روش تصویربرداری بدون نفوذ، عمق بیشتری در بافت زنده دارد

تصویربرداری متابولیک: تکنیک جدید MIT برای بررسی عمیق‌تر بافت‌های زنده

تصویربرداری متابولیک یک روش غیرتهاجمی است که به پزشکان و دانشمندان این امکان را می‌دهد تا با استفاده از نور لیزر، سلول‌های زنده را مطالعه کنند. این روش می‌تواند به آن‌ها در ارزیابی پیشرفت بیماری و پاسخ به درمان کمک کند. اما وقتی نور به بافت‌های بیولوژیکی تابیده می‌شود، پراکنده می‌شود و این امر عمق نفوذ نور را محدود کرده و وضوح تصاویر ثبت شده را کاهش می‌دهد. اکنون محققان MIT یک تکنیک جدید توسعه داده‌اند که عمق نفوذ معمولی تصویربرداری متابولیک را بیش از دو برابر می‌کند. این روش همچنین سرعت تصویربرداری را افزایش می‌دهد و تصاویری غنی‌تر و دقیق‌تر ارائه می‌دهد.

این تکنیک جدید نیازی به پیش‌پردازش بافت ندارد، مانند برش یا رنگ‌آمیزی آن با رنگ‌ها. در عوض، یک لیزر تخصصی به عمق بافت تابیده می‌شود و باعث می‌شود برخی مولکول‌های ذاتی 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 با تنظیم نور لیزر برای بافت‌های عمیق، به این دستاورد 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 پراکندگی را به حداقل رسانده و سیگنال را در حین سفر نور به عمق بافت حداکثر کنند. این امکان را به آن‌ها می‌دهد که به عمق بیشتری در بافت‌های 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 رنگ است. این روش راه‌های جدیدی را برای مطالعه و بررسی دینامیک متابولیک در عمق سیستم‌های زیستی زنده باز می‌کند»، می‌گوید سی‌شیان یو، استادیار در دپارتمان مهندسی برق و علوم کامپیوتر (EECS) و نویسنده ارشد مقاله‌ای درباره 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؛ و لیندا گریفیت، استاد نوآوری آموزشی در دپارتمان مهندسی زیستی و سایر همکاران MIT حضور دارند. این تحقیق در نشریه Science Advances منتشر خواهد شد.

تصویربرداری بدون رنگ

این روش جدید در دسته تصویربرداری بدون رنگ قرار می‌گیرد، به این معنی که بافت قبل از تصویربرداری رنگ‌آمیزی نمی‌شود. رنگ‌آمیزی کنتراستی ایجاد می‌کند که به بیولوژیست‌های بالینی کمک می‌کند تا هسته‌های سلولی و پروتئین‌ها را بهتر مشاهده کنند. 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 رنگ، محققان از لیزرها برای تاباندن نور به مولکول‌های خاص درون سلول‌ها استفاده می‌کنند که باعث می‌شود آن‌ها نورهایی با رنگ‌های مختلف ساطع کنند که 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 رویکرد جدیدی برای غلبه بر این محدودیت توسعه داده‌اند. آن‌ها از یک فیبر چندحالت استفاده می‌کنند، نوعی فیبر نوری که می‌تواند مقدار قابل توجهی از قدرت را منتقل کند و می‌توانند آن را با یک دستگاه فشرده به نام «شکل‌دهنده فیبر» ترکیب کنند.

