În condiții adecvate, o aglomerație haotică de lumină laser se poate auto-organiza spontan într-un "fascicul creion" extrem de focalizat. Această schemă arată mecanismul de formare a fasciculului creion. Credit: MIT
Cercetătorii de la MIT au identificat un efect neașteptat în fizica optică, care ar putea duce la o modalitate mai rapidă și mai detaliată de a vizualiza țesuturile vii. În anumite condiții, ceea ce arată în mod normal ca un semnal laser împrăștiat și dezordonat se poate reorganiza într-un "fascicul creion" îngust și extrem de focalizat.
Cu acest fascicul auto-format, echipa a produs imagini 3D ale barierei hemato-encefalice umane la viteze de aproximativ 25 de ori mai mari decât abordarea actuală standard, păstrând în același timp o calitate similară a imaginii. Metoda permite, de asemenea, observarea celulelor individuale care absorb medicamente în timp real. Acest lucru ar putea ajuta oamenii de știință să evalueze dacă tratamentele pentru afecțiuni precum Alzheimer sau ALS ajung efectiv la țintele lor vizate în creier.
"Credința comună în domeniu este că, dacă mărești puterea în acest tip de laser, lumina va deveni inevitabil haotică. Dar am demonstrat că nu este cazul. Am urmărit dovezile, am îmbrățișat incertitudinea și am găsit o modalitate de a lăsa lumina să se organizeze într-o soluție inovatoare pentru bioimagistică", spune Sixian You, profesor asistent la Departamentul de Inginerie Electrică și Informatică (EECS) de la MIT, membru al Laboratorului de Cercetare pentru Electronică și autor principal al unui articol despre această tehnică de imagistică. Alături de ea, în lucrare, sunt autorul principal Honghao Cao, student absolvent EECS; studenții absolvenți EECS Li-Yu Yu și Kunzan Liu; postdoctoranzii Sarah Spitz, Francesca Michela Pramotton și Federico Presutti; Zhengyu Zhang PhD '24; Subhash Kulkarni, profesor asistent la Universitatea Harvard și Centrul Medical Beth Israel Deaconess; și Roger Kamm, profesor distins Cecil și Ida Green de Inginerie Biologică și Mecanică la MIT. Articolul apare astăzi în Nature Methods.
Apar comportamente laser surprinzătoare
Descoperirea a început cu o observație care nu se potrivea așteptărilor. Cercetătorii construiseră anterior un dispozitiv precis de modelare a fibrei, un dispozitiv care permite controlul atent al luminii laser care călătorește printr-o fibră optică multimod, capabilă să transporte niveluri ridicate de putere. Cao a crescut treptat puterea laserului pentru a testa limitele fibrei. În mod normal, creșterea puterii face ca lumina să se împrăștie mai mult din cauza imperfecțiunilor din interiorul fibrei. În schimb, pe măsură ce puterea se apropia de pragul unde fibra ar putea fi deteriorată, lumina s-a concentrat brusc într-un singur fascicul extrem de ascuțit.
"Dezordinea este intrinsecă acestor fibre. Ingineria luminii pe care trebuie să o faci în mod obișnuit pentru a depăși această dezordine, mai ales la putere mare, este o bătaie de cap de lungă durată. Dar cu această auto-organizare, poți obține un fascicul creion stabil și ultra-rapid, fără a fi nevoie de componente personalizate de modelare a fasciculului", spune You.
Condiții care permit auto-organizarea luminii
Pentru a reproduce acest efect, echipa a identificat două cerințe cheie. În primul rând, laserul trebuie să intre în fibră la un unghi perfect aliniat, de zero grade, care este mai strict decât practica standard. În al doilea rând, puterea trebuie crescută până când lumina începe să interacționeze direct cu materialul de sticlă al fibrei.
"La această putere critică, neliniaritatea poate contracara dezordinea intrinsecă, creând un echilibru care transformă fasciculul de intrare într-un fascicul creion auto-organizat", explică Cao.
Asemenea condiții sunt rareori explorate, deoarece cercetătorii evită de obicei nivelurile ridicate de putere pentru a preveni deteriorarea fibrei. Alinierea precisă nu este, de asemenea, de obicei necesară, deoarece fibrele multimod pot transporta deja cantități mari de energie. Atunci când sunt combinate, totuși, acești factori permit sistemului să producă un fascicul stabil, fără o inginerie optică complexă.
"Acesta este farmecul acestei metode - ai putea face acest lucru cu o configurație optică normală și fără prea multă expertiză în domeniu", spune You.
Imagistică mai clară, cu mai puține artefacte
Testele au arătat că acest fascicul creion este atât stabil, cât și foarte detaliat, comparativ cu fascicule similare. Multe fascicule convenționale produc "lobi laterali" - halouri încețoșate care reduc claritatea imaginii. În schimb, acest fascicul rămâne curat și focalizat strâns. Cercetătorii au aplicat apoi tehnica pentru a vizualiza bariera hemato-encefalică umană, un strat dens de celule care protejează creierul de substanțe nocive, dar blochează și multe medicamente.
Imagistică 3D mai rapidă a barierei hemato-encefalice
Oamenii de știință trebuie adesea să observe modul în care medicamentele se deplasează prin vasele de sânge din această barieră și dacă ajung cu succes la țesutul cerebral. Metodele optice tradiționale captează de obicei o felie 2D la un moment dat, necesitând scanări repetate pentru a construi o imagine 3D completă. Folosind noua abordare cu fascicul creion, echipa a generat imagini rapide, de înaltă precizie, urmărind, de asemenea, modul în care celulele absorb proteinele în timp real.
"Industria farmaceutică este deosebit de interesată să folosească modele bazate pe oameni pentru a depista medicamente care traversează eficient bariera, deoarece modelele animale adesea nu reușesc să prezică ce se întâmplă la oameni. Faptul că această nouă metodă nu necesită ca celulele să aibă o etichetă fluorescentă schimbă jocul. Pentru prima dată, putem vizualiza acum intrarea dependentă de timp a medicamentelor în creier și chiar identifica rata cu care anumite tipuri de celule internalizează medicamentul", spune Kamm.
"Important, însă, această abordare nu se limitează la bariera hemato-encefalică, ci permite urmărirea în timp a diverșilor compuși și ținte moleculare prin modele de țesuturi proiectate, oferind un instrument puternic pentru inginerie biologică", adaugă Spitz.
Sistemul a produs imagini 3D la nivel celular, cu o calitate îmbunătățită, și a făcut acest lucru de aproximativ 25 de ori mai repede decât metodele existente.
"De obicei, ai un compromis între rezoluția imaginii și adâncimea de focalizare - poți sonda doar atât de departe la un moment dat. Dar cu metoda noastră, putem depăși acest compromis, creând un fascicul creion cu rezoluție ridicată și o adâncime mare de focalizare", spune You.
Aplicații viitoare și următorii pași
Privind înainte, cercetătorii își propun să înțeleagă mai bine fizica din spatele acestui fascicul auto-organizat și mecanismele care îi permit să se formeze. De asemenea, intenționează să extindă metoda la alte aplicații, inclusiv imagistica neuronilor, și să exploreze modalități de a aduce tehnologia în uz practic.