Основная проблема фокусировки света внутри тела заключается в том, что биологическая ткань оптически непрозрачна. В отличие от прозрачного стекла клетки и белки, из которых состоят ткани, рассеивают и поглощают свет. «Что касается света, наши ткани ведут себя очень похоже на густой туман», — говорит Чанхуэй Ян, профессор электротехники, биоинженерии и медицинской инженерии. «Так же, как мы не можем сфокусировать фару автомобиля сквозь туман, ученым всегда было трудно фокусировать свет сквозь ткани».Чтобы обойти эту проблему, Ян и его команда обратились к микропузырькам, обычно используемым в медицине для усиления контраста при ультразвуковой визуализации.
Наполненные газом микропузырьки заключены в тонкие белковые оболочки и имеют акустический показатель преломления — свойство, которое влияет на распространение звуковых волн в среде, — отличное от такового в живой ткани. В результате они по-разному реагируют на звуковые волны. «Вы можете использовать ультразвук, чтобы заставить микропузырьки быстро сжиматься и расширяться, и эта вибрация помогает отличить их от окружающей ткани, поскольку заставляет их отражать звуковые волны более эффективно, чем биологические ткани», — говорит Хауэн Руан, научный сотрудник лаборатории Яна.Кроме того, оптический показатель преломления микропузырьков не такой, как у биологической ткани. Оптический показатель преломления — это показатель того, насколько световые лучи отклоняются при переходе из одной среды (например, жидкости) в другую (газ).
Ян, Руан и аспирант Мусок Джанг разработали новую технику, называемую оптической фокусировкой с обращенным во времени ультразвуковым кодированием микропузырьков (TRUME), которая использует несоответствие между акустическими и оптическими показателями преломления микропузырьков и тканей для фокусировки света внутри тела. Сначала микропузырьки, введенные в ткань, разрываются ультразвуковыми волнами.
Измеряя разницу в пропускании света до и после такого события, исследователи Калифорнийского технологического института могут изменить волновой фронт лазерного луча так, чтобы он фокусировался на исходных местах микропузырьков. В результате, как поясняет Ян, «вы как будто ищете кого-то в темном поле, и внезапно человек запускает ракету.
На короткое время человек освещается, и вы можете вернуться к его местонахождению».В новом исследовании, опубликованном 24 ноября 2015 года в журнале Nature Communications, команда показала, что их метод TRUME может использоваться в качестве эффективного «ориентира» для фокусировки лазерных лучей на определенных участках биологической ткани. Одного, хорошо расположенного микропузырька было достаточно для успешной фокусировки лазера; множественные всплывающие пузыри, расположенные в непосредственной близости от цели, функционировали как карта для света.«Каждое лопание служит дорожной картой для извилистых траекторий света через ткань», — говорит Ян. «Мы можем использовать эту дорожную карту, чтобы формировать свет таким образом, чтобы он сходился там, где лопаются пузыри».
Если будет показано, что TRUME эффективно работает в живой ткани — например, без каких-либо негативных эффектов от лопнувших микропузырьков — это может позволить провести ряд исследований и медицинских приложений. Например, комбинируя микропузырьки с датчиком антител, разработанным для поиска биомаркеров, связанных с раком, врачи могут нацеливать, а затем уничтожать опухоли глубоко внутри тела или обнаруживать злокачественные образования намного раньше.«Ультразвук и рентгеновские лучи могут обнаружить рак только после того, как он образует массу», — говорит Ян. «Но с оптической фокусировкой вы можете поймать раковые клетки, пока они претерпевают биохимические изменения, но до того, как претерпят морфологические изменения».Этот метод может заменить другие методы диагностического скрининга.
Например, его можно использовать для измерения концентрации белка, называемого билирубином, у младенцев, чтобы определить их риск развития желтухи. «В настоящее время для этой процедуры требуется забор крови, но с помощью TRUME мы можем направить свет в тело младенца и найти уникальную сигнатуру поглощения молекулы билирубина», — говорит Руан.В сочетании с существующими методами, которые позволяют ученым активировать отдельные нейроны лабораторных животных с помощью света, TRUME может помочь нейробиологам лучше понять, как работает мозг. «В настоящее время нейробиологи работают только в поверхностных слоях мозга», — говорит Ян. «Но наш метод оптической фокусировки может позволить минимально инвазивный способ исследования более глубоких областей мозга».
Статья озаглавлена «Оптическая фокусировка внутри рассеивающей среды с помощью обращенного во времени света, закодированного с помощью ультразвуковых микропузырьков (TRUME)».