روش تصویربرداری جدید: نفوذ عمقی و بدون آسیب به بافت‌ها

تصویربرداری متابولیک: تکنیک جدید MIT برای بهبود عمق و وضوح تصاویر

تصویربرداری متابولیک یک روش غیرتهاجمی است که به پزشکان و دانشمندان این امکان را می‌دهد تا سلول‌های زنده را با استفاده از نور لیزر مطالعه کنند. این روش می‌تواند به ارزیابی پیشرفت بیماری و پاسخ به درمان کمک کند. اما زمانی که نور به بافت‌های بیولوژیکی تابیده می‌شود، پراش نور رخ می‌دهد که این امر محدودیت‌هایی در عمق نفوذ و وضوح تصاویر ثبت‌شده ایجاد می‌کند. اکنون، محققان MIT یک تکنیک جدید توسعه داده‌اند که بیش از دو برابر محدودیت عمق معمول تصویربرداری متابولیک را افزایش می‌دهد. این روش همچنین سرعت تصویربرداری را افزایش می‌دهد و تصاویری غنی‌تر و دقیق‌تر ارائه می‌دهد.

این تکنیک جدید نیازی به پیش‌پردازش بافت مانند برش یا رنگ‌آمیزی ندارد. در عوض، یک لیزر تخصصی به عمق بافت تابیده می‌شود و باعث می‌شود مولکول‌های خاص درون سلول‌ها و بافت‌ها نور ساطع کنند. این امر نیاز به تغییر بافت را از بین می‌برد و نمایی طبیعی‌تر و دقیق‌تر از ساختار و عملکرد آن ارائه می‌دهد. محققان به این دستاورد با سفارشی‌سازی تطبیقی نور لیزر برای بافت‌های عمیق رسیدند. با استفاده از یک شکل‌دهنده فیبر که به تازگی توسعه یافته و با خم کردن آن کنترل می‌شود، می‌توانند رنگ و پالس‌های نور را تنظیم کنند تا پراش را به حداقل رسانده و سیگنال را در حین نفوذ نور به عمق بافت به حداکثر برسانند. این امر به آن‌ها این امکان را می‌دهد که به عمق بیشتری در بافت زنده نفوذ کرده و تصاویر واضح‌تری ثبت کنند.

عمق نفوذ بیشتر، سرعت‌های بالاتر و وضوح بالاتر، این روش را به ویژه برای کاربردهای تصویربرداری چالش‌برانگیز مانند تحقیقات سرطان، مهندسی بافت، کشف دارو و مطالعه پاسخ‌های ایمنی مناسب می‌سازد. “این کار نشان‌دهنده بهبود قابل توجهی در زمینه عمق نفوذ برای تصویربرداری متابولیک بدون برچسب است. این امر راه‌های جدیدی را برای مطالعه و بررسی دینامیک متابولیک در عمق سیستم‌های زیستی زنده باز می‌کند”، می‌گوید سی‌شیان یو، استاد یار در دپارتمان مهندسی برق و علوم کامپیوتر (EECS) و نویسنده ارشد مقاله‌ای در مورد این تکنیک تصویربرداری. او در این مقاله به همراه نویسنده اصلی، کونزان لیو، دانشجوی تحصیلات تکمیلی EECS؛ تونگ کیو، پژوهشگر پسادکتری MIT؛ هونگهاو کائو، دانشجوی تحصیلات تکمیلی EECS؛ فن وانگ، استاد علوم مغز و شناخت؛ راجر کام، استاد ممتاز مهندسی زیستی و مکانیکی؛ لیندا گریفیت، استاد نوآوری آموزشی در دپارتمان مهندسی زیستی؛ و سایر همکاران MIT حضور دارد. این تحقیق در نشریه Science Advances منتشر خواهد شد.

تصویربرداری بدون برچسب

این روش جدید در دسته تصویربرداری بدون برچسب قرار می‌گیرد، به این معنی که بافت قبل از تصویربرداری رنگ‌آمیزی نمی‌شود. رنگ‌آمیزی کنتراستی ایجاد می‌کند که به زیست‌شناسان بالینی کمک می‌کند تا هسته‌های سلولی و پروتئین‌ها را بهتر ببینند. اما رنگ‌آمیزی معمولاً نیاز به برش و تقسیم نمونه دارد، فرآیندی که اغلب باعث مرگ بافت می‌شود و مطالعه فرآیندهای دینامیک در سلول‌های زنده را غیرممکن می‌سازد. در تکنیک‌های تصویربرداری بدون برچسب، محققان از لیزرها برای تاباندن نور به مولکول‌های خاص درون سلول‌ها استفاده می‌کنند که باعث می‌شود آن‌ها نور رنگی متفاوتی ساطع کنند و محتوای مولکولی و ساختارهای سلولی مختلف را نمایان می‌سازد. با این حال، تولید نور لیزر ایده‌آل با طول موج‌های خاص و پالس‌های با کیفیت بالا برای تصویربرداری از بافت‌های عمیق چالش‌برانگیز بوده است. محققان یک رویکرد جدید برای غلبه بر این محدودیت توسعه داده‌اند. آن‌ها از یک فیبر چندحالت، نوعی فیبر نوری که می‌تواند مقدار زیادی قدرت را منتقل کند، استفاده می‌کنند و آن را با یک دستگاه جمع و جور به نام “شکل‌دهنده فیبر” ترکیب می‌کنند.

