En majoritet av sjukdomstillstånden från cancer och åderförkalkning till neurodegenerativa och ortopediska störningar åtföljs av förändringar i vävnadsstelhet. Klinisk medicin har länge förlitat sig på manuell palpation av misstänkta regioner för att upptäcka vävnadsstelhet för diagnos. Avbildningsmetoder som ultraljud, MRT och OCT kan också effektivt mäta vävnadsstyvhet. Laser speckle rheology (LSR) erbjuder en ny, beröringsfritt optiskt tillvägagångssätt. LSR använder en billig laser som liknar en vanlig laserpekare för att lysa laserljus på vävnad – plus en kamera för att avbilda fläckmönster som reflekteras från ljusspridande partiklar i provet.

Harvard Medical School docent i dermatologi Seemantini Nadkarni, vars labb vid Wellman Center for Photomedicine utvecklade LSR, förklarar laserfläckmönsters roll för att kommunicera vävnadsstyvhet:"I en mjuk, kompatibelt exemplar, ljusspridande partiklar rör sig snabbt, vilket gör att fläckmönstret fluktuerar i en snabbare takt. I kontrast, i ett styvt exemplar, ett tätt nätverk av fibrer begränsar dessa rörelser, ger upphov till ett trögt blinkande av fläckar." Genom att mäta hastigheten för fluktuationer, LSR möjliggör mätning av vävnadernas komplexa materialegenskaper.

Laserfläckreologi, en handledning

En handledning som nyligen publicerades av Nadkarni och hennes kollega Zeinab Hajjarian i open access, peer-reviewed Journal of Biomedical Optics (JBO), ger en snabb och visuellt rik genomgång av optiska metoder inom vävnadsmekanik, med särskilt fokus på LSR. Handledningen diskuterar olika kliniska tillämpningar för att översätta LSR-plattformen för tillämpningar inom grundforskning och klinisk medicin. Den är baserad på en föreläsningsserie som presenterades av Nadkarni på 9 ^th International Graduate Summer School, Biophotonics '19, i Hven, Sverige.

JBO:s chefredaktör Brian Pogue, MacLean professor i ingenjörsvetenskap vid Dartmouth College Thayer School of Engineering, säger, "Handledningen kombinerar de kritiska aspekterna av experimentella metoder i hur fläckfältsmätningar utformas och används, med en uppskattning av behoven i cellen, matris, och biologisk vävnadskarakterisering." Författarna granskar både in vitro-applikationer och in vivo vävnadsavbildning innan de sammanfattar fältets historia och vart det verkar vara på väg.

Med målet att utöka räckvidden för LSR-plattformen till utredning och diagnos av mänskliga sjukdomar ur ett biomekaniskt perspektiv, forskargruppen har utvecklat olika enheter som utnyttjar LSR-plattformen för tillämpningar inom hematologi, interventionell kardiologi, och cancerforskning.

Blodkoagulationssensor i handflata

Ett huvudtema för undersökningen är användningen av LSR för att upptäcka blödningar och trombotiska störningar hos patienter vid vårdpunkten. Teamet har utvecklat en blodkoagulationssensor i handflatan, kallas iCoagLab, som använder några droppar blod för att mäta olika parametrar för att utvärdera en patients koagulationstillstånd inom några minuter.

"Koagulationsförsämringar inträffar när blodet koagulerar alldeles för långsamt eller alldeles för snabbt, och den resulterande koageln är mycket lös eller mycket fast vilket orsakar blödningar eller trombotiska händelser, ", sa Nadkarni. "Genom att mäta och övervaka stelheten av att koagulera blod med hjälp av LSR, vi kan identifiera livshotande koagulationsdefekter och sannolikt vägleda blodtransfusionsstrategier hos blödande patienter eller informera om dosering av blodförtunnare till patienter med trombotiska tillstånd."

Kartläggning av vävnadsstyvhet i blodkärl

LSR kan också utföras via optiska fiberbuntar med liten diameter som ingår i endoskop, katetrar eller nålar för att utvärdera inre vävnader inuti kroppen som annars kan vara otillgängliga för traditionella mekaniska tester. Till exempel, hjärtinfarkt, den vanligaste dödsorsaken i världen, uppstår på grund av att mekaniskt svaga plack brister i kärlväggen.

"Vårt forskarteam har utvecklat intravaskulär LSR-kateterteknologi för att ge styvhetskartan över hela kärlväggarna och detektera mekaniskt instabila fettplack som är inblandade i hjärtinfarkt. Vi har testat LSR-kateterteknologin i kranskärl från mänskliga kadaver och i levande djurmodeller, och utvecklar tekniken mot prekliniska och kliniska miljöer, sa Nadkarni.

Nytt LSR-mikroskop till hjälp vid cancerforskning

Olika grundläggande mekanobiologiska studier har under årens lopp betonat vikten av mikromekaniska aspekter av vävnad och sjukdomar och efterlyst nya verktyg för att mäta dessa egenskaper. Författarna till denna handledning har också utvecklat ett nytt LSR-mikroskop som möjliggör kartläggning av styvheten hos vävnader och material på längdskalor över några tiotals mikron.

"Det nya LSR-mikroskopschemat fångar kartan över styvhetsfördelningen över flera centimeter av ett vävnadsprov på bara några sekunder. I jämförelse, liknande mätningar som erhållits med traditionella mikroindragningstekniker kan ta flera timmar, " sa medförfattaren Hajjarian, assistent i elektroteknik vid Wellman Center for Photomedicine, och instruktör i dermatologi vid Harvard Medical School. "Vi har visat de unika styrkorna hos denna teknik i mikrotillverkade fantomer, in vitro-modeller av cancermaligniteter, och tumörprover insamlade från patienter."

Författarna berör de tekniska aspekterna av hur dessa fysiska principer driver olika bearbetningsaspekter av speckle frame-serien för att kvantifiera mekaniska parametrar som är viktiga för vävnadens natur eller funktion. Pogue finner detta upplägg anmärkningsvärt:"Särskilt, författarnas tillvägagångssätt för att utveckla ett flödesschema över bearbetningsalgoritmerna och teoretiska underlag ger grunderna som behövs för att förstå vad som mäts."

Genom att presentera LSR i ett bredare sammanhang av konkurrerande optiska tekniker och tillhandahålla en jämförande diskussion av de specifika egenskaperna för varje teknik, författarna har tjänat intressena för den biomedicinska optiska ingenjörsgemenskapen. Enligt Pogue, "Deras dissektion av de konkurrerande optiska metoderna som används, såsom optisk koherenselastografi, dragkraftsmikroskopi, dynamisk ljusspridning och diffusionsvågspektroskopi hjälper till att sätta metoderna för laserfläckreologi i bättre sammanhang, i redskapens armamentarium."