Microscopia fotoacustica a risoluzione ottica (OR-PAM), una nuova tecnica di imaging ibrida, ci permette di ascoltare il suono della luce e vedere il colore del tessuto biologico stesso. Può essere utilizzato dal vivo, imaging funzionale multicontrasto, ma la scelta limitata della lunghezza d'onda della maggior parte dei laser commerciali e le limitazioni dei metodi di scansione esistenti hanno fatto sì che OR-PAM possa ottenere solo uno o due diversi tipi di contrasto in una singola scansione. Queste limitazioni hanno reso l'imaging funzionale multicontrasto dispendioso in termini di tempo, ed è stato difficile catturare i cambiamenti dinamici delle informazioni funzionali nei tessuti biologici.

Per superare questi limiti, Lidai Wang e il suo gruppo di ricerca presso la City University di Hong Kong hanno recentemente sviluppato un sistema OR-PAM a più lunghezze d'onda basato su una singola sorgente laser. Come riportato in Fotonica avanzata , il nuovo sistema consente l'imaging multicontrasto simultaneo della concentrazione di emoglobina, velocità del flusso sanguigno, saturazione di ossigeno nel sangue, e concentrazione linfatica. Queste informazioni funzionali possono fornire approfondimenti subcellulari significativi per gli scienziati che studiano modelli di malattia, per esempio nella ricerca sul cancro.

Microscopia fotoacustica a risoluzione ottica

Sulla base delle proprietà di assorbimento intrinseche del tessuto biologico mirato, l'imaging fotoacustico sfrutta il fatto che quando il tessuto viene preso di mira da un raggio laser pulsato, assorbe la luce e genera calore istantaneo. Quel calore provoca l'espansione termica, che genera un'onda ultrasonica meccanica, nota come onda fotoacustica (PA). Dopo aver raccolto l'onda PA mediante trasduttore ultrasonico e ricostruito il segnale, gli scienziati possono acquisire un'immagine che mostra la distribuzione dell'assorbimento della luce nel tessuto biologico.

La microscopia fotoacustica a risoluzione ottica fornisce informazioni sull'immagine ad alta risoluzione e ad alto contrasto per la struttura, morfologia, funzione, e metabolismo dei tessuti biologici, con prospettive di ampie applicazioni nell'imaging biomolecolare.

Sorgente laser a fibra a cinque lunghezze d'onda

Il team di Wang ha migliorato OR-PAM sviluppando una sorgente laser a fibra a cinque lunghezze d'onda basata su una sorgente laser a nanosecondi a lunghezza d'onda singola. Il tempo di commutazione tra diverse lunghezze d'onda avviene su una scala temporale inferiore al microsecondo, che apre possibilità per OR-PAM multifunzionale simultaneo. Il team di Wang ha convalidato la stabilità del sistema misurando la fluttuazione e la deriva dell'energia, e testato la profondità dell'immagine, così come la risoluzione laterale e assiale per l'imaging OR-PAM.

Secondo Wang, il sistema si basa sull'effetto di diffusione Raman (SRS) stimolato. Fondamentalmente, la sorgente laser pompata può generare un raggio laser diffuso con una lunghezza d'onda maggiore rispetto al raggio incidente originale attraverso la fibra ottica. Quando l'energia della sorgente laser pompata supera una certa soglia, la lunghezza d'onda SRS generata mantiene un'elevata direttività, elevata monocromaticità, e alta coerenza, che lo rende molto adatto come sorgente laser di OR-PAM. Le molteplici lunghezze d'onda sparse possono essere utilizzate per l'imaging fotoacustico multicontrasto.

Imaging multifunzionale e modellazione della malattia

Il team di Wang ha anche sviluppato un metodo di elaborazione delle immagini multiparametro per calcolare il diametro, profondità, tortuosità, e altri parametri fisiologici nei vasi microvascolari, fornendo una base di analisi delle immagini per la modellazione della malattia. Utilizzando l'OR-PAM a cinque lunghezze d'onda, il team di ricerca ha inoltre effettuato l'imaging multifunzionale dello sviluppo del tumore, liquidazione linfatica, e imaging cerebrale.

Nel loro primo passo, hanno eseguito l'imaging microscopico multifunzionale di piccoli animali in vivo, compresa la concentrazione di emoglobina, velocità del flusso sanguigno, saturazione di ossigeno, e concentrazione linfatica. Hanno anche analizzato le differenze morfologiche e funzionali (inclusi diametro, flusso sanguigno, livello di ossigeno nel sangue, ecc.) di diversi vasi sanguigni nell'area di imaging.

Poiché il tradizionale OR-PAM multifunzionale richiede più scansioni e più sorgenti laser per ottenere tali risultati, il loro lavoro ha affrontato due problemi significativi. Uno è che il microambiente dei vasi sanguigni nel tessuto cambia con il tempo, quindi più scansioni a lungo termine causano incongruenze nell'imaging funzionale. L'altro è l'asincronia tra le diverse sorgenti laser. Tali fluttuazioni causano errori sistematici di calcolo. Questo nuovo metodo può realizzare imaging multifunzionale con un'unica sorgente laser e in un'unica scansione, che non solo riduce notevolmente il tempo di imaging, ma migliora anche la precisione dell'immagine.

Wang osserva, "Nel futuro, ottimizzando il metodo di scansione, e combinandosi con l'OR-PAM multilunghezza in questo lavoro, è possibile realizzare immagini in tempo reale dei cambiamenti dinamici per i parametri fisiologici in alcuni modelli di malattia".