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灯光,摄像,表演开始! 新型内窥镜探针使动物活细胞活动可视化

灯光,摄像,表演开始! 新型内窥镜探针使动物活细胞活动可视化

02/08/2018

约翰•霍普金斯大学的研究人员报告说,他们开发出了两种新的内窥镜探针,它们能显著提高成像分辨率,并允许直接观察绵羊、大鼠和小鼠等动物的小器官中的精细组织结构和细胞活动。这些工具有望减少癌症和其他疾病诊断中对有创活检的依赖。

约翰霍普金斯大学的研究人员报告说,他们开发出了两种新的内窥镜探针,它们能显著提高成像分辨率,并允许直接观察绵羊、大鼠和小鼠等动物的小器官中的精细组织结构和细胞活动。

研究人员说,如果临床试验肯定了该仪器在人类临床中的价值,那么该内窥镜有可能减少癌症和其他疾病诊断中对有创活检的依赖。

约翰•霍普金斯大学医学院生物医学工程教授Xingde Li, Ph.D.说:“利用这些工具,我们能够观察到胰腺或肺等器官的内部,从而为我们提供了一种更快更安全的方法来诊断各种疾病。”

Light:Science & Applications上发表的一篇文章中,研究人员描述了一种先进的双光子显微镜探针的开发过程,该探针使用细胞自身发射荧光(或“发光”)的能力,而不使用注射染料,来获取这些细胞所在器官的图像和关于其代谢活动和结构的信息。

Li说:“获得无染料标记的图像是非常重要的,因为我们在实验室活检中用来标记组织的化学物质可能会对人体有害。”

荧光是当分子的电子从“激发”状态回落到其正常能量水平时,从分子发射的能量。 正如荧光笔在紫外灯下发光一样,动物细胞也可以发荧光来提供有关其活动和功能的实时信息。

为了利用细胞的这种能力,Li和他的团队开发了一种内窥显微镜探头,其使用了一种被称为双光子成像的技术 -- 目前实验室中用于组织样品成像的主要技术 -- 该技术将两个光脉冲发射到一个分子中使其发出荧光。

为了使这项技术小型化,Li和其团队需要将台式双光子显微镜缩小成只有2毫米直径的探头。

该团队使用短脉冲激光来获得所需的光子,然后将它们同时传输到与探头连接的柔性光纤缆线。 光线穿过一个微型透镜,该透镜同时也起着将来自细胞的光线重新聚焦的作用,并通过光纤缆线将光线发送到显示器上。 研究人员还通过加入一个扫描仪来改变该器官的被光照射到的区域,从而能获得三维图像。 这使得研究人员能够收集探针周围组织的更多信息。

Li说,开发这项技术的一个主要挑战是将细胞发出的光线收集到同一个仪器中。 镜头要精心制作,不但能够聚焦从激光器发出的光,还要同时能够收集细胞发出的波长的光。 光纤缆线也必须为此项技术定制。

由于该探针可以获得人体内活组织的图像,研究人员因此能够在不使用化学标记的情况下监测细胞代谢活动的变化,而这些变化可能正是癌症,中风或心脏疾病的指征,相比于类似的但缺乏获得动态图像所需的敏感度的现有技术,该技术是一个重大进步。

该探头也能监测组织的结构变化,这使得它还能被用在其它活检被排除的诊断情况,例如被应用于预测早产。

Nature Communications杂志上发表的第二篇论文中,该研究小组描述了一种改进的光学相干断层扫描(OCT)探针,它使得研究人员在观察小器官(如肺的小分支)时可以获得比目前临床使用的类似技术高三到四倍的分辨率。

上述改进包括将探头的尺寸缩小到目前尺寸的一半左右。 Li说:“为了达到这个目标,我们需要使用颜色更广泛的光源,而其挑战是将所有这些颜色聚焦到一点,而不使图像看起来模糊。”

Li和其团队在光缆末端精确地形成一个由二氧化硅制成的小球,从而简化设计。 该小球被精确的研磨并涂金,以将光反射并聚焦到组织上。

Li和其团队发现,与标准的OCT仪器相比,该探针可以获得4到5倍更精确的动物小器官(如羊肺的深部分支和大鼠的静脉)的图像。

如果临床试验导致批准该仪器用于人类,新的探针将会减少心脏病和癌症诊断中对活检的依赖。这对于检查那些用现有的内窥镜探头难以接近而活检又有危险的器官(如胰脏等)尤其重要。