Die diagnostische Bildgebung bietet Ärzten und Wissenschaftlern kritische visuelle Darstellungen der inneren Körperstrukturen, was die klinische Analyse und medizinische Intervention erheblich verbessert. Forscher beschreiten weiterhin neue Wege, wie verschiedene Bildgebungstechnologien zu einem besseren Verständnis der menschlichen Gesundheit beitragen können.
Jitao Zhang, Assistenzprofessor für Biomedizintechnik (BME) an der Wayne State University und wissenschaftliches Mitglied des Molecular Imaging Program des Karmanos Cancer Institute, ist ein preisgekrönter Forscher, der drei Patente auf eine neuartige Bildgebungstechnik namens Brillouin-Mikroskopie besitzt, die Zellen kartieren kann und Gewebesteifigkeit, die oft mit frühen Anzeichen von Krankheiten wie Krebs und Alzheimer verbunden ist.
Im Gegensatz zu herkömmlichen bildgebenden Verfahren wie der konfokalen Fluoreszenzmikroskopie kann die Brillouin-Mikroskopie die mechanischen Informationen (z. B. Steifigkeit und Viskosität) biologischer Proben berührungslos und markierungsfrei erfassen.
Die Arbeit seines Labors zur Verbesserung dieser Methode, die viele wichtige Fragen in der Biophysik und Mechanobiologie beantworten kann, wurde in The Guardian vorgestellt, nachdem sie von Kollegen in der wissenschaftlichen Gemeinschaft als eine der 10 größten Wissenschaftsgeschichten des Jahres 2022 bezeichnet wurde.
Zhang und seine Mitarbeiter von der University of Maryland – wo Zhang sechs Jahre im Department of Bioengineering verbracht hat, bevor er 2021 zur Wayne State kam – und den National Institutes of Health (NIH) haben kürzlich einen Forschungsartikel in veröffentlicht Naturmethoden die Untersuchung der Verwendung von Dual-Line-Scanning-Brillouin-Mikroskopie (dLSBM), um die Erfassungsgeschwindigkeit zu verbessern und die Bestrahlungsdosen zu reduzieren, zwei Haupteinschränkungsfaktoren für die weit verbreitete Verwendung dieser Technik in der Biomedizin.
„Bestehende konfokale Brillouin-Mikroskopie ist ziemlich langsam; es dauert einige Minuten, um ein mechanisches Bild einer einzelnen Zelle aufzunehmen“, sagte Zhang. „Wenn wir größere Proben wie Tumorzellhaufen oder Embryonen im Frühstadium abbilden, müssen wir eine Stunde oder länger warten, um ein Bild zu erhalten.“
Unter Verwendung von dLSBM berichtete Zhangs Team von 50- bis 100-mal höheren Geschwindigkeiten als sein Gegenstück, während es die Lichteinstrahlung um das 80-fache für die mechanische 2D- und 3D-Kartierung reduzierte.
„Mit dieser Innovation können wir in wenigen Minuten ein mechanisches Bild von Zellhaufen aufnehmen“, sagte er. „Diese verbesserte Erfassungsgeschwindigkeit ist wichtig, weil sie es uns ermöglicht, Details des Zellverhaltens nahezu in Echtzeit zu untersuchen.“
Die Brillouin-Mikroskopie ist eine optische Bildgebungsmethode, die auf der sogenannten Brillouin-Lichtstreuung (BLS) basiert, die erstmals 1922 vom französischen Physiker Léon Brillouin beschrieben wurde. BLS tritt auf, wenn Licht mit einer Substanz interagiert und thermische Schwankungen oder Vibrationen von Molekülen im Material dazu führen, dass das Licht gestreut wird. Vibrationen können durch bestimmte Faktoren beeinflusst werden, darunter Hitze, Kompression, Wassergehalt oder Materialsteifigkeit. Letztere dieser Eigenschaften ist für die Anwendung der Brillouin-Mikroskopie als diagnostisches Werkzeug am wertvollsten.
Das Fortschreiten von Krankheiten, wie z. B. Krebsmetastasen, ist oft mit Veränderungen der Zellsteifigkeit verbunden, aber dies ist schwer zu messen, da die Zellen klein sind und in sehr weichem Gewebe leben. Herkömmliche Techniken messen präparierte Zellen auf einer Petrischale oder einem anderen harten Substrat. Ein Brillouin-Mikroskop verwendet nur einen Laserstrahl, um die mechanischen Eigenschaften zu untersuchen, sodass die Messung durchgeführt werden kann, wenn sich die Zellen in ihrem physiologischen Zustand befinden.
Da kein physischer Kontakt erforderlich ist, ist die Brillouin-Technologie viel weniger invasiv und bequemer. Eine weitere Anwendung, für die diese Eigenschaften wichtig sind, ist das bessere Verständnis der embryonalen Gewebeentwicklung, insbesondere in Bezug auf Geburtskrankheiten und -störungen.
„Aufgrund der 3D-Struktur eines Embryos stoßen traditionelle kontaktbasierte Techniken auf große Herausforderungen für die In-vivo-Messung“, sagte Zhang. „Da die Brillouin-Mikroskopie berührungslos arbeitet, ist sie manchmal die einzige verfügbare Wahl.“
Zhang arbeitet mit Biologen und Ärzten in Karmanos und anderen Institutionen zusammen, um biomedizinische Fragen mit technologischen Innovationen anzugehen. Zhang merkte jedoch an, dass sich „die Brillouin-Technologie noch in einem frühen Stadium befindet und nur über eine begrenzte Bildgebungstiefe verfügt. Unser Labor wird weiter daran arbeiten, sie für breitere biomedizinische Bereiche zugänglicher zu machen.“
Die Interaktion zwischen Ingenieuren und Mitgliedern der medizinischen Gemeinschaft ist besonders wichtig in der Diagnosephase der Gesundheitsversorgung. Zhang und andere Wayne State BME-Forscher lenken die biomedizinische Forschung und das Gesundheitswesen auf ein Niveau beispiellosen Fortschritts.
Mehr Informationen:
Jitao Zhang et al., Schnelle biomechanische Bildgebung bei niedriger Bestrahlungsstärke durch Dual-Line-Scanning-Brillouin-Mikroskopie, Naturmethoden (2023). DOI: 10.1038/s41592-023-01816-z