La maggior parte delle condizioni patologiche, dal cancro e l'aterosclerosi ai disturbi neurodegenerativi e ortopedici, è accompagnata da cambiamenti nella rigidità dei tessuti. La medicina clinica si è a lungo basata sulla palpazione manuale delle regioni sospette per rilevare la rigidità dei tessuti per la diagnosi. Modalità di imaging come ultrasuoni, La risonanza magnetica e l'OCT possono anche misurare efficacemente la rigidità dei tessuti. La reologia laser speckle (LSR) offre un nuovo, approccio ottico senza contatto. LSR utilizza un laser economico simile a un comune puntatore laser per illuminare la luce laser sui tessuti, oltre a una fotocamera per visualizzare i modelli di macchioline riflessi dalle particelle che diffondono la luce nel campione.

Professore associato di dermatologia alla Harvard Medical School Seemantini Nadkarni, il cui laboratorio presso il Wellman Center for Photomedicine ha sviluppato LSR, spiega il ruolo delle macchioline laser nella comunicazione della rigidità dei tessuti:"In un ambiente morbido, esemplare conforme, le particelle che diffondono la luce si muovono rapidamente, causando una fluttuazione più rapida del modello di macchiolina. In contrasto, in un esemplare rigido, una fitta rete di fibre limita questi movimenti, dando luogo a un lento scintillio di macchie." Misurando la velocità delle fluttuazioni delle macchie, LSR consente la misurazione delle complesse proprietà dei materiali dei tessuti.

reologia della macchiolina laser, un tutorial

Un tutorial recentemente pubblicato da Nadkarni e dalla sua collega Zeinab Hajjarian in open access, peer-reviewed Giornale di ottica biomedica (JBO), fornisce una revisione tempestiva e visivamente ricca dei metodi ottici nella meccanica dei tessuti, con un focus specifico su LSR. Il tutorial discute varie applicazioni cliniche per la traduzione della piattaforma LSR per applicazioni nella ricerca di base e nella medicina clinica. Si basa su una serie di conferenze presentate da Nadkarni al 9 ^ns Scuola estiva internazionale di specializzazione, Biofotonica '19, a Hven, Svezia.

Il caporedattore di JBO Brian Pogue, MacLean Professor of Engineering Science presso il Dartmouth College Thayer School of Engineering, dice, "Il tutorial combina gli aspetti critici dei metodi sperimentali nel modo in cui le misurazioni del campo speckle sono progettate e utilizzate, con un apprezzamento dei bisogni in cella, matrice, e la caratterizzazione dei tessuti biologici." Gli autori esaminano sia le applicazioni in vitro che l'imaging tissutale in vivo prima di riassumere la storia del campo e dove sembra essere diretto.

Con l'obiettivo di estendere la portata della piattaforma LSR allo studio e alla diagnosi delle malattie umane da una prospettiva biomeccanica, il team di ricerca ha sviluppato vari dispositivi che sfruttano la piattaforma LSR per applicazioni in ematologia, cardiologia interventistica, e ricerca sul cancro.

Sensore di coagulazione del sangue palmare

Uno dei principali temi di indagine riguarda l'uso dell'LSR per rilevare emorragie e disturbi trombotici nei pazienti al punto di cura. Il team ha sviluppato un sensore per la coagulazione del sangue delle dimensioni di un palmo, chiamato iCoagLab, che utilizza poche gocce di sangue per misurare vari parametri per valutare lo stato di coagulazione di un paziente in pochi minuti.

"I disturbi della coagulazione si verificano quando il sangue si coagula troppo lentamente o troppo rapidamente, e il coagulo risultante è molto allentato o molto solido causando emorragie o eventi trombotici, " ha detto Nadkarni. "Misurando e monitorando la rigidità della coagulazione del sangue utilizzando LSR, possiamo identificare difetti di coagulazione potenzialmente letali e probabilmente guidare le strategie di trasfusione di sangue nei pazienti con sanguinamento o informare il dosaggio di fluidificanti del sangue nei pazienti con condizioni trombotiche".

Mappatura della rigidità dei tessuti all'interno dei vasi sanguigni

LSR può essere eseguito anche tramite fasci di fibre ottiche di piccolo diametro incorporati all'interno di endoscopi, cateteri o aghi per valutare i tessuti interni all'interno del corpo che altrimenti potrebbero essere inaccessibili per i test meccanici tradizionali. Ad esempio, infarto miocardico, la principale causa di morte nel mondo, si verifica a causa della rottura di placche meccanicamente deboli all'interno della parete del vaso.

"Il nostro team di ricerca ha sviluppato la tecnologia del catetere LSR intravascolare per produrre la mappa di rigidità di intere pareti dei vasi e rilevare le placche grasse meccanicamente instabili implicate negli attacchi di cuore. Abbiamo testato la tecnologia del catetere LSR nelle arterie coronarie di cadaveri umani e in modelli di animali vivi, e stanno facendo avanzare la tecnologia verso impostazioni precliniche e cliniche, ", ha detto Nadkarni.

Nuovo microscopio LSR per aiutare nella ricerca sul cancro

Diversi studi fondamentali di meccanobiologia nel corso degli anni hanno sottolineato l'importanza degli aspetti micromeccanici dei tessuti e delle malattie e hanno richiesto nuovi strumenti per misurare queste proprietà. Gli autori di questo tutorial hanno anche sviluppato un nuovo microscopio LSR che consente la mappatura della rigidità di tessuti e materiali su scale di lunghezza di poche decine di micron.

"Il nuovo schema del microscopio LSR cattura la mappa di distribuzione della rigidità su diversi centimetri di un campione di tessuto in pochi secondi. In confronto, misurazioni simili ottenute con le tradizionali tecniche di microindentazione potrebbero richiedere diverse ore, " ha detto il co-autore Hajjarian, assistente in ingegneria elettrica presso il Wellman Center for Photomedicine, e docente di dermatologia presso la Harvard Medical School. "Abbiamo dimostrato i punti di forza unici di questa tecnologia in fantasmi microfabbricati, modelli in vitro di tumori maligni, e campioni di tumore raccolti dai pazienti".

Gli autori toccano gli aspetti tecnici di come questi principi fisici guidano i diversi aspetti di elaborazione della serie di frame speckle per quantificare i parametri meccanici importanti per la natura o la funzione del tessuto. Pogue trova questo schema notevole:"In particolare, l'approccio degli autori allo sviluppo di un diagramma di flusso degli algoritmi di elaborazione e delle basi teoriche fornisce le basi necessarie per capire cosa viene misurato."

Presentando LSR nel contesto più ampio delle tecniche ottiche concorrenti e fornendo una discussione comparativa degli attributi specifici di ciascuna tecnologia, gli autori hanno servito gli interessi della comunità dell'ingegneria ottica biomedica. Secondo Pogue, "La loro dissezione dei metodi ottici concorrenti utilizzati, come l'elastografia a coerenza ottica, microscopia a forza di trazione, la diffusione dinamica della luce e la spettroscopia a onde di diffusione aiutano a contestualizzare meglio i metodi della reologia dello speckle laser, nell'armamentario degli strumenti".