Nuovi strumenti fotonici per l'imaging medico possono essere utilizzati per comprendere il comportamento non lineare della luce laser nel sangue umano per applicazioni teranostiche. Quando la luce entra nei fluidi biologici viene rapidamente dispersa, però, alcune sospensioni cellulari possono indurre risposte non lineari nei raggi laser per l'autofocus e migliorare la penetrazione della luce per applicazioni biomediche come marker quantificabile di malattia. In un recente studio ora pubblicato in Luce:scienza e applicazioni , Rekha Gautam e i suoi colleghi della San Francisco State University e un team internazionale di collaboratori hanno dimostrato che un raggio laser che brilla attraverso le sospensioni di globuli rossi potrebbe diventare "auto-intrappolato". Il processo ha ridotto la dispersione della luce per mantenere la potenza del raggio di luce laser all'interno dei campioni biologici.

La non linearità osservata dipendeva dalle condizioni osmotiche e dall'età dei campioni. Gli scienziati propongono di utilizzare la tecnica per diagnosticare l'anemia falciforme o la malaria; malattie che influenzano le dimensioni e la forma delle cellule del sangue. Le condizioni osmotiche giocano un ruolo importante nelle proprietà dei globuli rossi umani (RBC) cruciali durante l'analisi della malattia. Numerosi sforzi nell'ultimo decennio si sono concentrati sullo studio delle proprietà biomeccaniche dei globuli rossi sospesi in diverse soluzioni osmotiche.

Nel presente lavoro, Gautam et al. ha determinato la propagazione non lineare auto-intrappolante e resistente alla dispersione di un raggio laser attraverso tre diverse soluzioni/condizioni osmotiche. I risultati hanno mostrato che la forza della non linearità ottica aumentava con la pressione osmotica sulle cellule. interessante, nei campioni di sangue invecchiato con cellule lisate il comportamento non lineare era notevolmente diverso a causa della presenza di emoglobina libera. Per spiegare le osservazioni sperimentali, Gautam et al. utilizzato un modello teorico con una non linearità ottica non locale mediata dalla forza. Il presente lavoro sull'autoguida della luce attraverso la materia biologica morbida sparsa può introdurre nuovi strumenti fotonici per l'imaging biomedico non invasivo e la diagnosi medica.

I globuli rossi umani sono cellule malleabili a forma di disco che possiedono un indice di rifrazione spazialmente uniforme poiché mancano di nuclei a differenza della maggior parte degli organelli, e mostrano una deformabilità distintiva per il passaggio attraverso vene e microcapillari. Il cambiamento di forma può essere richiesto modificando l'osmolarità del tampone liquido circostante per utilizzare i globuli rossi come microlenti optofluidiche sintonizzabili. Le proprietà ottiche dei globuli rossi sono importanti per la diagnostica della malattia in vitro e in vivo in cui l'indice di rifrazione dei globuli rossi è determinato dall'emoglobina (Hb), la maggior parte del contenuto secco degli eritrociti in peso. Di conseguenza, se il volume cellulare è diminuito a causa di condizioni osmotiche variabili, l'indice di rifrazione è aumentato.

Condizioni fisiopatologiche come l'anemia falciforme, la malaria e la sepsi sono spesso strettamente correlate alle proprietà fisiche dei globuli rossi, la loro forma e dimensione. Le caratteristiche fondamentali dei vari indici di rifrazione e delle forme cellulari consentono ai globuli rossi di reagire ai cambiamenti in diversi ambienti osmotici, rendendoli candidati ideali per studiare la diffusione della luce. Nel presente lavoro, Gautam et al. hanno mostrato un auto-intrappolamento non lineare della luce attraverso una distanza di propagazione di un centimetro mediante la dispersione di sospensioni di globuli rossi. Quando hanno aumentato la potenza del raggio laser, hanno mostrato che il raggio si focalizza in modo drammatico all'interno di tutte e tre le condizioni osmotiche, proprio come i solitoni spaziali ottici (pacchetti d'onda auto-intrappolati non lineari). Le forze ottiche che cambiano con la densità e la morfologia cellulare possono fornire strumenti non invasivi per ordinare cellule diverse, secondo uno stadio specifico di una data malattia.

Gli scienziati hanno ottenuto campioni di sangue da donatori anonimi per gli esperimenti. Nella prima serie di esperimenti, hanno usato un raggio laser ad onda continua (CW) linearmente polarizzato con una lunghezza d'onda di 532 nm. Hanno focalizzato la luce in una cuvetta di vetro lunga 3 cm riempita con sospensioni di globuli rossi in diverse condizioni osmotiche, come precedentemente descritto. Hanno monitorato le uscite lineari e non lineari dal campione utilizzando una telecamera CCD e un rilevatore di potenza, e misurato i diametri del raggio utilizzando il programma Beamview. Il raggio ha prima diffratto normalmente a una bassa potenza di 10 mW e successivamente ha subito una forte diffusione a causa della distribuzione casuale di globuli rossi di forma non sferica.

