USC-forskare har utvecklat ett nytt verktyg för att se djupare och tydligare in i levande varelser, en visuell fördel som sparar tid och hjälper till att föra fram medicinska botemedel.

Det är den typen av grundläggande vetenskap som kan användas för att utveckla bättre diagnostik och behandlingar, inklusive att upptäcka lungcancer eller skador från föroreningar. Tekniken är mångsidig nog att den kan bli en smartphone-app för användning inom fjärrmedicin, upptäckt av livsmedelssäkerhet eller förfalskade valuta, sa Francesco Cutrale, huvudförfattare till studien och forskningsbiträdande professor i biomedicinsk teknik vid USC Viterbi School of Engineering.

Forskare knutna till USC Michelson Center for Convergent Bioscience har arbetat med tekniken under de senaste åren. Deras resultat publiceras idag i Naturkommunikation .

Tekniken fokuserar, bokstavligen, om biologins byggstenar. När biologer ser djupt in i en levande varelse - en cell, en fisk, en person – det är inte alltid klart vad som händer. Celler och proteiner är djupt sammanflätade över vävnader, lämnar många frågor om interaktionen mellan komponenterna. Det första steget för att bota sjukdomar är att se problemet tydligt, och det har inte alltid varit lätt.

Hur denna nya bildteknik fungerar

För att lösa problemet, forskare har förlitat sig på en teknik som kallas fluorescens hyperspektral avbildning (fHSI). Det är en metod som kan skilja färger över ett spektrum, tagga molekyler så att de kan följas, och producera livaktigt färgade bilder av en organisms inre.

Men fördelarna som fHSI erbjuder kommer med begränsningar. Det avslöjar inte nödvändigtvis fullfärgsspektrumet. Det kräver mycket data, på grund av komplexiteten hos biologiska system, så det tar lång tid att samla in och bearbeta bilderna. Många tidskrävande beräkningar är också involverade, vilket är en stor nackdel eftersom experiment fungerar bättre när de kan göras i realtid.

För att lösa dessa problem, forskarna från USC utvecklade en ny metod som kallas spektralt kodade förstärkta representationer (SEER). Den ger större klarhet och fungerar upp till 67 gånger snabbare och med 2,7 gånger bättre definition än nuvarande tekniker.

Den förlitar sig på matematiska beräkningar för att analysera data snabbare. Den kan bearbeta levande fluorescerande taggar över hela spektrumet av färger för mer detaljer. Och det använder mycket mindre datorminne, ännu viktigare med explosionen av big data-forskning bakom modern konvergent biovetenskaplig forskning. Enligt studien, SEER är en "snabb, intuitivt och matematiskt sätt" att tolka bilder när de samlas in och bearbetas.

"Det finns ett antal scenarier där denna efterhandsanalys, medan kraftfull, skulle vara för sent i experimentellt eller medicinskt beslutsfattande, " sade Cutrale. "Det finns ett gap mellan insamling och analys av hyperspektral data, där forskare och läkare är omedvetna om informationen i experimentet. SEER är designad för att fylla denna lucka."

Från att upptäcka lungcancer till potentiell mobilapp

SEER:s första ansökan kommer att vara inom det medicinska och forskningsområdet. Den mångsidiga algoritmen, först författad av Wen Shi och Daniel Koo vid Translational Imaging Center of USC, kommer att användas för att upptäcka tidiga stadier av lungsjukdomar och potentiella skador från föroreningar hos patienter i ett samarbete med läkare vid barnsjukhuset Los Angeles. Också, forskare inom biovetenskapsområdet har börjat använda SEER i sina experimentella pipelines i ett försök att ytterligare förbättra effektiviteten.

Förbättringar av bildteknik kan också nå konsumentnivå, så det är troligt att tekniker som fHSI och SEER kan installeras på mobiltelefoner för att tillhandahålla kraftfulla visualiseringsverktyg.

Michelson Center samlar ett mångsidigt nätverk av främsta forskare och ingenjörer från USC Dornsife College of Letters, Konst och vetenskap, USC Viterbi School of Engineering och Keck School of Medicine i USC under ett tak, tack vare en generös gåva på 50 miljoner dollar från ortopedisk ryggradskirurg, uppfinnaren och filantropen Gary K. Michelson och hans fru, Alya Michelson.