I ricercatori hanno sviluppato una tecnica di imaging a raggi X in grado di produrre immagini dettagliate di organismi viventi con una dose di raggi X molto più bassa di quanto possibile in precedenza. Questo progresso consente di studiare piccoli organismi o altri campioni sensibili ad alta risoluzione per periodi molto più lunghi, il che potrebbe rivelare nuove informazioni su una varietà di processi dinamici.
L’approccio si basa sull’imaging a contrasto di fase, che si basa non solo sull’assorbimento dei raggi X in un campione, ma anche sulle proprietà d’onda dei raggi X. Più precisamente, crea immagini dai cambiamenti di fase che si verificano quando i raggi X attraversano un campione.
"In precedenza, l'imaging a contrasto di fase a raggi X con risoluzione micrometrica degli organismi viventi era possibile solo per pochi secondi fino a minuti perché si sarebbero verificati gravi danni da radiazioni", ha spiegato il membro del team di ricerca Rebecca Spiecker dell'Istituto di tecnologia di Karlsruhe in Germania. "Abbiamo ridotto la dose di raggi X necessaria superando gli attuali limiti dell'imaging ad alta risoluzione per applicazioni sensibili alla dose."
Sulla rivista Optica , i ricercatori descrivono come hanno sviluppato un nuovo sistema di imaging a raggi X che utilizza ottiche a raggi X dedicate ad alta efficienza e rilevatori di conteggio di singoli fotoni per aumentare l'efficienza della dose per l'imaging a campo intero con risoluzione micrometrica. Hanno dimostrato i vantaggi della nuova tecnica immaginando minuscole vespe parassitoidi che emergono dalle uova ospiti per più di 30 minuti.
"Abbiamo dimostrato che il nostro metodo presenta prestazioni di imaging superiori rispetto a un rilevatore convenzionale ad alta risoluzione", ha affermato Spiecker. "Ciò potrebbe essere utile, ad esempio, per catturare i dettagli dello sviluppo e del comportamento di piccoli organismi modello, come gli embrioni di rana Xenopus, su una scala temporale più lunga di quanto sia attualmente possibile."
L’imaging a raggi X può rivelare strutture e processi nascosti negli organismi viventi. Tuttavia, espone anche gli organismi a radiazioni dannose a dosi elevate, limitando la durata delle osservazioni prima che si verifichi il danno. Ciò è aggravato dal fatto che l'efficienza di rilevamento dei rilevatori ad alta risoluzione comunemente utilizzati diminuisce con l'aumentare della risoluzione, il che significa che sono necessarie dosi di raggi X ancora più elevate per ottenere un'immagine ad alta risoluzione.
Per superare questa sfida, i ricercatori hanno sviluppato un approccio di imaging a contrasto di fase che ingrandisce direttamente l’immagine a raggi X invece di convertire l’immagine a raggi X in un’immagine a luce visibile e quindi ingrandirla, che è il metodo tipico. Ciò ha consentito loro di utilizzare rilevatori ad ampia area altamente efficienti mantenendo una risoluzione spaziale micrometrica.
Nel nuovo sistema di imaging, i ricercatori hanno utilizzato un rilevatore di immagini a conteggio di fotoni singoli con una dimensione dei pixel di 55 micron. L'immagine a raggi X viene ingrandita dietro il campione utilizzando un'ottica a cristallo, nota come lente d'ingrandimento di Bragg. Quest'ultimo è costituito da due cristalli di silicio perfetti per effettuare l'ingrandimento.
"Per ottenere la massima efficienza di dose possibile per l'imaging a raggi X a campo intero con risoluzione micrometrica, combiniamo il contrasto di fase dei raggi X, una lente di ingrandimento di Bragg e un rilevatore a conteggio di fotoni singoli, tutti ottimizzati per un'energia dei raggi X ottimale di 30 keV", ha detto Spiecker. "Il concetto delle lenti di ingrandimento di Bragg risale alla fine degli anni '70 e, sebbene sia stato notato il loro potenziale per aumentare l'efficienza della dose, non è stato esplorato fino ad ora."
Dopo aver dimostrato che il loro nuovo sistema poteva raggiungere un'efficienza di dose superiore al 90% fornendo allo stesso tempo una risoluzione fino a 1,3 micron, i ricercatori hanno confrontato le sue prestazioni con un sistema di rilevamento convenzionale ad alta risoluzione utilizzando lo stesso campione, fluenza di raggi X e 30 keV energia dei raggi X.
"A questa energia, abbiamo dimostrato che l'efficienza quantistica del nostro sistema supera il sistema convenzionale di oltre due ordini di grandezza per i componenti rilevanti ad alta risoluzione dell'immagine", ha affermato Spiecker. "Ciò si traduce in immagini migliori e consente una drastica riduzione della dose di raggi X nel campione."
I ricercatori hanno poi utilizzato il sistema per eseguire uno studio comportamentale pilota sulle vespe parassitoidi viventi, ampiamente utilizzate per il controllo biologico dei parassiti. Grazie all'esposizione minima alle radiazioni, sono stati in grado di catturare immagini delle minuscole vespe all'interno delle uova ospiti per 30 minuti prima che le vespe emergessero finalmente.
I ricercatori affermano che il metodo potrebbe essere utile anche per applicazioni biomediche, come l’esame tomografico delicato di campioni bioptici. Tuttavia, l'utilizzo di una lente di ingrandimento di Bragg richiede un fascio monocromatico, coerente e collimato, disponibile presso gli impianti di sincrotrone a raggi X. Stanno inoltre continuando a migliorare il sistema per ottenere un campo visivo più ampio e una maggiore stabilità meccanica a lungo termine per tempi di misurazione ancora più lunghi.
Ulteriori informazioni: Rebecca Spiecker et al, Imaging con contrasto di fase a raggi X in vivo a dose efficiente con risoluzione micrometrica, Optica (2023). DOI:10.1364/OTTICA.500978
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