La comprensione dei sistemi biologici e biomedici complessi è notevolmente aiutata dall'imaging 3D, che fornisce informazioni molto più dettagliate rispetto ai tradizionali metodi bidimensionali. Tuttavia, l'imaging di cellule e tessuti vivi rimane impegnativo a causa di fattori quali la velocità limitata dell'imaging e la significativa dispersione in ambienti torbidi.
In questo contesto, le tecniche di microscopia multimodale sono notevoli. Nello specifico, le tecniche non lineari come la CRS (scattering Raman coerente) utilizzano la spettroscopia ottica vibrazionale, fornendo immagini chimiche precise nei tessuti e nelle cellule in modo privo di etichette.
Inoltre, la microscopia di diffusione Raman stimolata (SRS), un metodo CRS, può catturare con precisione immagini di biomolecole grazie alla relazione lineare tra l'intensità Raman stimolata e la concentrazione delle molecole bersaglio. Lo fa con elevata sensibilità e senza interferenze provenienti da sfondi non risonanti indesiderati.
In un recente studio pubblicato su Advanced Photonics , Il professor Zhiwei Huang, direttore del laboratorio di bioimaging ottico presso il Dipartimento di ingegneria biomedica presso il College of Design and Engineering dell'Università Nazionale di Singapore, ha lavorato con il suo team per sviluppare una nuova tecnica chiamata tomografia a diffusione Raman stimolata con modulazione di fase (PM- SRST) per l'imaging chimico 3D senza etichetta di cellule e tessuti.
Secondo Huang, "Questo metodo da noi sviluppato consente l'acquisizione diretta di informazioni sul campione 3D nel dominio spaziale, senza la necessità di procedure di postelaborazione. Abbiamo anche dimostrato l'utilità della tecnica PM-SRST per migliorare sia la risoluzione laterale che l'imaging profondità dell'imaging SRS 3D dei biotessuti."
In questo approccio, il normale raggio "a pompa" nel metodo SRS viene sostituito con un raggio specializzato noto come raggio di Bessel. La posizione di un altro raggio, il raggio di Stokes focalizzato, viene controllata utilizzando un dispositivo chiamato modulatore di luce spaziale lungo il raggio della pompa di Bessel nel campione per la sezione z meccanica senza scansione.
Inoltre, combinando il raggio della pompa Bessel con un raggio Stokes a lunghezza d'onda più lunga, la capacità di PM-SRST di gestire la dispersione viene migliorata, consentendo l'acquisizione di immagini rapide e dettagliate nelle aree dei tessuti più profonde.
L'efficacia del metodo è stata dimostrata attraverso esperimenti che hanno dimostrato l'imaging chimico volumetrico rapido e senza etichetta su diversi campioni. Questi includevano il monitoraggio in tempo reale del movimento browniano 3D delle perle polimeriche nell'acqua, l'osservazione dei processi di diffusione e assorbimento dell'ossido di deuterio (D2 O) nelle radici delle piante e studiando la risposta biochimica delle cellule del cancro al seno all'acido acetico.
Inoltre, la profondità di penetrazione della luce del PM-SRST è stata confrontata con quella dell’imaging SRS convenzionale. Nella PM-SRST, il segnale proveniente dalle aree dei tessuti più profondi è notevolmente più forte che nella C-SRS, portando a un miglioramento di circa due volte nella profondità dell'imaging.
Huang osserva:"La proprietà di sezionamento ottico senza scansione z nel PM-SRST è universale e può essere facilmente estesa ad altre modalità di imaging. Ad esempio, l'attuale sistema può essere facilmente adattato per lo scattering Raman anti-Stokes coerente (CARS) tomografia a fluorescenza e, utilizzando solo la pompa o il fascio di Stokes, la tecnica PM-SRST può essere semplificata per facilitare la tomografia con generazione di seconda o terza armonica, la tomografia multifotone o la tomografia a fluorescenza."
Capace di imaging chimico 3D rapido e senza etichetta, la tecnica PM-SRST può essere utilizzata per studiare le attività metaboliche e i processi dinamici funzionali correlati alla somministrazione di farmaci e alle terapie all'interno di cellule e tessuti vivi.
Ulteriori informazioni: Weiqi Wang et al, Tomografia a diffusione Raman stimolata per l'imaging chimico tridimensionale rapido di cellule e tessuti, Fotonica avanzata (2024). DOI:10.1117/1.AP.6.2.026001
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