Ett nytt tillvägagångssätt för optisk avbildning gör det möjligt att snabbt och ekonomiskt övervaka flera molekylära interaktioner i ett stort område av levande vävnad - till exempel ett organ eller ett litet djur; teknik som kan ha tillämpningar inom medicinsk diagnos, guidad kirurgi, eller preklinisk läkemedelsprovning. Metoden, som är detaljerad i Nature Photonics , kan samtidigt spåra 16 färger av rumsligt länkad information över ett område som sträcker sig över flera centimeter, och kan fånga upp interaktioner som inträffar på bara miljarddels sekund.

"Vi har utvecklat ett smart sätt att skaffa en enorm mängd information på kort tid, "sa Xavier Intes, professor i biomedicinsk teknik vid Rensselaer Polytechnic Institute. "Vårt tillvägagångssätt är snabbare och billigare än befintlig teknik utan att kompromissa med precisionen i de data vi skaffar."

Som namnet antyder, optisk avbildning använder ljus för att undersöka ett mål. I biomedicinska tillämpningar, optisk avbildning har många fördelar jämfört med tekniker som MR och PET, som använder magnetism och positronemissioner för att få bilder inuti levande vävnad.

Metoden som Intes lab utvecklade använder avancerade optiska bildtekniker - fluorescenslivstidsbildning i kombination med fosterresonansenergioverföring - för att avslöja vävnadens molekylära tillstånd. Vid fluorescens livstidsavbildning (FLIM), intressanta molekyler är märkta med fluorescerande "reporter" -molekyler som, när upphetsad av en ljusstråle, avger en ljussignal med en viss färg över tid som är en indikation på deras närmaste miljö. Reportermolekyler kan ställas in för att ge information om miljöfaktorer som viskositet, pH, eller närvaron av syre. FLIM är idealiskt för de tjocka vävnaderna i en kropp eftersom det bygger på tidsinformation, snarare än ljusintensitet, som försämras avsevärt när den färdas genom vävnad. Forskare använde också Forster resonance energy transfer (FRET), som bestämmer närheten mellan två liknande taggade molekyler - såsom ett läkemedel och dess mål - baserat på en energiöverföring som endast sker när de märkta molekylerna levereras till de sjuka cellerna för maximal terapeutisk effekt.

Dock, medan FLIM-FRET-metoden genererar en signalrik information, att samla in den signalen snabbt och ekonomiskt är problematiskt. Nuvarande metoder är beroende av dyra kameror, som bara kan avbilda en reporter åt gången, och det kan ta timmar att skanna motivet eftersom kameran samlar in information från hela synfältet.

För att övervinna detta hinder, forskarna avstod från kameror och använde istället en enda pixeldetektionsmetod i kombination med en matematisk provtagningsteknik (baserad på en Hadamard-transform) som gjorde att de kunde samla in tillräckligt med relevant information på 10 minuter för att konstruera en exakt bild. Detektionsmetoden kan samla in information om 16 spektralkanaler samtidigt, och tre detektionsanordningar placerade runt provet gav rumslig information som användes för att konstruera en tredimensionell bild.

"Det här är en ny plattform, ett nytt alternativ i makroskopi, och vi tror att det kommer att ha dragkraft i flera tillämpningar på den biomedicinska arenan, "sa Intes.

Intes forskning möjliggörs av visionen om The New Polytechnic, ett framväxande paradigm för högre utbildning som erkänner att globala utmaningar och möjligheter är så stora att de inte kan hanteras tillräckligt av ens den mest begåvade personen som arbetar ensam. Rensselaer fungerar som ett vägskäl för samarbete - samarbete med partners inom olika discipliner, sektorer, och geografiska regioner - för att hantera komplexa globala utmaningar, använder de mest avancerade verktygen och teknikerna, varav många är utvecklade på Rensselaer. Forskning vid Rensselaer tar upp några av världens mest angelägna tekniska utmaningar - från energisäkerhet och hållbar utveckling till bioteknik och människors hälsa. The New Polytechnic är transformerande i forskningens globala inverkan, i sin innovativa pedagogik, och i livet för studenter på Rensselaer.