Till en patient, analysen av ett vävnadsbiopsiprov för att kontrollera något som cancer kan tyckas vara en relativt enkel process, även om det innebär att ge upp en liten bit kött för att testas. Provet går till ett labb, patienten går hem, och om flera dagar ringer läkaren med resultatet.

I verkligheten, en hel del arbete går åt till att förbereda ett vävnadsprov och utvärdera det för tecken på sjukdom. För att ses i mikroskop, provet måste skäras i extremt tunna skivor som kanske bara är några få celler tjocka. Och för att underlätta visningen, Teknikern kan använda en mängd olika färgämnen för att märka specifika proteiner eller cellstrukturer.

"Omfattande bearbetning av provet krävs, " säger Lihong Wang, Caltechs Bren professor i medicinsk teknik och elektroteknik vid avdelningen för teknik och tillämpad vetenskap. "Du kan bara märka så många molekyler åt gången, och du måste tvätta mellan etiketterna. Och vissa molekyler absorberar inte färgämnen och blir inte märkta alls."

En ny teknik som utvecklas i Wangs labb syftar till att göra den processen mycket enklare och mindre invasiv. Istället för att använda färgämnen, tekniken använder pulser av laserljus för att avbilda ett prov.

Detta nya tillvägagångssätt, kallas ultraviolett-lokaliserad mellaninfraröd fotoakustisk mikroskopi, eller ULM-PAM, utvecklar bilder av de mikroskopiska strukturer som finns i en bit vävnad genom att bombardera provet med både infrarött och ultraviolett laserljus.

Ett prov som ska avbildas träffas först med en puls av ultraviolett laserljus. Detta ljus får molekylerna inuti provet att vibrera. Sensorer placerade mot provet tar upp dessa vibrationssignaler och skickar dem vidare till en dator som bearbetar dem.

I nästa steg, provet träffas med en puls av infrarött laserljus. Denna puls värmer provet något men inte jämnt. Vissa material i provet, som proteiner eller DNA, kommer att värmas upp mer än andra eftersom de absorberar mer energi från lasern.

Omedelbart efter värmepulsen, provet träffas återigen med en puls av ultraviolett laserljus. Precis som tidigare, UV-ljuset får molekyler inuti provet att vibrera, och dessa signaler skickas vidare till datorn. Genom att jämföra signalerna från prover före och efter att de värms upp, datorn skapar en bild där strukturer kan identifieras genom deras värmesignaturer. Eftersom cancerceller uttrycker proteiner och DNA annorlunda än friska celler, de kan särskiljas på detta sätt.

För att bättre förstå hur det fungerar, tänk om du fick två pappersark – ett vitt och ett svart – och ombads bestämma vilket som var vilket utan att titta på dem.

Ett sätt att göra det är att ställa båda pappersark i solen, vänta några minuter, och ta sedan deras temperatur. Eftersom svarta föremål absorberar mer ljus än vita föremål, det svarta arket skulle bli varmare än det vita. Solljuset i detta exempel är analogt med den infraröda lasern som används i ULM-PAM-tekniken, och termometern är analog med UV-lasern.

Junhui Shi, en postdoktor i medicinsk teknik i Wangs labb, ledde det tvååriga arbetet med att utveckla ULM-PAM och säger att projektet stod inför några betydande hinder.

"Eftersom ultraviolett ljus och infrarött ljus har olika egenskaper, vi var tvungna att hitta speciella speglar och glas som kunde fokusera både, " säger han. "Och eftersom det inte finns någon kamera som kan se båda, vi var tvungna att utveckla sätt att se om de var korrekt fokuserade."

Även om Wang och Shi har visat att ULM-PAM fungerar, deras teknik förblir på proof-of-concept-stadiet. Det tar fortfarande för lång tid att vara användbar i en klinisk miljö – även om uppgradering av lasrarna möjliggör snabbare skanningar av vävnadsprover, de säger.

Ett långsiktigt mål är att utveckla tekniken till något som kan användas på vävnader medan de fortfarande finns i en patients kropp, säger Wang.

"Jag vill flytta det här till in vivo. Jag vill använda det här för att avbilda cancerceller under operation, " säger han. "Det skulle vara drömmen."

Uppsatsen som beskriver tekniken, med titeln "Högupplösning, högkontrast mellaninfraröd avbildning av färska biologiska prover med ultraviolett-lokaliserad fotoakustisk mikroskopi, " visas i numret av 13 maj Nature Photonics .