Die Zwei-Photonen-Mikroskopie (2PM) spielt eine zuverlässig effiziente Rolle bei der nichtinvasiven Bildgebung von Tiefengewebe in biomedizinischen Untersuchungen. Seit der Erfindung des Zwei-Photonen-Mikroskops Ende des 20. Jahrhunderts gab es einen stetigen Fluss verwandter Forschung, die 2PM voranbrachte – von Fluorophoren zu bildgebenden Verfahren und Anwendungen – in den Bereichen Biochemie und Medizin.
Die Abbildung tieferer Gewebe war eine große Herausforderung in der Zwei-Photonen-Bildgebung. Laserquellen können diese Herausforderung potenziell angehen. Der herkömmliche modengekoppelte Ti:Saphir-Laser für die Zwei-Photonen-Bildgebung ist jedoch durch seine hohe Wiederholfrequenz begrenzt und kann nicht die hohe Impulsenergie liefern, die für die Bildgebung von tiefem Gewebe bei niedriger Belichtungsleistung erforderlich ist. Der Faserlaser überwindet die hohe Wiederholungsrate bequem, indem er einige Dutzend Meter Fasern in den Hohlraum einfügt, aber in einigen Fällen leidet er unter niedrigen Verstärkungen und einem niedrigen Signal-Rausch-Verhältnis (SNR).
Kürzlich, wie in berichtet Advanced Photonics Nexushaben Forscher der Omega Group von Kenneth Wong an der University of Hong Kong (HKU) einen Hochleistungslaser als neuartige Lichtquelle für die Multiphotonenmikroskopie entwickelt. Sie berichteten über einen 937-nm-Laser, dessen Frequenz gegenüber einem modengekoppelten Laser mit Vollfaser bei 1,8 μm verdoppelt wurde, mit einer niedrigen Wiederholungsrate von ~9 MHz und einem hohen SNR von 74 dB.
Die neuartige 937-nm-Laserquelle beruht auf Selbstphasenmodulation in der Singlemode-Faser, um gleichzeitig die 1,8-μm-Leistung zu verstärken und die Impulsbreite zu komprimieren. Das 937-nm-Laserdesign eignet sich für die hochempfindliche Tiefengewebe-Bildgebung mehrerer fluoreszierender Proteine. Die Laserlichtquelle liefert Zwei-Photonen-Anregungen an mehreren biologischen Gewebearten. Die mit einem Mausgehirn demonstrierte Eindringtiefe erreichte 620 μm, was die Fähigkeit dieser Technik zur Bildgebung von tiefem Gewebe zeigt. Die Forscher führten auch eine Bildgebung der zweiten harmonischen Generation (SHG) durch, demonstrierten eine markierungsfreie Bildgebung und validierten zunächst das Potenzial dieser Lichtquelle für multimodale Bildgebungsanwendungen.
Dank der niedrigen Wiederholfrequenz und des hohen Signal-Rausch-Verhältnisses benötigt die Lichtquelle nur 10 mW Leistung, um Gewebe in Tiefen von über 600 µm abzubilden, deutlich weniger als der 40-MHz-Faserlaser, der ungefähr 200 mW benötigt Kraft in ähnlicher Tiefe. Dies reduziert das Ausbleichen durch Licht und Lichtschäden bei der Bildgebung erheblich, verbessert die Tiefe der Gewebebildgebung und die Sicherheit bei der Live-Bildgebung (in vivo).
Diese Arbeit wird tiefere Einblicke in die Bildgebung von tiefem Gewebe für Forschung und biomedizinische Anwendungen ermöglichen. Postdoktorand an der HKU und korrespondierender Autor Tian Qiao bemerkt, dass „diese neuartige 937-nm-Laserquelle mit hohem SNR ein gutes Gleichgewicht zwischen Empfindlichkeit, Eindringtiefe und Abbildungsgeschwindigkeit für die Zwei-Photonen-Bildgebung erreicht sein aufregendes Potenzial für biologische Untersuchungen, wie z. B. in vivo-Tiefengewebe-Bildgebung und Multimode-Bildgebung.“
Hongsen He et al, Tiefgewebe-Zwei-Photonen-Mikroskopie mit einem frequenzverdoppelten modengekoppelten Vollfaserlaser bei 937 nm, Advanced Photonics Nexus (2022). DOI: 10.1117/1.APN.1.2.026001