Att förstå komplexa biologiska och biomedicinska system underlättas i hög grad av 3D-avbildning, som ger mycket mer detaljerad information än traditionella tvådimensionella metoder. Avbildning av levande celler och vävnader är dock fortfarande utmanande på grund av faktorer som begränsad avbildningshastighet och betydande spridning i grumliga miljöer.
I detta sammanhang är multimodala mikroskopitekniker anmärkningsvärda. Specifikt använder ickelinjära tekniker som CRS (koherent Raman-spridning) optisk vibrationsspektroskopi, vilket ger exakt kemisk avbildning i vävnader och celler på ett etikettfritt sätt.
Dessutom kan stimulerad Raman-spridningsmikroskopi (SRS), en CRS-metod, exakt fånga bilder av biomolekyler på grund av det linjära förhållandet mellan stimulerad Raman-intensitet och koncentrationen av målmolekyler. Den gör det med hög känslighet och utan störningar från oönskade, icke-resonanta bakgrunder.
I en nyligen publicerad studie publicerad i Advanced Photonics , professor Zhiwei Huang, chef för Optical Bioimaging Laboratory vid Institutionen för biomedicinsk teknik vid College of Design and Engineering vid National University of Singapore, arbetade med sitt team för att utveckla en ny teknik som kallas fasmodulerad stimulerad Raman-spridningstomografi (PM- SRST) för etikettfri 3D-kemisk avbildning av celler och vävnader.
Enligt Huang, "Denna metod som utvecklats av oss möjliggör direkt inhämtning av 3D-provinformation i den rumsliga domänen, utan att nödvändiga efterbehandlingsprocedurer. Vi har också visat användbarheten av PM-SRST-tekniken för att förbättra både den laterala upplösningen och avbildningen. djup av SRS 3D-avbildning av biovävnader."
I detta tillvägagångssätt ersätts den vanliga "pump"-strålen i SRS-metoden med en specialiserad stråle känd som Bessel-strålen. Positionen för en annan stråle, den fokuserade Stokes-strålen, styrs med hjälp av en anordning som kallas rumslig ljusmodulator längs Bessel-pumpstrålen i provet för mekanisk skanningsfri z-sektionering.
Dessutom, genom att kombinera Bessel-pumpstrålen med en Stokes-stråle med längre våglängd, förbättras förmågan hos PM-SRST att hantera spridning, vilket gör det möjligt att ta snabba och detaljerade bilder i djupare vävnadsområden.
Metodens effektivitet bevisades genom experiment som visade upp snabb etikettfri volymetrisk kemisk avbildning över olika prover. Dessa inkluderade realtidsövervakning av den 3D Brownska rörelsen av polymerpärlor i vatten, observation av diffusions- och upptagningsprocesser för deuteriumoxid (D2 O) i växtrötter och studera det biokemiska svaret från bröstcancerceller på ättiksyra.
Dessutom jämfördes ljuspenetrationsdjupet för PM-SRST med det för konventionell SRS-avbildning. I PM-SRST är signalen från djupare vävnadsområden avsevärt starkare än i C-SRS, vilket leder till en ungefär tvåfaldig förbättring av avbildningsdjupet.
Huang noterar, "Den z-skanningsfria optiska sektioneringsegenskapen i PM-SRST är universell, som lätt kan utökas till andra bildbehandlingsmodaliteter. Till exempel kan det nuvarande systemet enkelt anpassas för koherent anti-Stokes Raman-spridning (CARS) tomografi, och genom att använda antingen pumpen eller Stokes-strålen enbart, kan PM-SRST-tekniken förenklas för att underlätta andra eller tredje generationens tomografi, multifotontomografi eller fluorescenstomografi."
PM-SRST-tekniken är kapabel till snabb och etikettfri kemisk avbildning i 3D och kan användas för att studera metaboliska aktiviteter och funktionella dynamiska processer relaterade till läkemedelstillförsel och terapi inom levande celler och vävnader.
Mer information: Weiqi Wang et al, Stimulerad Raman-spridningstomografi för snabb tredimensionell kemisk avbildning av celler och vävnader, Avancerad fotonik (2024). DOI:10.1117/1.AP.6.2.026001
Tillhandahålls av SPIE