شکل‌دهنده جدید برای تصویربرداری متابولیک عمیق

این شکل‌دهنده به محققان این امکان را می‌دهد که به‌طور دقیق نور را با تغییر شکل فیبر به‌صورت تطبیقی مدوله کنند. خم کردن فیبر باعث تغییر رنگ و شدت لیزر می‌شود. با استفاده از دستاوردهای قبلی، محققان نسخه اول شکل‌دهنده فیبر را برای تصویربرداری متابولیک چندمدلی عمیق‌تر تطبیق دادند. کائو می‌گوید: “ما می‌خواهیم تمام این انرژی را به رنگ‌هایی که نیاز داریم با ویژگی‌های پالس مورد نظر هدایت کنیم. این به ما کارایی تولید بالاتر و تصویری واضح‌تر می‌دهد، حتی در عمق بافت‌ها.” پس از ساخت مکانیزم قابل کنترل، آن‌ها یک پلتفرم تصویربرداری توسعه دادند که از یک منبع لیزر قدرتمند برای تولید طول موج‌های بلندتر نور استفاده می‌کند، که برای نفوذ عمیق‌تر در بافت‌های بیولوژیکی حیاتی است.

پتانسیل‌های این فناوری

لیو می‌گوید: “ما معتقدیم این فناوری می‌تواند به‌طور قابل توجهی تحقیقات بیولوژیکی را پیش ببرد. با ارزان و در دسترس کردن آن برای آزمایشگاه‌های بیولوژی، امیدواریم به دانشمندان ابزاری قدرتمند برای کشف ارائه دهیم.”

کاربردهای دینامیک

زمانی که محققان دستگاه تصویربرداری خود را آزمایش کردند، نور توانست بیش از ۷۰۰ میکرومتر به داخل یک نمونه بیولوژیکی نفوذ کند، در حالی که بهترین تکنیک‌های قبلی فقط می‌توانستند حدود ۲۰۰ میکرومتر نفوذ کنند. لیو اضافه می‌کند: “با این نوع جدید تصویربرداری عمیق، می‌خواهیم به نمونه‌های بیولوژیکی نگاه کنیم و چیزی را ببینیم که هرگز ندیده‌ایم.” تکنیک تصویربرداری عمیق به آن‌ها این امکان را داد که سلول‌ها را در سطوح مختلف در یک سیستم زنده مشاهده کنند، که می‌تواند به محققان در مطالعه تغییرات متابولیکی که در عمق‌های مختلف رخ می‌دهد، کمک کند.

علاوه بر این، سرعت بالاتر تصویربرداری به آن‌ها این امکان را می‌دهد که اطلاعات دقیق‌تری درباره چگونگی تأثیر متابولیسم یک سلول بر سرعت و جهت حرکات آن جمع‌آوری کنند. این روش جدید تصویربرداری می‌تواند به مطالعه ارگانوئیدها، که سلول‌های مهندسی‌شده‌ای هستند که می‌توانند ساختار و عملکرد اندام‌ها را شبیه‌سازی کنند، کمک کند. محققان در آزمایشگاه‌های کام و گریفیث پیشگام توسعه ارگانوئیدهای مغزی و اندومتر هستند که می‌توانند مانند اندام‌ها برای ارزیابی بیماری و درمان رشد کنند.

چالش‌های تصویربرداری غیرتهاجمی

با این حال، مشاهده دقیق تحولات داخلی بدون برش یا رنگ‌آمیزی بافت که نمونه را از بین می‌برد، چالش‌برانگیز بوده است. این تکنیک تصویربرداری جدید به محققان این امکان را می‌دهد که به‌طور غیرتهاجمی وضعیت متابولیک داخل یک ارگانوئید زنده را در حین رشد آن نظارت کنند. با توجه به این و سایر کاربردهای بیومدیکال، محققان برنامه‌ریزی می‌کنند که به سمت تصاویر با وضوح بالاتر بروند. در عین حال، آن‌ها در حال کار بر روی ایجاد منابع لیزر با نویز کم هستند که می‌تواند تصویربرداری عمیق‌تر را با دوز نور کمتر امکان‌پذیر کند.

آن‌ها همچنین در حال توسعه الگوریتم‌هایی هستند که به تصاویر واکنش نشان می‌دهند تا ساختارهای سه‌بعدی کامل نمونه‌های بیولوژیکی را با وضوح بالا بازسازی کنند. در درازمدت، آن‌ها امیدوارند این تکنیک را در دنیای واقعی به کار ببرند تا به بیولوژیست‌ها کمک کنند تا پاسخ به داروها را در زمان واقعی نظارت کنند و در توسعه داروهای جدید یاری رسانند. یو می‌گوید: “با امکان تصویربرداری متابولیک چندمدلی که به عمق بافت‌ها نفوذ می‌کند، ما به دانشمندان این توانایی بی‌سابقه را می‌دهیم که سیستم‌های بیولوژیکی غیرشفاف را در حالت طبیعی خود مشاهده کنند. ما از همکاری با پزشکان، بیولوژیست‌ها و بیوانجینرها برای پیشبرد مرزهای این فناوری و تبدیل این بینش‌ها به پیشرفت‌های پزشکی واقعی هیجان‌زده هستیم.”

این تحقیق بخشی از بودجه‌های استارتاپ MIT، جایزه CAREER بنیاد ملی علوم ایالات متحده، بورس ریاست جمهوری ایروین جیکوبز و جوآن کلاین و بورس کایلات MIT تأمین می‌شود.