Gautam et al. quindi misurata la trasmissione laser normalizzata (potenza in uscita/in ingresso) in funzione della potenza del raggio in ingresso. Nelle soluzioni ipotoniche, hanno notato che i globuli rossi erano in uno stato "gonfio" in cui l'indice di rifrazione effettivo delle cellule diminuiva all'aumentare del rapporto acqua/Hb. In contrasto, nella soluzione ipertonica, gli scienziati hanno osservato che i globuli rossi si sono ridotti, e il loro indice effettivo è aumentato a causa del ridotto rapporto acqua/Hb. In una terza soluzione isotonica, le cellule hanno mostrato uno stato "normale", in cui i globuli rossi hanno mostrato un comportamento intermedio. Quando gli esperimenti sono stati eseguiti utilizzando gli stessi campioni di sangue due settimane dopo, gli scienziati hanno osservato risultati notevolmente diversi in cui la messa a fuoco non lineare è notevolmente migliorata per la soluzione ipertonica.

In una seconda serie di esperimenti, gli scienziati hanno utilizzato un sistema di pinzette ottiche autocostruito per misurare la forza del gradiente ottico sui globuli rossi. Gautam et al. raccolto la luce di diffusione in avanti dalle cellule intrappolate con una lente condensatrice e successivamente focalizzata su un rilevatore sensibile alla posizione (PSD). Hanno calcolato la rigidità e la forza del gradiente nelle tre soluzioni separate. Per semplificare le misurazioni, Gautam et al. trattati i globuli rossi ipotonici e ipertonici come oggetti a forma di disco. Hanno usato una telecamera CCD per registrare i movimenti delle cellule dalle tre diverse soluzioni insieme a un microscopio con due obiettivi, dove la configurazione è stata guidata utilizzando un raggio laser di 960 nm. I risultati hanno illustrato il movimento delle cellule contro il moto browniano sotto l'azione di forze ottiche in base alle condizioni della cellula (forma, dimensione) e la loro capacità di intrappolamento del raggio. Gautam et al. stimò la forza di intrappolamento usando l'equazione di Langevin e informò che la forza seguiva un andamento ipertonico> isotonica> condizioni ipotoniche.

Gli scienziati hanno quindi sviluppato un modello per simulare la propagazione del raggio non lineare nella materia soffice biologica al fine di comprendere la fisica della non linearità ottica mediata dalla forza. Hanno modellato l'evoluzione temporale della distribuzione della concentrazione delle particelle utilizzando un'equazione di diffusione-avvezione e hanno considerato la presenza di una forza di diffusione in avanti per spingere le particelle lungo la direzione di propagazione del raggio, insieme alla forza del gradiente ottico. Gautam et al. calcolato la variazione della dimensione del fascio per i diversi parametri di gradiente e forza di dispersione per simulare gli effetti di autofocalizzazione non lineare in diverse condizioni tampone. Hanno registrato il cambiamento di dimensione, volume e indici di rifrazione dei globuli rossi in diverse condizioni osmotiche che erano responsabili della variabile grandezza delle forze ottiche che modificavano la non linearità ottica. I risultati simulati erano qualitativamente coerenti con le osservazioni sperimentali.

In questo modo, Gautam et al. ha studiato la propagazione del fascio non lineare nei globuli rossi umani sospesi in tre diverse soluzioni tampone. Hanno scoperto che i globuli rossi mostravano una forte non linearità autofocalizzante che poteva essere controllata chimicamente in base alla soluzione tampone. Propongono quindi di sintonizzare la non linearità ottica tramite osmosi e aumento della pressione osmotica, fuori dalle cellule in campioni di sangue fresco. Quando i campioni sono invecchiati, l'emoglobina libera dai globuli rossi lisati ha giocato un ruolo attivo nella non linearità ottica osservata e ha migliorato la risposta non lineare in condizioni ipotoniche.

Utilizzando la microscopia video diretta e misurazioni con pinzette ottiche, gli scienziati hanno dimostrato che la forza di intrappolamento del fascio era maggiore per i globuli rossi in condizioni ipertoniche e più debole per le soluzioni ipotoniche. Gli scienziati hanno introdotto un modello teorico per convalidare gli effetti sperimentali osservati. Il lavoro introdurrà una nuova prospettiva nello sviluppo di strumenti diagnostici poiché i risultati sono molto promettenti per lo sviluppo di terapie di trattamento laser per le malattie legate al sangue.

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