הדמיה מטבולית היא שיטה לא פולשנית המאפשרת לרופאים ולמדענים לחקור תאים חיים באמצעות אור לייזר, מה שיכול לעזור להם להעריך את התקדמות המחלה ואת תגובות הטיפול.
אבל האור מתפזר כשהוא זורח לתוך רקמה ביולוגית, מגביל את עומקו לחדור ופוגע ברזולוציה של תמונות שצולמו.
כעת, חוקרי MIT פיתחו טכניקה חדשה שיותר מכפילה את גבול העומק הרגיל של הדמיה מטבולית. השיטה שלהם גם מגבירה את מהירויות ההדמיה, ומניבה תמונות עשירות ומפורטות יותר.
טכניקה חדשה זו אינה דורשת עיבוד מוקדם של רקמות, כגון על ידי חיתוך שלה או צביעה בצבעים. במקום זאת, לייזר מיוחד מאיר עמוק לתוך הרקמה, וגורם למולקולות פנימיות מסוימות בתוך התאים והרקמות לפלוט אור. זה מבטל את הצורך לשנות את הרקמה, ומספק ייצוג טבעי ומדויק יותר של המבנה והתפקוד שלה.
החוקרים השיגו זאת על ידי התאמה אישית של אור הלייזר לרקמות עמוקות. שימוש במעצב סיבים שפותח לאחרונה -; מכשיר שהם שולטים על ידי כיפופו -; הם יכולים לכוון את הצבע והפולסים של האור כדי למזער פיזור ולמקסם את האות כשהאור נודד עמוק יותר לתוך הרקמה. זה מאפשר להם לראות הרבה יותר לתוך הרקמה החיה וללכוד תמונות ברורות יותר.
עומק חדירה גדול יותר, מהירויות מהירות יותר ורזולוציה גבוהה יותר הופכים שיטה זו למתאימה במיוחד ליישומי הדמיה תובעניים כמו חקר סרטן, הנדסת רקמות, גילוי תרופות וחקר התגובות החיסוניות.
"עבודה זו מראה שיפור משמעותי במונחים של חדירת עומק להדמיה מטבולית נטולת תוויות. היא פותחת אפיקים חדשים ללימוד וחקירה של דינמיקה מטבולית בעומק מערכות ביולוגיות חיות", אומר Sixian You, עוזר פרופסור במחלקה להנדסת חשמל ומדעי המחשב. (EECS), חבר במעבדת המחקר לאלקטרוניקה, ומחבר בכיר של מאמר על טכניקת הדמיה זו.
במאמר מצטרף אליה הסופר הראשי קונצאן ליו, סטודנט לתואר שני ב-EECS; טונג צ'יו, פוסט דוקטורט ב-MIT; Honghao Cao, סטודנט לתואר שני ב-EECS; פאן וואנג, פרופסור למדעי המוח והקוגניציה; רוג'ר קם, הפרופסור המוכר של ססיל ואידה גרין להנדסה ביולוגית ומכונות; לינדה גריפית', פרופ' בית הספר להנדסה לחדשנות בהוראה במחלקה להנדסה ביולוגית; ועמיתים אחרים מ-MIT. המחקר יופיע ב התקדמות המדע.
ממוקד לייזר
שיטה חדשה זו נופלת בקטגוריה של הדמיה ללא תווית, כלומר הרקמה אינה מוכתמת מראש. צביעה יוצרת ניגודיות שעוזרת לביולוג קליני לראות טוב יותר את גרעיני התא וחלבונים. אבל צביעה מחייבת בדרך כלל את הביולוג לחתוך ולחתוך את הדגימה, תהליך שלעתים קרובות הורג את הרקמה והופך את זה לבלתי אפשרי לחקור תהליכים דינמיים בתאים חיים.
בטכניקות הדמיה ללא תוויות, החוקרים משתמשים בלייזרים כדי להאיר מולקולות ספציפיות בתוך תאים, מה שגורם להם לפלוט אור בצבעים שונים החושפים תכנים מולקולריים ומבנים תאיים שונים. עם זאת, יצירת אור הלייזר האידיאלי עם אורכי גל מסוימים ופולסים באיכות גבוהה להדמיית רקמות עמוקה הייתה מאתגרת.
החוקרים פיתחו גישה חדשה להתגבר על מגבלה זו. הם משתמשים בסיב מולטי-מוד, סוג של סיב אופטי שיכול לשאת כמות משמעותית של כוח, יכול לחבר אותו עם מכשיר קומפקטי שנקרא "מעצב סיבים". מעצב זה מאפשר להם לווסת במדויק את התפשטות האור על ידי שינוי אדפטיבי של צורת הסיב. כיפוף הסיב משנה את צבע ועוצמת הלייזר.
