoor het een veelbelovend platform is voor het bestuderen van neurale activiteit, microcirculatie, neurovasculaire koppeling en neurodegeneratie."

Meer diepte bereiken

Voor de nieuwe techniek de onderzoekers injecteren een levende muis intraveneus met fluorescerende microdruppeltjes in een concentratie die zorgt voor een schaarse verdeling in de bloedbaan. Het volgen van deze vloeiende doelen maakt de reconstructie mogelijk van een kaart met hoge resolutie van de diepe cerebrale microvasculatuur in het muizenbrein.

"De methode elimineert achtergrondlichtverstrooiing en wordt uitgevoerd met de hoofdhuid en schedel intact, "zei Razansky. "Interessant, we hebben ook een sterke afhankelijkheid waargenomen van de spotgrootte die door de camera is vastgelegd op de diepte van de microdruppels in de hersenen, die diepte-opgeloste beeldvorming mogelijk maakte."

De nieuwe aanpak profiteert van de recente introductie van zeer efficiënte kortegolf-infraroodcamera's op basis van InGaAs-sensoren. Een andere belangrijke bouwsteen was het gebruik van nieuwe contrastmiddelen die sterke fluorescentiereacties vertonen in het NIR-II-venster, zoals op loodsulfide (PbS) gebaseerde kwantumdots.

Scherpe en heldere beelden

De onderzoekers testten de nieuwe techniek eerst in synthetische weefselmodellen die bekend staan ​​als weefselfantomen die de gemiddelde eigenschappen van hersenweefsel nabootsen. wat aantoont dat ze beelden met een microscopische resolutie kunnen verkrijgen op een diepte van maximaal 4 millimeter in optisch ondoorzichtige weefsels. Vervolgens voerden ze DOLI uit in levende muizen waar de cerebrale microvasculatuur en de snelheid en richting van de bloedstroom volledig niet-invasief konden worden gevisualiseerd.

De onderzoekers werken aan het optimaliseren van de precisie in alle drie de dimensies om de resolutie van DOLI te verbeteren. Ze ontwikkelen ook verbeterde fluorescerende middelen die kleiner zijn, hebben een sterkere fluorescentie-intensiteit en zijn stabieler in vivo. Dit zal de prestaties van DOLI aanzienlijk verbeteren in termen van het bereikbare signaal tot ruis en beelddiepte.

"We verwachten dat DOLI naar voren zal komen als een krachtige benadering voor fluorescentiebeeldvorming van levende organismen op voorheen ontoegankelijke diepte- en resolutieregimes, "zei Razansky. "Dit zal de in vivo toepasbaarheid van fluorescentiemicroscopie en tomografietechnieken aanzienlijk verbeteren."