Come la Tomografia Fotoacustica e Ultrasuoni Stanno Cambiando l’Imaging Molecolare e la Diagnosi Clinica

L’imaging fotoacustico (PA) combinato con l’ecografia (US) sta diventando una tecnica di fondamentale importanza nella medicina moderna, soprattutto nel campo della diagnostica molecolare e del monitoraggio di malattie. Questo approccio innovativo permette di rilevare e visualizzare in tempo reale fenomeni biologici complessi, come la presenza di specie reattive di ossigeno e azoto (RONS), l’attività cellulare e la risposta a trattamenti terapeutici.

La bassa energia di uscita dei LED, sebbene inferiore a quella dei tradizionali laser Nd:YAG, offre un vantaggio rispetto a questi ultimi, poiché non rischia di scolorire i coloranti usati per l’imaging, rendendo questa tecnologia particolarmente utile per applicazioni cliniche. Questo approccio potrebbe accelerare la traduzione clinica dell’imaging PA, specialmente per il monitoraggio dei RONS in casi come il trattamento dei cheloidi o lo studio della tossicità farmacologica.

Un’altra area di grande interesse è l’imaging delle cellule molecolarmente etichettate. Studi precedenti hanno utilizzato la tecnologia PA per l’imaging delle cellule staminali, con un focus particolare sullo studio delle cellule staminali mesenchimali umane (HMSC). L’uso di coloranti come DiR, che forniscono un segnale PA robusto, ha permesso di ottenere immagini dettagliate dell’iniezione delle cellule etichettate in vivo. I risultati hanno mostrato un aumento dell’intensità del segnale PA in presenza di HMSC etichettate con DiR, dimostrando il potenziale dell’imaging PA basato su LED per studi cellulari e terapeutici.

In ambito clinico, l’imaging PA/US sta aprendo nuove possibilità per visualizzare simultaneamente vasi linfatici e vene in tempo reale. Un esempio significativo è stato il lavoro di Kuniyil Ajith Singh e colleghi, che hanno utilizzato array LED a doppia lunghezza d'onda per distinguere tra vasi linfatici e vene in volontari umani, sfruttando l’ICG come agente di contrasto. Questa capacità di differenziare i due tipi di vasi potrebbe essere fondamentale per interventi chirurgici come l’anastomosi linfatico-venosa, dove la distinzione precisa tra sangue venoso e vasi linfatici è cruciale.

Inoltre, la tomografia 3D fotoacustica combinata con l’ecografia sta risolvendo uno dei principali limiti delle tecniche di imaging bidimensionale, ossia la mancanza di vista completa che può portare alla perdita di informazioni importanti. Recenti studi, come quello di Joseph et al., hanno dimostrato che è possibile ottenere immagini tomografiche di alta qualità delle articolazioni delle dita umane, superando le limitazioni della visualizzazione in 2D grazie a una scansione a più angolazioni. Questo approccio potrebbe portare a nuove tecnologie per applicazioni cliniche a basso costo e portatili, rendendo possibile un monitoraggio preciso dei pazienti direttamente nei punti di cura.

Le potenzialità di questa tecnologia sono enormi. Le innovazioni nel campo della tomografia PA/US multispettrale e nelle nuove tecniche per l’imaging dei vasi periferici, delle articolazioni e dei tessuti profondi, stanno accelerando il progresso verso l’adozione clinica di queste tecniche avanzate. Le applicazioni terapeutiche e diagnostiche includono non solo il monitoraggio dei tumori e delle infiammazioni, ma anche lo studio delle patologie cardiovascolari e la gestione di malattie come il linfedema.

Come la combinazione delle tecniche di fotoacustica e modellazione dell'onda ottica può rivoluzionare la ricerca biomedica

La propagazione della luce attraverso i tessuti biologici è un fenomeno complesso che dipende da vari fattori ottici, tra cui la diffusione causata dalla distribuzione eterogenea dell'indice di rifrazione. Questo fenomeno determina una distorsione del fronte d'onda incidente, trasformandolo in uno schema di macchie apparentemente casuali. La capacità di correggere queste distorsioni e concentrare la luce in punti specifici è fondamentale in numerose applicazioni biomediche, in particolare per l'ottica e l'imaging a livello microscopico.

Nel contesto delle tecniche di modellazione dell'onda ottica, i fotoni che attraversano tessuti biologici seguono traiettorie diverse, con lunghezze di percorso ottico variabili a causa della diffusione ottica. Questo comporta che l'onda luminosa incidente si trasformi in una sorta di "rumore" interferenziale, che rende difficile focalizzare la luce in modo preciso. Il processo di modellazione dell'onda ottica permette di compensare queste distorsioni, consentendo la focalizzazione attraverso diversi canali ottici grazie alla modulazione delle fasi della luce incidente. Un approccio fondamentale in questo campo è l'utilizzo di modulatori spaziali di luce (SLM), come quelli a cristallo liquido (LC-SLM), i dispositivi a microspecchi digitali (DMD) e i sistemi microeletromeccanici (MEMS), che permettono di correggere in tempo reale le fasi distorte della luce.

Un altro approccio molto utile è la fase coniugata digitale ottica (DOPC), che consente di ottenere una misurazione ultra-veloce delle costanti di trasmissione. La DOPC si basa sul principio che il trasporto della luce attraverso un mezzo disordinato è reversibile. In questo modo, dopo aver registrato l'onda luminosa che attraversa il mezzo, è possibile ricostruire il fronte d'onda inverso e rifocalizzare la luce utilizzando un modulatori spaziale. La caratteristica di "scatto singolo" della DOPC permette di implementare la focalizzazione della luce in modo estremamente rapido, rispetto ad altri metodi che richiedono iterazioni multiple.

Oltre alla modulazione della fase, esistono anche alternative che utilizzano modulatori di fase binaria o di ampiezza binaria, ma queste soluzioni comportano prestazioni inferiori rispetto alla modulazione completa di fase. I metodi a fase completa offrono il massimo potenziale di concentrazione luminosa, grazie alla loro capacità di interferire costruttivamente tra i vari canali di trasmissione ottica.

Questi progressi non solo migliorano la qualità dell'imaging e della focalizzazione in ambienti disordinati, ma hanno anche un impatto significativo nella ricerca biomedica. La combinazione di fotoacustica e modellazione dell'onda ottica, in particolare, rappresenta una nuova frontiera per la diagnostica e la chirurgia a livello microscopico. La possibilità di focalizzare con precisione la luce attraverso i tessuti offre opportunità uniche per l'osservazione in vivo, la manipolazione cellulare e l'imaging ad alta risoluzione, spingendo i limiti delle tecnologie ottiche tradizionali.

In futuro, l'integrazione di queste tecniche potrebbe rivoluzionare non solo le applicazioni di imaging biologico, ma anche quelle terapeutiche. Ad esempio, la focalizzazione precisa della luce potrebbe essere impiegata per trattamenti mirati a livello cellulare o per l'attivazione di sensori ottici nelle tecnologie di diagnosi precoce. Sarà fondamentale esplorare ulteriormente le potenzialità di queste tecniche e perfezionare gli algoritmi per migliorare l'efficienza e la rapidità di implementazione in contesti clinici.