Ein neues mikroskopisches Bildgebungsverfahren ermöglicht die Aufnahme von hochauflösenden und dreidimensionalen Bildern

Bildgebungstechnologien sind der Schlüssel zur modernen Medizin und Diagnose in einem frühen Stadium und können die Behandlungsergebnisse für Patienten verbessern. Die mikroskopische Bildgebung ermöglicht es Forschern und Fachleuten, direkt in Zellen zu blicken und so Strukturen und Prozesse sichtbar zu machen, die einst unsichtbar waren. Eine wichtige Einschränkung der aktuellen Technologie besteht jedoch darin, dass die mikroskopische Bildgebung in hoher Auflösung auf zweidimensionale (2D) Bilder beschränkt ist, die in Mikroskop-Objektträgern erhalten werden, während Gewebestrukturen dreidimensional (3D) sind. Seit Jahrzehnten suchen Wissenschaftler nach einer Möglichkeit, diese Herausforderung anzugehen und 3D-Mikroskopbilder zu erhalten.

Ein Artikel veröffentlicht in Naturphotonik Co-Autor von Majid Pahlevani (Elektro- und Computertechnik) und Mitarbeitern an der Harvard University beschreibt eine neue Technik, die hochmoderne Mikroskope verbessern kann, indem sie eine höhere Bildauflösung ermöglicht und gleichzeitig mikroskopische 3D-Bildgebung ermöglicht.

Eine der größten Herausforderungen bei der Bildgebung im mikroskopischen Maßstab ist die Bewältigung der Beugung – der schnellen Ausbreitung von eng gebündeltem Licht – da dieses Phänomen die Erzielung hochauflösender Bilder behindert. In der Studie zeigen die Forscher, dass eine bestimmte Anordnung von Licht und ein Pfad, der durch eine ultradünne optische Komponente erzeugt wird, die aus einer Anordnung von Nanosäulen auf einer Glasoberfläche besteht (siehe Abbildungen A und B), die Beschränkungen durchbrechen kann, die sonst durch Beugung auferlegt werden. löst damit das Problem. Eine optische Linse mit dieser Anordnung könnte in die nächste Generation mikroskopischer Abbildungsgeräte eingebaut werden.

„Diese Methode mit dem Namen Bijective Illumination Collection Imaging (BICI) kann den Bereich der hochauflösenden Bildgebung im Vergleich zu den hochmodernen Bildgebungstechniken um mehr als das 12-fache erweitern“, sagt Pahlevani, ein Experte für Energie und Leistung Elektronik und ihre Anwendungen im Gesundheitswesen. Er ist Mitglied des Queen’s Center for Energy and Power Electronics Research (ePOWER). „Im Gegensatz zu herkömmlichen Bildgebungsverfahren werden bei BICI das Licht, das das Ziel beleuchtet, und das vom Ziel gesammelte Licht mithilfe der Nanostrukturen entlang der Tiefe verteilt, wodurch es möglich wird, eine hochauflösende Bildgebung über eine große Tiefe im Gewebe zu erhalten.“

Mikroskopische Bildgebung in drei Dimensionen ermöglicht zahlreiche biologische und klinische Anwendungen, wie z. B. die Bereitstellung von Einblicken in die interzellulären Mechanismen und die Ermöglichung der Erkennung von Krebszellen und der Echtzeitdiagnose in vivo (im Körper).

Ein weiterer entscheidender Vorteil der neuen Methode ist die schnelle Verarbeitung. „Rechenintensive Techniken führen zu einer langsamen Bildgebung, die für die In-vivo-Bildgebung nicht geeignet ist“, erklärt Dr. Pahlevani. „Organe in lebenden Patienten sind nicht stationär und bewegen sich, was zu Artefakten in der Bildgebung führt. Daher erfordert die In-vivo-Bildgebung schnelle Techniken.“ Da die neue vorgeschlagene Technik eine optische Lösung zur Erhöhung der mikroskopischen Bildauflösung ist, erfordert sie keine zusätzliche Rechenkapazität.

Die Naturphotonik hebt Krebsdiagnosen als eine der Hauptanwendungen für das neue Verfahren hervor: „Pathologische Veränderungen in den frühen Stadien von Krankheiten wie Krebs sind oft sehr subtil und können leicht übersehen werden Potenzial, eine frühzeitige und genaue Erkennung und Diagnose zu ermöglichen.“ Dr. Pahlevani ist zuversichtlich, dass BICI auf mehrere bestehende Bildgebungsverfahren angewendet werden kann.