Forskare har utvecklat en ny teknik som möjliggör mikroskopisk fluorescensavbildning vid fyra gånger djupgränsen för ljusdiffusion. Fluorescensmikroskopi används ofta för att avbilda molekylära och cellulära detaljer i hjärnan i djurmodeller av olika sjukdomar men, tills nu, har begränsats till små volymer och mycket invasiva ingrepp på grund av intensiv ljusspridning av hud och skalle.

"Visualisering av biologisk dynamik i en ostörd miljö, djupt inne i en levande organism, är avgörande för att förstå den komplexa biologin hos levande organismer och utvecklingen av sjukdomar, "sade forskargruppens ledare Daniel Razansky från Zürichs universitet och ETH Zürich, båda i Schweiz. "Vår studie representerar första gången som 3D -fluorescensmikroskopi har utförts helt noninvasivt vid kapillärnivåupplösning i en vuxen mushjärna, täcker effektivt ett synfält på cirka 1 centimeter. "

I Optica , forskarna beskriver sin nya teknik, som kallas diffus optisk lokaliseringsavbildning (DOLI). Det drar nytta av det som kallas det andra nära-infraröda (NIR-II) spektralfönstret från 1000 till 1700 nanometer, som uppvisar mindre spridning.

"Att möjliggöra högupplösta optiska observationer i djupa levande vävnader representerar ett mångårigt mål inom det biomedicinska avbildningsområdet, "sa Razansky." DOLIs fantastiska upplösning för optiska observationer i djupvävnad kan ge funktionell insikt i hjärnan, gör det till en lovande plattform för att studera neural aktivitet, mikrocirkulation, neurovaskulär koppling och neurodegeneration. "

Uppnå större djup

För den nya tekniken, forskarna injicerar intravenöst en levande mus med fluorescerande mikrodroppar vid en koncentration som skapar en gles fördelning i blodströmmen. Att spåra dessa flödande mål möjliggör rekonstruktion av en högupplöst karta över den djupa cerebrala mikrovaskulaturen i mushjärnan.

"Metoden eliminerar spridning av bakgrundsljus och utförs med hårbotten och skallen intakt, "sa Razansky." Intressant nog, vi observerade också ett starkt beroende av den platsstorlek som spelats in av kameran på mikrodroppens djup i hjärnan, vilket möjliggjorde djupupplöst avbildning. "

Det nya tillvägagångssättet gynnas av den senaste tidens introduktion av mycket effektiva infraröda kortvågskameror baserade på InGaAs-sensorer. En annan viktig byggsten var användningen av nya kontrastmedel som uppvisade starka fluorescenssvar i NIR-II-fönstret, såsom blysulfid (PbS) -baserade kvantpunkter.

Skarp och tydlig bildbehandling

Forskarna testade först den nya tekniken i syntetiska vävnadsmodeller som kallas vävnadsfantomer som efterliknar genomsnittliga hjärnvävnadsegenskaper, visar att de kunde få mikroskopiska upplösningsbilder på upp till 4 millimeters djup i optiskt ogenomskinliga vävnader. De utförde sedan DOLI i levande möss där cerebral mikrovaskulatur samt blodflödeshastighet och riktning kunde visualiseras helt icke -invasivt.

Forskarna arbetar för att optimera precisionen i alla tre dimensioner för att förbättra DOLI:s upplösning. De utvecklar också förbättrade fluorescerande medel som är mindre, har starkare fluorescensintensitet och är mer stabila in vivo. Detta kommer att öka DOLIs prestanda avsevärt när det gäller den uppnåbara signalen till brus och bilddjup.

"Vi förväntar oss att DOLI kommer att framstå som ett kraftfullt tillvägagångssätt för fluorescensavbildning av levande organismer vid tidigare otillgängliga djup- och upplösningsregimer, "sade Razansky." Detta kommer att kraftigt förbättra in vivo -tillämpningen av fluorescensmikroskopi och tomografitekniker. "