شکل‌دهنده جدید فیبر نوری برای تصویربرداری متابولیک عمیق

این شکل‌دهنده به محققان این امکان را می‌دهد که به‌طور دقیق، انتشار نور را با تغییر شکل فیبر به‌صورت تطبیقی تنظیم کنند. خم کردن فیبر باعث تغییر رنگ و شدت لیزر می‌شود. با تکیه بر کارهای قبلی، محققان نسخه اول شکل‌دهنده فیبر را برای تصویربرداری متابولیک چندوجهی عمیق‌تر توسعه دادند. کائو می‌گوید: “ما می‌خواهیم تمامی این انرژی را به رنگ‌هایی که نیاز داریم با ویژگی‌های پالس مورد نظر هدایت کنیم. این امر 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 تا از منبع لیزر قدرتمند برای تولید طول‌موج‌های بلندتر نور استفاده کنند که برای نفوذ عمیق‌تر به بافت‌های بیولوژیکی ضروری است. لیو می‌گوید: “ما معتقدیم این فناوری پتانسیل قابل توجهی برای پیشرفت تحقیقات بیولوژیکی دارد. با در دسترس قرار دادن آن برای آزمایشگاه‌های زیست‌شناسی، امیدواریم به دانشمندان ابزاری قدرتمند برای کشف‌های جدید بدهیم.”

کاربردهای پویا

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 تنها می‌توانستند حدود ۲۰۰ میکرومتر نفوذ کنند. لیو اضافه می‌کند: “با این نوع جدید تصویربرداری عمیق، ما می‌خواهیم به نمونه‌های بیولوژیکی نگاه کرده و چیزی را ببینیم که هرگز ندیده‌ایم.”

این تکنیک تصویربرداری عمیق به آن‌ها این امکان را داد که سلول‌ها را در چندین سطح درون یک سیستم زنده مشاهده کنند، که می‌تواند به محققان کمک کند تا تغییرات متابولیکی را که در عمق‌های مختلف اتفاق می‌افتد، مطالعه کنند. 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 کمک کند، که سلول‌های مهندسی‌شده‌ای هستند که می‌توانند به ساختار و عملکرد ارگان‌ها شبیه‌سازی شوند. محققان در آزمایشگاه‌های کَم و گریفیت در حال پیشگامی در توسعه ارگانوئیدهای مغزی و اندومتر هستند که می‌توانند مانند ارگان‌ها رشد کنند تا بیماری‌ها و ارزیابی درمان‌ها را بررسی کنند. با این حال، مشاهده دقیق تحولات داخلی بدون برش یا رنگ‌آمیزی بافت، که نمونه را از بین می‌برد، چالش‌برانگیز بوده است. این تکنیک جدید تصویربرداری به محققان این امکان را می‌دهد که به‌صورت غیرتهاجمی وضعیت‌های متابولیکی درون یک ارگانوئید زنده را در حین رشد آن نظارت کنند.

با در نظر داشتن این و دیگر کاربردهای بیومدیکال، محققان قصد دارند به سمت تصاویر با وضوح بالاتر حرکت کنند. در عین حال، آن‌ها در حال کار بر روی ایجاد منابع لیزر کم‌صدا هستند که می‌تواند تصویربرداری عمیق‌تری را با دوز نور کمتر امکان‌پذیر کند. آن‌ها همچنین در حال توسعه الگوریتم‌هایی هستند که به تصاویر واکنش نشان می‌دهند تا ساختارهای کامل سه‌بعدی نمونه‌های بیولوژیکی را با وضوح بالا بازسازی کنند.

در درازمدت، آن‌ها امیدوارند این تکنیک را در دنیای واقعی به‌کار ببرند تا به زیست‌شناسان کمک کنند تا پاسخ‌های دارویی را در زمان واقعی نظارت کنند و به توسعه داروهای جدید کمک کنند. یو می‌گوید: “با امکان تصویربرداری متابولیک چندوجهی 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، زیست‌شناسان و مهندسان زیستی برای پیشبرد مرزهای این فناوری و تبدیل این بینش‌ها به پیشرفت‌های پزشکی در دنیای واقعی هیجان‌زده هستیم.”

این تحقیق بخشی از تأمین مالی خود را از طریق منابع استارتاپ MIT، جایزه CAREER بنیاد ملی علوم ایالات متحده، بورس ریاست جمهوری ایرون جیکوبز و جوان کلاین MIT و بورس کایلاث MIT دریافت کرده است.