Основная проблема с сосредоточением света в теле состоит в том, что биологическая ткань оптически непрозрачна. В отличие от прозрачного стекла, клеток и белков, которые составляют разброс ткани и поглощают свет. «Наши ткани ведут себя очень как густой туман, насколько свет затронут», говорит Чангуеи Янг, преподаватель электротехники, биоинженерии и медицинской разработки. «Точно так же, как мы не можем сосредоточить фару автомобиля через туман, ученые всегда испытывали затруднения при сосредоточении света через ткани».
Чтобы обойти эту проблему, Янг и его команда обратились к микроскопическим пузырькам, обычно используемым в медицине, чтобы увеличить контраст в отображении ультразвука.Газонаполненные микроскопические пузырьки заключены в капсулу тонкими раковинами белка и имеют акустический показатель преломления – собственность, которая затрагивает, как звуковые волны размножаются через среду – отличающийся от той из живой ткани.
В результате они по-другому отвечают на звуковые волны. «Вы можете использовать ультразвук, чтобы заставить микроскопические пузырьки быстро сократиться и расшириться, и эта вибрация помогает отличить их от окружающей ткани, потому что это заставляет их отражать звуковые волны эффективнее, чем биологическая ткань», говорит Хаовэнь Жуань, постдокторский ученый в лаборатории Янга.Кроме того, оптический показатель преломления микроскопических пузырьков не то же самое как та из биологической ткани. Оптический показатель преломления – мера того, сколько световые лучи сгибают, переходя от одной среды (жидкость, например) другому (газ).Янг, Жуань и аспирант Музеок Дженг развивали новую технику, названную полностью измененным временем микроскопическим пузырьком ультразвука закодирован (TRUME) оптическое сосредоточение, которое использует несоответствие между акустическими и оптическими показателями преломления микроскопических пузырьков и ткани, чтобы сосредоточить свет в теле.
Во-первых, микроскопические пузырьки, введенные в ткань, разорваны с волнами ультразвука. Измеряя различие в светопроницаемости прежде и после такого события, исследователи Калифорнийского технологического института могут изменить фронт импульса лазерного луча так, чтобы это было внимание на исходные местоположения микроскопических пузырьков.
Результат, Янг объясняет, «то, как будто Вы ищете кого-то в темной области, и внезапно человек отпускает вспышку. В течение краткого момента освещен человек, и Вы можете сконцентрировать внимание на их местоположении».
В новом исследовании, опубликованном онлайн 24 ноября 2015, в журнале Nature Communications, команда показала, что их техника TRUME могла использоваться в качестве эффективного «guidestar», чтобы сосредоточить лазерные лучи на определенных местоположениях в биологической ткани. Единственного, микроскопического пузырька в хорошем состоянии было достаточно, чтобы успешно сосредоточить лазер; многократные пузыри сования, расположенные в общей близости цели, функционировали как карту для света.«Каждое событие сования служит планом действий для крутящих легких траекторий через ткань», говорит Янг. «Мы можем использовать тот план действий, чтобы сформировать свет таким способом, которым это будет сходиться, где пузыри разрывались».
Если TRUME, как показывают, работает эффективно в живой ткани – без, например, какие-либо отрицательные эффекты от разрывных микроскопических пузырьков – это могло позволить диапазон исследования и медицинского применения. Например, объединяя микроскопические пузырьки с исследованием антитела, спроектированным, чтобы искать биомаркеры, связанные с раком, врачи могли быть нацелены и затем разрушить опухоли глубоко в теле или диагностировать злокачественные опухоли намного раньше.«Ультразвук и методы рентгена могут только диагностировать рак после того, как это формирует массу», говорит Янг. «Но с оптическим сосредоточением, Вы могли поймать раковые клетки, в то время как они претерпевают биохимические изменения, но прежде чем они претерпят морфологические изменения».Техника могла занять место других из диагностических методов проверки.
Например, это могло использоваться, чтобы измерить концентрации белка, названного билирубином в младенцах, чтобы определить их риск для желтухи. «В настоящее время эта процедура требует взятия крови, но с TRUME, мы могли пролить свет в тело младенца и искать уникальную поглотительную подпись молекулы билирубина», говорит Жуань.В сочетании с существующими методами, которые позволяют ученым активировать отдельные нейроны у животных лаборатории, используя свет, TRUME мог помочь нейробиологам лучше понять как интеллектуальные труды. «В настоящее время нейробиологи ограничены поверхностными слоями мозга», говорит Янг. «Но наш метод оптического сосредоточения мог допускать минимально агрессивный способ исследовать более глубокие области мозга».
Бумага названа «Оптическое сосредоточение в рассеивающихся СМИ со светом полностью измененного временем микроскопического пузырька ультразвука закодирован (TRUME)».