Un nuovo approccio all'imaging ottico consente di monitorare in modo rapido ed economico più interazioni molecolari in un'ampia area di tessuto vivente, come un organo o un piccolo animale; tecnologia che potrebbe avere applicazioni nella diagnosi medica, chirurgia guidata, o test farmacologici preclinici. Il metodo, che è dettagliato in Fotonica della natura , è in grado di tracciare simultaneamente 16 colori di informazioni spazialmente collegate su un'area che si estende per diversi centimetri, e può catturare le interazioni che si verificano in pochi miliardesimi di secondo.

"Abbiamo sviluppato un modo intelligente per acquisire un'enorme quantità di informazioni in un breve periodo di tempo, " ha detto Saverio Intes, professore di ingegneria biomedica al Rensselaer Polytechnic Institute. "Il nostro approccio è più veloce e meno costoso della tecnologia esistente senza alcun compromesso nella precisione dei dati che acquisiamo".

Come suggerisce il nome, l'imaging ottico utilizza la luce per indagare su un bersaglio. Nelle applicazioni biomediche, l'imaging ottico ha molti vantaggi rispetto a tecniche come la risonanza magnetica e la PET, che utilizzano il magnetismo e le emissioni di positroni per acquisire immagini all'interno del tessuto vivente.

Il metodo sviluppato dal laboratorio Intes si avvale di tecniche avanzate di imaging ottico, l'imaging a fluorescenza a vita abbinato al trasferimento di energia di risonanza, per rivelare lo stato molecolare dei tessuti. Nell'imaging a fluorescenza a vita (FLIM), le molecole di interesse sono contrassegnate con molecole fluorescenti "reporter" che, quando eccitato da un raggio di luce, emettono un segnale luminoso con un certo colore nel tempo che è indicativo del loro ambiente immediato. Le molecole reporter possono essere sintonizzate per offrire informazioni su fattori ambientali come viscosità, pH, o la presenza di ossigeno. FLIM è ideale per i tessuti spessi di un corpo perché si basa su informazioni temporali, piuttosto che l'intensità della luce, che si degrada in modo significativo mentre viaggia attraverso i tessuti. I ricercatori hanno anche utilizzato il trasferimento di energia per risonanza di Forster (FRET), che determina la stretta vicinanza tra due molecole etichettate in modo simile - come un farmaco e il suo bersaglio - in base a un trasferimento di energia che si verifica solo quando le molecole etichettate vengono consegnate nelle cellule malate per la massima efficacia terapeutica.

Però, mentre il metodo FLIM-FRET genera un segnale ricco di informazioni, raccogliere quel segnale in modo rapido ed economico è problematico. I metodi attuali si basano su fotocamere costose, che può immaginare un solo giornalista alla volta, e la scansione del soggetto può richiedere ore poiché la fotocamera raccoglie informazioni dal suo intero campo visivo.

Per superare questo ostacolo, i ricercatori hanno rinunciato alle fotocamere e hanno invece utilizzato un metodo di rilevamento a pixel singolo combinato con una tecnica di campionamento matematico (basata su una trasformata di Hadamard) che ha permesso loro di raccogliere informazioni rilevanti sufficienti in 10 minuti per costruire un'immagine precisa. Il metodo di rilevamento può raccogliere informazioni su 16 canali spettrali contemporaneamente, e tre dispositivi di rilevamento posizionati attorno al campione fornivano informazioni spaziali utilizzate per costruire un'immagine tridimensionale.

"Questa è una nuova piattaforma, una nuova opzione in macroscopia, e pensiamo che avrà trazione in molteplici applicazioni nell'arena biomedica, " disse Intes.

La ricerca di Intes è resa possibile dalla visione del Nuovo Politecnico, un paradigma emergente per l'istruzione superiore che riconosce che le sfide e le opportunità globali sono così grandi che non possono essere adeguatamente affrontate nemmeno dalla persona più talentuosa che lavora da sola. Rensselaer funge da crocevia per la collaborazione, lavorando con partner di diverse discipline, settori, e regioni geografiche, per affrontare sfide globali complesse, utilizzando gli strumenti e le tecnologie più avanzate, molti dei quali sono sviluppati a Rensselaer. La ricerca a Rensselaer affronta alcune delle sfide tecnologiche più urgenti del mondo, dalla sicurezza energetica e lo sviluppo sostenibile alla biotecnologia e alla salute umana. Il Nuovo Politecnico trasforma l'impatto globale della ricerca, nella sua pedagogia innovativa, e nella vita degli studenti di Rensselaer.