Исследователи Университета Джона Хопкинса сообщают, что они разработали два новых эндоскопических датчика, которые значительно повышают разрешение изображения и позволяют напрямую наблюдать за тонкими структурами тканей и активностью клеток в небольших органах овец, крыс и мышей.
Если клинические испытания подтвердят ценность инструментов для человека, говорят исследователи, то в один прекрасный день телескопы могут уменьшить нашу зависимость от инвазивной биопсии для диагностики рака и других заболеваний.
«Эти инструменты позволяют заглянуть в такие органы, как желчные протоки, поджелудочную железу и легкие, что дает нам более быстрый и безопасный способ диагностики различных заболеваний», - говорит Синдэ Ли, доктор философии, профессор. биомедицинской инженерии в Медицинской школе Университета Джона Хопкинса.
В статье, опубликованной 3 ноября в журнале Light: Science & Applications, исследователи описали разработку усовершенствованного миниатюрного двухфотонного эндомикроскопа, который использует природную способность клеток флуоресцировать или «светиться» без использования вводили красители для получения структурных изображений клеток и функциональной информации о метаболическом статусе органов, которые они населяют.
«Получение изображений без этикеток важно, потому что химические вещества, традиционно используемые для маркировки образцов биопсии в лаборатории, могут быть вредными, если их использовать непосредственно внутри человеческого тела», - говорит Ли.
Флуоресценция - это излучение энергии молекулами по мере того, как их электроны перемещаются из «возбужденного» состояния обратно на свои нормальные энергетические уровни, называемые основным состоянием. Подобно тому, как неоновые хайлайтеры светятся в УФ-лампе, клетки животных могут флуоресцировать и предоставлять информацию о своей активности и функциях в режиме реального времени.
Чтобы использовать эту способность, Ли и его команда разработали эндомикроскопический зонд, использующий технику, известную как двухфотонная визуализация - современная рабочая лошадка лабораторной визуализации образцов тканей, - в которой два фотона света одновременно поглощаются молекула, вызывающая ее флуоресценцию.
Чтобы миниатюризировать эту технологию микроскопии, Ли и его команде нужно было объединить возможности настольного двухфотонного микроскопа в зонд диаметром всего около 2 мм. «Мы не могли просто уменьшить микроскоп, состоящий из десятков отдельных громоздких деталей, поэтому мы начали новую конструкцию с нуля», - говорит Ли.
Команда использовала короткоимпульсный лазер для создания вспышек фотонов и передачи их по гибкому, специально разработанному оптоволоконному кабелю, подключенному к зонду. Затем фотоны проходят через миниатюрную линзу, которая также выполняет функцию перефокусировки флуоресцентного света от клеток и отправки его обратно к детекторам по тому же оптоволоконному кабелю. Исследователи также разработали зонд для захвата трехмерных изображений, включив в него очень маленький сканер, который изменяет области органа, на которые излучается свет. Это позволяет исследователям собирать больше информации о ткани вокруг зонда.
Серьезной проблемой при разработке этой технологии, по словам Ли, было повторный сбор флуоресцентного света от клеток в тот же инструмент. Линза должна была быть тщательно изготовлена, чтобы сфокусировать длинноволновый свет, излучаемый лазером, а также собирать коротковолновый флуоресцентный свет, испускаемый клетками. Волоконно-оптический шнур также должен был быть изготовлен специально для этой технологии, чтобы передавать как возбуждающий, так и флуоресцентный свет, сводя к минимуму фоновый шум, создаваемый в оптоволоконном кабеле. Коммерческие волокна содержали сердцевины, легированные германием, которые после нескольких лет поиска и устранения неисправностей оказались основным источником помех в оптоволоконном кабеле.
Поскольку зонд может фиксировать изображения живых тканей внутри тела, исследователи смогли отслеживать изменения в метаболической активности клеток, которые могут свидетельствовать о раке, инсульте или сердечных заболеваниях, без использования химической метки - значительный прогресс по сравнению с аналогичными методами, которым не хватало чувствительности для фиксации таких тонких, но отчетливых динамических изменений.
Зонд также мог отслеживать структурные изменения в различных типах тканей, что может быть полезно при диагностике состояний, когда биопсия невозможна. Одним из таких приложений является прогнозирование преждевременных родов. У мышей исследователи смогли оценить механическую прочность шейки матки, наблюдая за изменениями в коллагеновых структурах в ткани, и предсказать, какие мыши родят раньше срока.
Зонд, по его оценке, стоит менее 1000 долларов в производстве, а стоимость резко снизится при массовом производстве.
Во второй статье, опубликованной 16 ноября в Nature Communications, команда описала новый сверхтонкий датчик оптической когерентной томографии (ОКТ), который позволил исследователям получить в три-четыре раза более высокое разрешение по сравнению с аналогичными технологиями в клиническом использовании. Cегодня. «Для этого нам пришлось использовать источник света с более широким цветовым спектром, и задача заключалась в том, чтобы сфокусировать все эти цвета в одном месте, не делая изображение нечетким», - говорит Ли.«Камеры делают это, используя большой объектив, но у нас не было такой роскоши». Усовершенствования также включали уменьшение размера зонда примерно вдвое по сравнению с используемыми в настоящее время до примерно 500 микрометров в диаметре, что примерно равно ширине кристалла соли.
Чтобы достичь этого, Ли и его команда упростили конструкцию, точно сформировав конец оптоволоконного шнура в крошечную шариковую линзу, сделанную из кварца, которая могла работать так же, как и ее более крупный аналог. Затем шариковая линза точно шлифуется и покрывается золотом, чтобы отражать и фокусировать свет на ткани.
Кроме того, Ли и его команда обнаружили, что небольшой зонд обладает повышенной гибкостью, что позволяет им получать доступ и визуализировать небольшие просветы в сложных органах животных, таких как небольшие дыхательные пути глубоко в легких овцы, с гораздо более четкой визуализацией. на тканевые структуры, чем стандартный инструмент ОКТ.
Ли надеется, что если клинические испытания одобрят инструмент для использования на людях, новый зонд уменьшит зависимость от биопсии для диагностики сердечных заболеваний и рака. По его словам, это особенно важно для зондирования таких органов, как поджелудочная железа, доступ к которой с помощью современных эндоскопических датчиков не только затруднен, но и опасен для биопсии.
«В конечном счете, мы хотим иметь возможность получать изображения достаточно хорошего качества, чтобы нам не приходилось удалять ткани у пациента», - говорит Ли.
Новый зонд также обещает быть менее дорогим, чем используемые в настоящее время зонды, которые стоят от 800 до 1000 долларов за зонд. Стоимость материалов для зонда Ли составляет от 20 до 50 долларов. Это значительное снижение стоимости важно для технологий, предназначенных для одноразового использования на людях.
Ли и его команда надеются начать клинические испытания ОКТ и двухфотонных зондов, чтобы установить их безопасность и эффективность на людях.
Другие исследователи, участвовавшие в статье Nature Communications, включают Ву Юаня, Роберта Брауна, Уэйна Митцнера и Лонни Ярмуса из Медицинской школы Университета Джона Хопкинса.
К другим исследователям, участвовавшим в статье «Свет: наука и приложения», относятся Венсюан Лян и Ганнстейн Холл из Медицинского факультета Университета Джона Хопкинса, факультет биомедицинской инженерии, Бернхард Мессершмидт из GRINTech и Минг-Джун Ли из Corning Incorporated.