Nya fotoniska verktyg för medicinsk avbildning kan användas för att förstå det olinjära beteendet hos laserljus i mänskligt blod för teranostiska tillämpningar. När ljuset kommer in i biologiska vätskor sprids det snabbt, dock, vissa cellsuspensioner kan få olinjära svar i laserstrålar till självfokus och förbättra ljusets penetration för biomedicinska tillämpningar som en kvantifierbar markör för sjukdom. I en ny studie som nu publicerats i Ljus:Vetenskap och tillämpningar , Rekha Gautam och hennes kollegor vid San Francisco State University och ett internationellt team av arbetskamrater visade att en laserstråle som lyser genom suspensioner av röda blodkroppar kan bli "självklämd". Processen reducerade ljusspridning för att behålla kraften hos laserljusstrålen i de biologiska proverna.

Den observerade olineariteten berodde på osmotiska tillstånd och provens ålder. Forskarna föreslår att man använder tekniken för att diagnostisera sicklecellanemi eller malaria; sjukdomar som påverkar blodcellernas storlek och form. Osmotiska tillstånd spelar en viktig roll i egenskaperna hos mänskliga röda blodkroppar (RBC) som är avgörande vid sjukdomsanalys. Många ansträngningar under det senaste decenniet har fokuserat på att studera de biomekaniska egenskaperna hos RBC som suspenderas i olika osmotiska lösningar.

I det nuvarande arbetet, Gautam et al. bestämde den självfällande och spridningsresistenta olinjära utbredningen av en laserstråle genom tre olika osmotiska lösningar/förhållanden. Resultaten visade att styrkan hos den optiska olineariteten ökade med osmotiskt tryck på cellerna. Intressant, i åldrade blodprov med lyserade celler var det olinjära beteendet särskilt annorlunda på grund av närvaron av fritt hemoglobin. För att förklara de experimentella observationerna, Gautam et al. använde en teoretisk modell med en optisk kraftförmedlad icke-lokal olinearitet. Det nuvarande arbetet med lätt självstyrning genom spridd mjuk biologisk materia kan introducera nya fotoniska verktyg för icke-invasiv biomedicinsk avbildning och medicinsk diagnos.

Mänskliga RBC är skivformade formbara celler som har ett rumsligt enhetligt brytningsindex eftersom de saknar kärnor till skillnad från de flesta organeller, och visar distinkt deformerbarhet för passage genom vener och mikrokapillärer. Formändringen kan föranledas genom att modifiera osmolariteten hos den omgivande vätskebufferten för att använda RBC som avstämbara optofluidiska mikrolinser. De optiska egenskaperna hos RBC är viktiga för in vitro och in vivo sjukdomsdiagnostik där brytningsindexet för RBC bestäms av hemoglobin (Hb) - den största delen av erytrocytens torrhalt i vikt. Som ett resultat, om cellvolymen minskade på grund av varierande osmotiska tillstånd, brytningsindex ökade.

Patofysiologiska tillstånd, såsom sicklecellanemi, malaria och sepsis är ofta nära besläktade med de fysikaliska egenskaperna hos RBC, deras form och storlek. De grundläggande egenskaperna hos olika brytningsindex och cellformer gör att RBC kan reagera på förändringar i olika osmotiska miljöer, vilket gör dem till idealiska kandidater för att studera spridning av ljus. I det nuvarande arbetet, Gautam et al. visade olinjär självfällning av ljus över ett centimeters utbredningsavstånd genom att sprida RBC-suspensioner. När de ökade laserstrålens effekt, de visade strålen dramatiskt självfokuserad inom alla tre osmotiska förhållanden-ungefär som optiska rumsliga solitoner (olinjära självinstängda vågpaket). De optiska krafter som förändras med celldensitet och morfologi kan tillhandahålla icke -invasiva verktyg för att sortera olika celler, enligt ett specifikt stadium av en given sjukdom.

Forskarna fick blodprov från anonyma givare för experimenten. I den första uppsättningen experiment, de använde en linjärt polariserad kontinuerlig våg (CW) laserstråle med en våglängd på 532 nm. De fokuserade ljuset till en 3 cm lång glaskuvett fylld med RBC -suspensioner under olika osmotiska förhållanden, som tidigare beskrivits. De övervakade de linjära och olinjära utmatningarna från provet med hjälp av en CCD -kamera och effektdetektor, och mätte stråldiametrarna med hjälp av Beamview -programmet. Strålen diffrakterade först normalt vid en låg effekt på 10 mW och upplevde därefter kraftig spridning på grund av slumpmässig fördelning av icke-sfäriskt formade RBC.

