A MIT kutatói egy olyan optikai fizikai paradoxont fedeztek fel, amely forradalmasíthatja a bioimaging technológiát. A jelenség lényege, hogy bizonyos körülmények között a kaotikus lézerfény képes spontán módon egy rendkívül fókuszált, úgynevezett „ceruzanyalábbá” szerveződni. Ez az áttörés lehetővé teszi, hogy az emberi vér-agy gátról háromdimenziós képeket készítsenek huszonötször gyorsabban, mint a jelenlegi arany standard módszerrel, miközben a felbontás is összehasonlítható marad.
A technológia segítségével a kutatók valós időben figyelhetik meg, ahogy az egyes sejtek felveszik a gyógyszereket. Ez különösen fontos a neurodegeneratív betegségek, például az Alzheimer-kór vagy az ALS kezelésére szolgáló új gyógyszerek tesztelésénél. A módszerrel a tudósok gyorsabban és nagyobb pontossággal állapíthatják meg, hogy a potenciális gyógyszerek elérik-e a célpontjaikat az agyban.
„A szakmában általános vélekedés, hogy ha egy ilyen típusú lézerben feltekerjük a teljesítményt, a fény elkerülhetetlenül kaotikussá válik. Mi azonban bebizonyítottuk, hogy ez nem feltétlenül van így. Követtük a bizonyítékokat, elfogadtuk a bizonytalanságot, és megtaláltuk a módját, hogy a fény magától szerveződjön egy új bioimaging megoldássá” – mondta Sixian You, az MIT Elektrotechnikai és Számítástechnikai Tanszékének adjunktusa, a kutatás vezető szerzője.
Váratlan felfedezés a lézerfény viselkedésében
A felfedezés egy olyan megfigyeléssel kezdődött, amely kezdetben meglepte a kutatókat. A csapat korábban kifejlesztett egy precíz szálformázó eszközt, amely lehetővé teszi a többmódusú optikai szálon áthaladó lézerfény finomhangolását. Ez a típusú optikai szál jelentős mennyiségű energiát képes szállítani. Cao, a kutatás vezető szerzője, a szálat a határaiig feszegette, hogy megtudja, mennyi energiát bír el.
Általában minél több energiát pumpálnak a lézerbe, a fénysugár annál rendezetlenebbé és szórtabbá válik a szál tökéletlenségei miatt. Cao azonban azt figyelte meg, hogy amikor a teljesítményt majdnem a szál kiégésének határáig növelte, a fény az ellenkezőjét tette annak, amit vártak: egyetlen, tűéles sugárba omlott össze. „A rendezetlenség ezekben a szálakban belső tulajdonság. Az a fénymérnöki munka, amely általában szükséges ennek a rendezetlenségnek a leküzdéséhez, különösen nagy teljesítmény esetén, régóta fennálló probléma. De ezzel az önszerveződéssel stabil, ultragyors ceruzanyalábot kaphatunk anélkül, hogy egyedi nyalábformáló alkatrészekre lenne szükségünk” – magyarázta You.
A jelenség reprodukálásához a kutatóknak két egyszerű, de precíz feltételt kellett teljesíteniük. Először is, a lézernek tökéletes, nulla fokos szögben kell belépnie a szálba. Ez szigorúbb követelmény, mint ami általában az ilyen típusú szálaknál megszokott. Másodszor, a teljesítményt addig kell növelni, amíg a fény kölcsönhatásba nem lép magával a szál üvegével. „Ezen a kritikus teljesítményszinten a nemlinearitás képes ellensúlyozni a belső rendezetlenséget, létrehozva egy egyensúlyt, amely a bemeneti nyalábot egy önszerveződő ceruzanyalábbá alakítja” – magyarázta Cao.
Jobb nyaláb a gyorsabb és pontosabb képalkotásért
Amikor a kutatók jellemzési kísérleteket végeztek ezzel a ceruzanyalábbal, az stabilabbnak és nagyobb felbontásúnak bizonyult, mint sok hasonló nyaláb. Más nyalábok gyakran szenvednek „melléklebenyektől” – olyan elmosódott fényudvaroktól, amelyek torzíthatják a képeket. Az ő nyalábjuk érintetlenebb és élesebben fókuszált volt. Ezekre a kísérletekre építve a kutatók bemutatták a ceruzanyaláb használatát az emberi vér-agy gát biomedicinális képalkotásában.
Ez a gát egy szorosan illeszkedő sejtréteg, amely megvédi az agyat a méreganyagoktól, de sok gyógyszert is blokkol. A tudósok és klinikusok gyakran szeretnék látni, hogyan áramlanak a gyógyszerek a vér-agy gát érrendszerében, és hogy elérik-e a célpontjaikat az agyban. A hagyományos optikai beállításokkal azonban egyszerre csak egy kétdimenziós metszetet lehet rögzíteni az érrendszerről, majd a folyamatot többször meg kell ismételni a teljes kép elkészítéséhez.
Az új technikával a kutatók egy ultragyors, nagy pontosságú ceruzanyalábot hoztak létre, amely lehetővé tette számukra, hogy valós időben, dinamikusan kövessék nyomon, hogyan veszik fel a sejtek a fehérjéket. „A gyógyszeripar különösen érdekelt abban, hogy emberi alapú modelleket használjon olyan gyógyszerek szűrésére, amelyek hatékonyan átjutnak a gáton, mivel az állatmodellek gyakran nem képesek megjósolni, mi történik az emberben. Az, hogy ez az új módszer nem igényli a sejtek fluoreszcens jelölését, forradalmi változás. Most először vizualizálhatjuk a gyógyszerek időfüggő bejutását az agyba, és azonosíthatjuk azt is, hogy az egyes sejttípusok milyen sebességgel veszik fel a gyógyszert” – mondta Kamm. A csapat olyan sejtszintű 3D-s képeket rögzített, amelyek jobb minőségűek voltak, mint más módszerekkel készültek, és ezeket a képeket körülbelül huszonötször gyorsabban állították elő.
© Image: Courtesy of the researchers
Forrás: MIT.edu ↗̱