בהתבסס על עבודה קודמת, החוקרים התאימו את הגרסה הראשונה של מעצב הסיבים להדמיה מטבולית רב-מודאלית עמוקה יותר.
"אנחנו רוצים לתעל את כל האנרגיה הזו לצבעים שאנחנו צריכים עם תכונות הדופק שאנחנו דורשים. זה נותן לנו יעילות דור גבוהה יותר ותמונה ברורה יותר, אפילו עמוק בתוך הרקמות", אומר קאו.
לאחר שהם בנו את המנגנון הניתן לשליטה, הם פיתחו פלטפורמת הדמיה כדי למנף את מקור הלייזר החזק ליצירת אורכי גל ארוכים יותר של אור, שהם חיוניים לחדירה עמוקה יותר לרקמות ביולוגיות.
"אנו מאמינים שלטכנולוגיה הזו יש פוטנציאל לקדם משמעותית את המחקר הביולוגי. על ידי הפיכתה למחיר סביר ונגיש למעבדות ביולוגיה, אנו מקווים להעצים מדענים עם כלי רב עוצמה לגילוי", אומר ליו.
יישומים דינמיים
כאשר החוקרים בדקו את מכשיר ההדמיה שלהם, האור הצליח לחדור יותר מ-700 מיקרומטר לתוך דגימה ביולוגית, בעוד שהטכניקות הקודמות הטובות ביותר יכלו להגיע רק לכ-200 מיקרומטר.
"עם הסוג החדש הזה של הדמיה עמוקה, אנחנו רוצים להסתכל על דגימות ביולוגיות ולראות משהו שמעולם לא ראינו", מוסיף ליו.
טכניקת ההדמיה העמוקה אפשרה להם לראות תאים במספר רמות בתוך מערכת חיה, מה שיכול לעזור לחוקרים לחקור שינויים מטבוליים המתרחשים בעומקים שונים. בנוסף, מהירות ההדמיה המהירה יותר מאפשרת להם לאסוף מידע מפורט יותר על האופן שבו חילוף החומרים של התא משפיע על המהירות והכיוון של תנועותיו.
שיטת הדמיה חדשה זו יכולה להציע דחיפה לחקר האורגנואידים, שהם תאים מהונדסים שיכולים לגדול כדי לחקות את המבנה והתפקוד של איברים. חוקרים במעבדות קאם וגריפית' חלוצים בפיתוח של אורגנואידים במוח וברירית הרחם שיכולים לגדול כמו איברים להערכת מחלות וטיפול.
עם זאת, זה היה מאתגר לצפות במדויק בהתפתחויות פנימיות מבלי לחתוך או לצבוע את הרקמה, מה שהורג את הדגימה.
טכניקת הדמיה חדשה זו מאפשרת לחוקרים לנטר באופן לא פולשני את המצבים המטבוליים בתוך אורגנואיד חי בזמן שהוא ממשיך לגדול.
מתוך מחשבה על יישומים ביו-רפואיים אלה ואחרים, החוקרים מתכננים לכוון לתמונות ברזולוציה גבוהה עוד יותר. במקביל, הם פועלים ליצור מקורות לייזר בעלי רעש נמוך, שיוכלו לאפשר הדמיה עמוקה יותר עם מינון פחות אור.
הם גם מפתחים אלגוריתמים המגיבים לתמונות כדי לשחזר את המבנים התלת-ממדיים המלאים של דגימות ביולוגיות ברזולוציה גבוהה.
בטווח הארוך, הם מקווים ליישם את הטכניקה הזו בעולם האמיתי כדי לעזור לביולוגים לעקוב אחר תגובת התרופות בזמן אמת כדי לסייע בפיתוח תרופות חדשות.
"על ידי הפעלת הדמיה מטבולית רב-מודאלית שמגיעה עמוק יותר לרקמות, אנו מספקים למדענים יכולת חסרת תקדים לצפות במערכות ביולוגיות לא שקופות במצבן הטבעי. אנו נרגשים לשתף פעולה עם קלינאים, ביולוגים וביו-מהנדסים כדי לדחוף את הגבולות של זה טכנולוגיה ולהפוך את התובנות הללו לפריצות דרך רפואיות בעולם האמיתי," אתה אומר.
מחקר זה ממומן, בחלקו, על ידי קרנות סטארט-אפ של MIT, פרס CAREER של קרן המדע הלאומי של ארה"ב, מלגת נשיאות MIT ארווין ג'ייקובס וג'ואן קליין וממלגת MIT Kailath.