Biegsame Laserstrahlen Können Menschliches Gewebe Wie Nie Zuvor Untersuchen

Lichtblatt-Fluoreszenzmikroskopie könnte zu einer weniger aufdringlichen und effektiveren Diagnose für Patienten führen.

Der folgende Aufsatz wird mit Genehmigung von abgedruckt.

The Conversation, eine Online-Publikation mit den neuesten Forschungsergebnissen.

Die Lichtblatt-Fluoreszenzmikroskopie ist eine aufregende neue Bildgebungsmethode, bei der dünne Lichtschichten genutzt werden, um Bilder von großen biologischen Proben wie Fliegen- und Fischembryonen, Mäusen und sogar menschlichen Gewebestücken zu erstellen. Und seine Verwendung könnte zu einer weniger aufdringlichen und effektiveren Diagnose für Patienten führen.

An der University of St. Andrews haben wir kürzlich die ungewöhnlichen Eigenschaften geformter Laserstrahlen genutzt, um ein klareres Bild tiefer in Proben zu erhalten. Dabei werden Strahlen verwendet, die sich um Ecken biegen und krümmen und auf ihrem Weg heller als dunkler werden.

Wenn Sie dagegen einen Finger kurz vor einen herkömmlichen Laserpointer halten, werden Sie feststellen, dass Ihr Finger leuchtet, wenn der Strahl das Licht in alle Richtungen streut und nur eine geringe Menge Licht - falls vorhanden - durchkommt.

Die Mikroskopie hat sich seit ihrer Entwicklung vor mehr als 350 Jahren rasant entwickelt, es bleibt jedoch eine Herausforderung, große dreidimensionale (3D) Proben abzubilden. Dies bedeutet, dass biologische Proben in der Regel einzelne Zellschichten sind, die auf einem dünnen Objektträger wachsen, was kein sehr realistisches Szenario ist.

Menschen sind 3D-Wesen, und die Krankheitsforschung muss dies berücksichtigen. Wenn eine Person ein Medikament für eine Krankheit bekommt, wäre es schön, wenn es keine andere verursachen würde. Aus diesem Grund bewegt sich ein Großteil der biomedizinischen Forschung in Richtung 3D-Modelle, um Krankheiten wie Alzheimer und Parkinson genauer zu untersuchen.

Die Lichtblatt-Fluoreszenzmikroskopie ist jedoch eine Technologie, die besonders geeignet ist, große Volumina schnell und ohne Beschädigung abzubilden. Die Geometrie für diese Form der Mikroskopie wurde ursprünglich zu Beginn des 20. Jahrhunderts entwickelt, um die Untersuchung von Nanopartikeln zu unterstützen.

Richard Zsigmondy erhielt 1925 den Nobelpreis für Chemie, teilweise für die Entwicklung dieser Technologie - aber sie wurde später nicht mehr verwendet. Erst mit dem Aufkommen von Laserbeleuchtung und natürlich vorkommenden fluoreszierenden Biomarkern erlebte die Lichtblattmikroskopie in den letzten zwei Jahrzehnten eine Renaissance in der biomedizinischen Bildgebung.

Blattwender

Der fehlende Kontrast in einem Bild kann sich als erhebliche Hürde bei der Abbildung großer Proben erweisen. Dies entspricht dem Versuch, ein Buch mit transparenten Seiten im Dunkeln zu lesen.

Wenn Sie eine Fackel auf das Buch richten, sind die Wörter auf der Seite sichtbar, aber Sie sehen auch die Wörter vor und hinter der Seite, die Sie lesen. Dadurch ist es äußerst schwierig zu erkennen, welches Wort von welcher Seite stammt. Das gleiche Problem gilt für den Versuch, mit Fluoreszenzmikroskopie in große Proben zu sehen.

Wenn Sie das Lichtblatt lesen, wird das Buch wieder zugänglich, indem Sie einfach die Taschenlampe an die Seite des Buches halten und sie über jede Seite einzeln leuchten lassen.