Gautam et al. mätt sedan normaliserad lasersändning (utgång/ingångseffekt) som en funktion av ingångsstrålen. I hypotoniska lösningar, de noterade att RBC var i ett "svullet" tillstånd där det effektiva brytningsindexet för cellerna minskade när vatten-till-Hb-förhållandet ökade. I kontrast, i den hypertoniska lösningen, forskarna observerade att RBC minskade, och deras effektiva index ökade på grund av minskat vatten-till-Hb-förhållande. I en tredje isotonisk lösning, cellerna uppvisade ett "normalt" tillstånd, där RBC visade mellanliggande beteende. När experimenten utfördes med samma blodprov två veckor senare, forskarna observerade särskilt olika resultat där det olinjära fokuset dramatiskt förbättrades för den hypertoniska lösningen.

I en andra uppsättning experiment, forskarna använde ett hembyggt optiskt pincettsystem för att mäta den optiska gradientkraften på RBC. Gautam et al. samlade det framåtspridande ljuset från de fångade cellerna med en kondensorlins och fokuserade därefter på en positionskänslig detektor (PSD). De beräknade styvheten och gradientkraften i de tre separata lösningarna. För att förenkla mätningarna, Gautam et al. behandlade hypotoniska och hypertoniska RBC som skivformade objekt. De använde en CCD -kamera för att spela in cellrörelser från de tre olika lösningarna tillsammans med ett mikroskop med två mål, där installationen kördes med en 960 nm laserstråle. Resultaten illustrerade rörelsen av celler mot brunisk rörelse under inverkan av optiska krafter baserat på cellens förhållanden (form, storlek) och deras strålinfångningskapacitet. Gautam et al. uppskattade infångningskraften med hjälp av Langevin -ekvationen och informerade om att kraften följde en trend av hypertonisk> isotonisk> hypotoniska tillstånd.

Forskarna utvecklade sedan en modell för att simulera olinjär stråleutbredning i biologisk mjuk materia för att förstå fysiken för optisk kraftmedierad olinearitet. De modellerade tidsutvecklingen av partikelkoncentrationsfördelningen med hjälp av en diffusions-advektionsekvation och ansåg närvaron av en framåtriktad spridningskraft för att pressa partiklarna längs strålens utbredningsriktning, vid sidan av den optiska gradientkraften. Gautam et al. beräknade förändringen i strålstorlek för de olika gradient- och spridningskraftparametrarna för att simulera de olinjära självfokuserade effekterna under olika buffertförhållanden. De registrerade den förändrade storleken, volym och brytningsindex för RBC under olika osmotiska förhållanden som var ansvariga för den varierande storleken på optiska krafter som modifierade den optiska olineariteten. De simulerade resultaten överensstämde kvalitativt med de experimentella observationerna.

På det här sättet, Gautam et al. studerat olinjär strålförökning i humana RBCs suspenderade i tre olika buffertlösningar. De fann att RBC uppvisade en stark självfokuserad olinearitet som kunde kontrolleras kemiskt baserat på buffertlösningen. De föreslår därför att justera den optiska olineariteten via osmos och ökat osmotiskt tryck, utanför cellerna i färska blodprov. När proverna åldrades, fritt hemoglobin från de lyserade RBC:erna spelade en aktiv roll i den observerade optiska olineariteten och förbättrade det olinjära svaret under hypotoniska förhållanden.

Med direktmikroskopi och optiska pincettmätningar, forskarna visade att strålningens infångningskraft var störst för RBC under hypertoniska förhållanden och svagast för hypotoniska lösningar. Forskarna introducerade en teoretisk modell för att validera de observerade experimentella effekterna. Arbetet kommer att introducera ett nytt perspektiv i utvecklingen av diagnostiska verktyg eftersom resultaten är mycket lovande mot utvecklingen av laserbehandlingsterapier för blodrelaterade sjukdomar.

© 2019 Science X Network