Onderzoekers hebben een flexibele naaldachtige endoscopische beeldsonde gemaakt die 3D-microscopische beelden van weefsel kan maken. De buigbaarheid is mogelijk dankzij een nieuwe flexibele graded index (GRIN) lens ontwikkeld door de onderzoekers.

GRIN-lenzen, oorspronkelijk ontwikkeld voor de telecommunicatie-industrie, worden vaak gebruikt om fluorescentiemicroscopiebenaderingen uit te voeren die diep in weefsels kunnen worden afgebeeld. Het feit dat het stijve componenten zijn, heeft hun klinisch gebruik echter beperkt.

"Wanneer een traditionele biopsie wordt uitgevoerd, vertegenwoordigt dit een enkel moment in de tijd en kan het dagen duren om resultaten terug te krijgen van het laboratorium", zei onderzoeksleider Guigen Liu van de Harvard Medical School. "Onze buigbare beeldvormende sondes kunnen de wachttijd tot minuten verkorten en nieuwe benaderingen mogelijk maken die beeldvorming gebruiken om weefselveranderingen dynamisch te volgen, bijvoorbeeld hoe tumoren in de loop van de tijd op behandelingen reageren."

In Optics Express , beschrijven de onderzoekers hun nieuwe GRIN-lens, die ze in een endoscopiesonde verwerkten. Experimenten hebben aangetoond dat de beeldvormende eigenschappen van de sonde behouden blijven, zelfs wanneer deze wordt gebogen.

"De buigzame aard van deze GRIN-sondes maakt metingen bij levende proefpersonen, zoals dieren of menselijke patiënten, veel gestroomlijnder en praktischer", zei Liu. "Het kan nuttig zijn voor nauwkeurige, minimaal invasieve microscopie-geleide plaatsing van naalden en katheters voor bijvoorbeeld weefselbiopten en tumorablatie."

Beeldvorming door een gebogen lens

GRIN-lenzen zijn staafjes van silicaglas met een continu veranderende brekingsindex die het licht dat door de staaf komt focusseert zonder dat een aparte focuslens nodig is. Sinds hun ontwikkeling ongeveer 50 jaar geleden werd algemeen aangenomen dat GRIN-lenzen alleen als starre beeldsondes kunnen worden gebruikt. In het nieuwe werk besloten de onderzoekers dit idee ter discussie te stellen door uit te zoeken of het mogelijk was om door een gebogen GRIN-lens te fotograferen.

De onderzoekers ontwierpen een GRIN-lens met een diameter van 500 micron en een lengte van ongeveer 100 mm. De lange, dunne vorm van de lens en het ontbreken van een stevige buitenbehuizing geven hem de flexibiliteit om ongeveer 10 graden te buigen zonder te breken. Vervolgens integreerden ze de nieuwe GRIN-lens in een endoscopische beeldsonde en testten deze door er twee-foton 3D-fluorescentie-beeldvorming doorheen uit te voeren.

Om de echte buiging te simuleren die diep in weefsels zou worden ervaren, werd de lens verticaal gepositioneerd en geduwd om het type bundelafbuiging te introduceren dat zou worden ervaren als de sonde zou worden gebruikt in het werkkanaal van een naald die voor een biopsie wordt gebruikt.

Het experiment toonde aan dat de resolutie en het signaalniveau niet duidelijk verslechterden wanneer een uiteinde van de sonde 6 mm lateraal werd verplaatst. "Als de lens gebogen is, passen de signaalbanen die het beeld door de staaf voeren zich synergetisch aan door zijwaarts te verschuiven, net zoals een auto de neiging heeft om naar de buitenkant van een gladde, gebogen weg te schuiven," zei Liu. "Terwijl de signaalbanen tijdens het schakelen een beetje vervormen, behouden ze grotendeels hun eigenschappen zoals orde en vorm. Hierdoor blijft het grootste deel van de resolutie en het signaalniveau behouden."

Een nieuwe manier om kankermedicijnen te screenen

Hoewel verdere ontwikkeling en testen nodig zijn om de endoscoop naar de kliniek te brengen, vindt het apparaat al toepassingen in biomedisch onderzoek. Teamleider en co-auteur Oliver Jonas en collega's koppelen de endoscoop aan een nieuw type microapparaat om een ​​methode te testen om snel de effectiviteit van verschillende kankertherapieën te evalueren.

De nieuwe microdevices van het team zijn ontworpen om rechtstreeks in een tumor te worden geïmplanteerd en kunnen kleine hoeveelheden tot 20 medicijnen bevatten. Om de effectiviteit van de verschillende medicijnen te meten zonder tumorweefsel te verwijderen, brengen de onderzoekers een op GRIN gebaseerde endoscoop rechtstreeks in de microdevice in, waar deze kan worden gebruikt om fluorescentiesignalen in de tumor af te beelden. Hoewel deze opstelling momenteel bij muizen wordt bestudeerd, zou deze uiteindelijk bij patiënten kunnen worden gebruikt om snel uit te zoeken welke behandelingsopties het beste zijn om de specifieke tumor van elke patiënt te bestrijden.

Om de sondes naar klinische toepassing te verplaatsen, werken de onderzoekers ook aan de ontwikkeling van langere buigbare GRIN-lenzen om diepere beeldvorming en meer flexibiliteit mogelijk te maken. They also want to enhance the mechanical durability of the optical components using a thin polymer coating that won't affect flexibility. + Verder verkennen

Pencil-beam scanning catheter for intracoronary optical coherence tomography