Forskare har skapat en flexibel nålliknande endoskopisk avbildningssond som kan ta mikroskopiska 3D-bilder av vävnad. Böjbarheten är möjlig tack vare en ny flexibel graded index (GRIN) lins utvecklad av forskarna.

GRIN-linser, som ursprungligen utvecklades för telekommunikationsindustrin, används ofta för att utföra fluorescensmikroskopi som kan avbilda djupt in i vävnader. Men det faktum att de är stela komponenter har begränsat deras användning kliniskt.

"När en traditionell biopsi utförs representerar det ett enda ögonblick i tiden och det kan ta dagar att få resultat från laboratoriet", säger forskningsledare Guigen Liu från Harvard Medical School. "Våra böjbara avbildningssonder kan förkorta väntetiden till minuter och möjliggöra nya tillvägagångssätt som använder avbildning för att dynamiskt övervaka vävnadsförändringar, till exempel hur tumörer reagerar på behandlingar över tid."

I Optics Express , beskriver forskarna sin nya GRIN-lins, som de inkorporerade i en endoskopisk sond. Experiment visade att sondens avbildningsegenskaper bibehålls även när den är böjd.

"Den böjbara naturen hos dessa GRIN-sonder gör mätningar i levande försökspersoner, såsom djur eller mänskliga patienter, mycket mer strömlinjeformade och praktiska," sa Liu. "Det kan vara användbart för exakt, minimalt invasiv mikroskopistyrd placering av nålar och katetrar för vävnadsbiopsier och tumörablation, till exempel."

Bilder genom en böjd lins

GRIN-linser är kiselglasstavar med ett kontinuerligt föränderligt brytningsindex som fokuserar ljus som kommer genom staven utan att behöva en separat fokuseringslins. Sedan deras utveckling för cirka 50 år sedan har det allmänt ansetts att GRIN-linser endast kan användas som stela bildsonder. I det nya arbetet beslutade forskarna att utmana denna uppfattning genom att ta reda på om det var möjligt att avbilda genom en böjd GRIN-lins.

Forskarna specialdesignade en GRIN-lins på 500 mikron i diameter och cirka 100 mm lång. Linsens långa, tunna form och dess avsaknad av ett styvt yttre hölje ger den flexibiliteten att böja sig cirka 10 grader utan att gå sönder. De införlivade sedan den nya GRIN-linsen i en endoskopisk avbildningssond och testade den genom att utföra tvåfoton 3D-fluorescensavbildning genom den.

För att simulera den verkliga böjningen som skulle upplevas djupt inuti vävnader, placerades linsen vertikalt och trycktes för att introducera den typ av strålavböjning som skulle upplevas om sonden användes i arbetskanalen för en nål som används för en biopsi.

Experimentet visade att upplösningen och signalnivån inte uppenbarligen försämrades när ena änden av sonden förflyttades i sidled med 6 mm. "När linsen är böjd anpassar sig signalbanorna som bär bilden genom stången synergistiskt genom att växla i sidled, ungefär som en bil tenderar att växla mot utsidan av en hal krökt väg", sa Liu. "Medan signalbanorna förvrängs lite när de växlar, behåller de till stor del sina egenskaper som ordning och form. Detta gör att det mesta av upplösningen och signalnivån kan behållas."

Ett nytt sätt att screena cancerläkemedel

Även om ytterligare utveckling och testning skulle behövas för att få in endoskopet till kliniken, hittar enheten redan tillämpningar inom biomedicinsk forskning. Teamledaren och medförfattaren Oliver Jonas och kollegor parar ihop endoskopet med en ny typ av mikroenhet för att testa en metod för att snabbt utvärdera effektiviteten av olika cancerterapier.

Teamets nya mikroenheter är designade för att implanteras direkt i en tumör och bära små mängder av upp till 20 läkemedel. To measure the effectiveness of the various drugs without removing any tumor tissue, the researchers insert a GRIN-based endoscope directly into the microdevice where it can be used to image fluorescence signals inside the tumor. Although this setup is currently being studied in mice, it could eventually be used in patients to quickly figure out which treatment options are best for fighting each patient's specific tumor.

To move the probes toward clinical application, the researchers are also working to develop longer bendable GRIN lenses to allow deeper imaging and more flexibility. They also want to enhance the mechanical durability of the optical components using a thin polymer coating that won't affect flexibility. + Explore further

Pencil-beam scanning catheter for intracoronary optical coherence tomography