In un passo importante verso la diagnosi endoscopica del cancro, i ricercatori hanno sviluppato una sonda a fibra ottica portatile che può essere utilizzata per eseguire più tecniche di imaging non lineare senza la necessità di colorazione dei tessuti. La nuova sonda di imaging multimodale utilizza un laser ultraveloce per creare effetti ottici non lineari nei tessuti che possono rivelare il cancro e altre malattie.

Oggi, il cancro viene tipicamente diagnosticato rimuovendo un pezzo di tessuto con una biopsia e quindi inviando quel tessuto a un patologo appositamente addestrato che macchia il tessuto e utilizza un microscopio per cercare le cellule cancerose. La possibilità per i medici di saltare la biopsia e utilizzare un endoscopio di imaging multimodale per diagnosticare il cancro sul posto farebbe risparmiare tempo prezioso e potrebbe anche consentire ai chirurghi di distinguere più facilmente tra tessuto canceroso e sano durante l'intervento chirurgico.

Con la nuova sonda le tecniche di imaging che in precedenza richiedevano ingombranti strumenti da tavolo possono essere eseguite con un dispositivo portatile che misura solo 8 millimetri di diametro, circa lo stesso diametro di una penna a sfera. Se ulteriormente miniaturizzato, la sonda potrebbe essere facilmente integrata in un endoscopio per l'imaging multimodale non lineare all'interno del corpo.

"Lo speriamo, un giorno, le tecniche di imaging endoscopico multimodale potrebbero aiutare i medici a prendere decisioni rapide durante l'intervento chirurgico, senza la necessità di fare biopsie, utilizzando trattamenti di colorazione o eseguendo complesse procedure istopatologiche, " ha detto Jürgen Popp, dal Leibniz Institute of Photonic Technology di Jena, Germania e l'autore principale del documento.

I ricercatori descrivono in dettaglio la loro nuova sonda portatile in ottica , La rivista della Optical Society per la ricerca ad alto impatto. È la prima sonda miniaturizzata per l'imaging biologico multimodale a incorporare una fibra di imaging multicore, un tipo di fibra ottica costituita da diverse migliaia di elementi guidaluce. Questa speciale fibra di imaging ha permesso ai ricercatori di mantenere tutte le parti mobili e l'energia elettrica al di fuori della testa della sonda, rendendo la sonda facile e sicura da usare nel corpo.

I ricercatori hanno testato la sonda con molti tipi di campioni di tessuto, ma poiché è attualmente progettato per la modalità di visualizzazione in avanti, le applicazioni primarie della sonda includerebbero probabilmente la pelle, chirurgia del cervello o della testa e del collo. Stanno lavorando all'implementazione di una modalità di visualizzazione laterale che potrebbe essere utilizzata per indagare su organi cavi e arterie come il colon, vescica o aorta.

Un mini microscopio

"La nuova sonda funge da microscopio miniaturizzato che utilizza laser nel vicino infrarosso per indagare sui tessuti, "ha detto Popp. "Diversi componenti del tessuto biologico reagiscono in modo diverso ai laser di eccitazione, e la loro risposta unica ci fornisce informazioni sulla composizione molecolare e sulla morfologia all'interno del tessuto".

La sonda di imaging multimodale portatile può acquisire contemporaneamente diversi tipi di immagini:scattering Raman coerente anti-stokes, generazione di seconda armonica e autofluorescenza eccitata a due fotoni. Queste tecniche di imaging non lineari hanno dimostrato di essere utili per la diagnostica clinica, compresa l'identificazione delle cellule cancerose, ma è stato difficile miniaturizzare la strumentazione necessaria per l'uso all'interno del corpo.

Le dimensioni ridotte della sonda derivano dall'uso dell'indice di gradiente, o GRIN, lenti per focalizzare la luce laser. Rispetto alle lenti sferiche tradizionali che utilizzano superfici sagomate complicate per focalizzare la luce, Le lenti GRIN possono essere molto piccole perché focalizzano la luce attraverso continui cambiamenti dell'indice di rifrazione all'interno del materiale della lente. Il team di ricerca di Popp ha collaborato con gli scienziati della Grintech Gmbh che hanno progettato lenti GRIN di soli 1,8 millimetri di diametro e hanno contribuito a incorporare il robusto gruppo lenti in un piccolo alloggiamento in alluminio.

Gli endoscopi progettati per l'imaging non lineare utilizzano comunemente specchi mobili e dispositivi elettromeccanici per la scansione laser punto per punto nella testa della sonda. L'utilizzo della fibra di imaging multicore ha permesso ai ricercatori di ridurre ulteriormente le dimensioni del dispositivo spostando la scansione laser fuori dalla testa della sonda e lontano dal sito del campione. Poiché le migliaia di elementi guida della luce della fibra, o nuclei, preservare la relazione spaziale della luce tra le due estremità della fibra, la scansione può essere eseguita all'estremità opposta della fibra, rendendo un approccio endoscopico molto più semplice.

"Rispetto ad altri approcci di imaging endoscopico non lineare, la nostra sonda a fibra si distingue per la sua semplicità, " ha detto Popp. "Poiché nessuna parte mobile è incorporata nella testa della sonda, possibili disallineamenti nell'ottica sono limitati e la durata complessiva della sonda è aumentata."

Imaging multimodale dei tessuti

I ricercatori hanno dimostrato le capacità uniche della fibra di imaging multicore spostando un'estremità della sonda su un campione e trasferendo le immagini acquisite all'altra estremità. "Questo non è un compito banale poiché i nuclei della fibra di imaging differiscono per dimensioni e forma, ostacolando l'accoppiamento efficiente ed omogeneo dei laser di eccitazione, " disse Popp. "Inoltre, abbiamo dovuto affrontare effetti indesiderati come le diverse lunghezze d'onda che interagiscono all'interno della fibra e l'accoppiamento della luce da nucleo a nucleo".

Hanno anche dimostrato che la sonda potrebbe acquisire una dispersione Raman anti-stokes coerente separata, generazione di seconda armonica e immagini di autofluorescenza eccitata a due fotoni di campioni di tessuto cutaneo umano sano con una risoluzione di 2048 x 2048 pixel per un'area scansionata di 300 x 300 micron. Questa risoluzione e questo campo visivo sono sufficienti per identificare i confini del tumore, e la sonda può essere spostata sulla superficie del tessuto per ottenere una panoramica dell'area interessata.

I ricercatori stanno lavorando per utilizzare algoritmi per migliorare la qualità delle immagini multimodali, che appaiono pixelati a causa della struttura della fibra di imaging multicore. Come passo successivo, hanno in programma di testare la sonda in modelli animali e con pazienti in un ambiente clinico.