Het begrijpen van complexe biologische en biomedische systemen wordt enorm geholpen door 3D-beeldvorming, die veel gedetailleerdere informatie oplevert dan traditionele tweedimensionale methoden. Beeldvorming van levende cellen en weefsels blijft echter een uitdaging vanwege factoren zoals de beperkte beeldsnelheid en aanzienlijke verstrooiing in troebele omgevingen.

In deze context zijn multimodale microscopietechnieken opmerkelijk. In het bijzonder maken niet-lineaire technieken zoals CRS (coherente Raman-verstrooiing) gebruik van optische vibratiespectroscopie, waardoor nauwkeurige chemische beeldvorming in weefsels en cellen mogelijk wordt gemaakt op een labelvrije manier.

Bovendien kan gestimuleerde Raman-verstrooiingsmicroscopie (SRS), een CRS-methode, nauwkeurig beelden van biomoleculen vastleggen vanwege de lineaire relatie tussen gestimuleerde Raman-intensiteit en de concentratie van doelmoleculen. Het doet dit met een hoge gevoeligheid en zonder interferentie van ongewenste, niet-resonante achtergronden.

In een recente studie gepubliceerd in Advanced Photonics Professor Zhiwei Huang, directeur van het Optical Bioimaging Laboratory van de afdeling Biomedical Engineering van het College of Design and Engineering van de National University of Singapore, werkte met zijn team samen aan de ontwikkeling van een nieuwe techniek genaamd fase-gemoduleerde gestimuleerde Raman-verstrooiingstomografie (PM- SRST) voor de labelvrije 3D-chemische beeldvorming van cellen en weefsels.

Volgens Huang:"Deze door ons ontwikkelde methode maakt de directe verwerving van 3D-monsterinformatie in het ruimtelijke domein mogelijk, zonder dat de nabewerkingsprocedures nodig zijn. We hebben ook het nut van de PM-SRST-techniek aangetoond voor het verbeteren van zowel de laterale resolutie als de beeldvorming diepte van SRS 3D-beeldvorming van bioweefsel."

Bij deze benadering wordt de reguliere "pomp" -straal in de SRS-methode vervangen door een gespecialiseerde straal die bekend staat als de Bessel-straal. De positie van een andere straal, de gefocusseerde Stokes-straal, wordt geregeld met behulp van een apparaat dat een ruimtelijke lichtmodulator wordt genoemd, langs de Bessel-pompstraal in het monster voor mechanische scanvrije z-doorsneden.

Bovendien wordt door het combineren van de Bessel-pompstraal met een Stokes-straal met een langere golflengte het vermogen van PM-SRST om verstrooiing aan te pakken verbeterd, waardoor snelle en gedetailleerde beelden in diepere weefselgebieden kunnen worden vastgelegd.

De effectiviteit van de methode werd bewezen door middel van experimenten waarin snelle labelvrije volumetrische chemische beeldvorming over diverse monsters werd getoond. Deze omvatten real-time monitoring van de 3D Brownse beweging van polymeerkralen in water, waarbij de diffusie- en opnameprocessen van deuteriumoxide (D₂ O) in plantenwortels, en het bestuderen van de biochemische reactie van borstkankercellen op azijnzuur.

Bovendien werd de lichtpenetratiediepte van PM-SRST vergeleken met die van conventionele SRS-beeldvorming. Bij PM-SRST is het signaal van diepere weefselgebieden aanzienlijk sterker dan bij C-SRS, wat leidt tot een ongeveer tweevoudige verbetering van de beelddiepte.

Huang merkt op:"De z-scanning-vrije optische sectie-eigenschap in PM-SRST is universeel en kan gemakkelijk worden uitgebreid naar andere beeldvormingsmodaliteiten. Het huidige systeem kan bijvoorbeeld gemakkelijk worden aangepast voor coherente anti-Stokes Raman-verstrooiing (CARS) tomografie, en door alleen de pomp of de Stokes-straal te gebruiken, kan de PM-SRST-techniek worden vereenvoudigd om tomografie van de tweede of derde harmonische generatie, multifoton-tomografie of fluorescentietomografie mogelijk te maken."

De PM-SRST-techniek is in staat tot snelle en labelvrije chemische 3D-beeldvorming en kan worden gebruikt om metabolische activiteiten en functionele dynamische processen te bestuderen die verband houden met de toediening van medicijnen en therapieën in levende cellen en weefsels.

Meer informatie: Weiqi Wang et al., Gestimuleerde Raman-verstrooiingstomografie voor snelle driedimensionale chemische beeldvorming van cellen en weefsel, Geavanceerde fotonica (2024). DOI:10.1117/1.AP.6.2.026001

Geleverd door SPIE