Bei der Lichtblattmikroskopie wird ein dünnes Lichtblatt in die Seite der Probe geschickt, das sich direkt über das zu betrachtende Teil schneidet. Auf diese Weise wird die Fluoreszenz immer noch in der interessierenden Ebene erzeugt, jedoch nirgendwo anders, und das Endergebnis ist ein klares, klares Bild. Indem das Lichtblatt dünner gemacht wird, werden kleinere Objekte sichtbar.

Die eigentliche Herausforderung besteht darin, ein superdünnes Lichtblatt herzustellen, das über eine gesamte Probe schneidet. Trotz des innovativen Bildgebungsansatzes unterliegt das Lichtblatt weiterhin den Regeln der Optik. Ein Standard-Laserstrahl, der als Gaußscher Strahl bekannt ist, ist durch Divergenz begrenzt.

Wenn Sie einen Gaußschen Strahl auf einen Punkt fokussieren, divergiert er und dehnt sich anschließend aus. Wenn Sie es enger fokussieren, wird es schneller expandieren. Dies begrenzt die Länge von superdünnen Lichtblättern und kann daher nicht zum Abbilden großer Objekte verwendet werden.

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Dieses Video zeigt einen standardmäßigen fokussierten Gaußschen Laserstrahl (links) und speziell geformte Strahlen, die die Divergenz betrügen und sich beim Durchlaufen des Fokus nicht ausdehnen - insbesondere einen Bessel-Strahl (Mitte) und einen Luftstrahl (rechts).

Die Forscher begannen 2010 mit der Erforschung der Verwendung exotischer Strahlen mit ungewöhnlichen Eigenschaften für die Erzeugung von Lichtblättern. Diese Strahlen betrügen die Divergenz und ändern ihre Form oder Größe während ihrer Reise nicht und können daher über viel größere Entfernungen dünn bleiben als ein normaler Gaußscher Strahl ein Mikroskop mit hoher Auflösung und großem Abbildungsbereich.

Exotische Strahlen für den Sieg

Bessel-Strahlen und Airy-Strahlen, von denen gesagt wurde, dass sie einen „Triple-Win“für die Mikroskopie ergeben, sind die bemerkenswertesten exotischen Strahlen, um die Regeln zu biegen.

Diese exotischen Strahlen ermöglichen nicht nur eine größere Auflösung über einen großen Abbildungsbereich, sondern verteilen auch ihre Energie, wodurch die Probe vor intensiven Schäden durch Laserbestrahlung geschützt wird. Sie widerstehen auch der Streuung und werden so nicht verzerrt, was zu hochwertigen Lichtblättern und Bildern führt.

Vor kurzem haben wir die Form dieser speziellen Strahlen weiter kontrolliert und dabei Strahlen und Lichtblätter verwendet, die an Intensität zunehmen und auf ihrem Weg heller werden können. Die Verwendung von helleren Lichtblättern bedeutet, dass wir mehr Signal von tief im Inneren der Proben erhalten, wo die Absorption normalerweise dazu führen würde, dass das Lichtblatt und das Bild verrauscht und viel schwächer werden.

Die Technik beruht auf der Steuerung der Verteilung der Energie innerhalb der Probe. Der naive Weg, um mehr Signal aus tieferen Bereichen einer Probe zu erhalten, besteht darin, die Laserleistung zu erhöhen, was die Oberfläche der Probe stark beschädigen könnte. Indem wir selektiv mehr Energie nur in den tiefen Schichten konzentrieren, können wir das Signal so erhöhen, dass die Probe nicht geschädigt wird.

Unsere Forschung hat gezeigt, dass dieser Ansatz mit geformtem Licht für die Bildgebung von Lichtblättern von Vorteil ist, aber wir erwarten auch, dass er die Grenzen einer Reihe anderer optischer Bildgebungstechniken wie der optischen Kohärenztomographie - einer Art „optischer Ultraschall“-Bildgebungsmethode - überschreiten kann Finden vieler klinischer Anwendungen, einschließlich der Netzhautbildgebung.

Es ist eine aufregende Zeit, mit solchen exotischen Strahlen zu arbeiten.