Hoe fotoakoestische beeldvorming bijdraagt aan het begrijpen van kankercellen en hun micro-omgeving

Fotoakoestische (PA) beeldvorming is een geavanceerde techniek die de unieke optische absorptie-eigenschappen van verschillende biomoleculen gebruikt om gedetailleerde beelden van tumoren te verkrijgen. Deze technologie heeft zich bewezen als een krachtige hulpmiddel in het onderzoeken van verschillende stadia van kanker en de interacties tussen tumoren en hun micro-omgeving, zoals het vasculaire systeem, lipiden, collageen en melanine. In dit hoofdstuk worden enkele van de recente vooruitgangen in PA-beeldvorming besproken, evenals de rol van contrastmiddelen en nanopartikels bij het verbeteren van de beeldkwaliteit en diagnostische mogelijkheden.

Collageen, vaak gezien als een passieve barrière in de tumoromgeving, speelt een actiever rol in de tumorgroei en -progressie dan aanvankelijk werd gedacht. PA-beeldvorming heeft zich bewezen als een waardevolle methode om collageen in tumoren zichtbaar te maken, vooral door de sterke optische absorptie-eigenschappen van collageen. In onderzoeken werd aangetoond dat de collageeninhoud in tumoren aanzienlijk lager is dan in normaal weefsel en dat verschillende typen kanker verschillende collageenlevels vertonen. Dit opent nieuwe mogelijkheden voor het gebruik van PA-beeldvorming om te begrijpen hoe collageen bijdraagt aan tumorgroei en hoe het mogelijk de effectiviteit van therapieën beïnvloedt.

Een ander belangrijk element in tumoren is melanine, een sterk absorberende endogene chromofoor, die bijzonder nuttig is in de beeldvorming van melanomen. PA-beeldvorming heeft aangetoond in staat te zijn om de diepte van melanomen te bepalen, en recent onderzoek heeft de mogelijkheid geïdentificeerd om melanoom hersenmetastasen te detecteren. De technologie maakt gebruik van de sterke absorptie-eigenschappen van melanine om tumoren te identificeren, zelfs in het brein, wat voorheen moeilijk was.

Nanodeeltjes, zowel organisch als anorganisch, hebben de afgelopen decennia enorme vooruitgang geboekt als contrastmiddelen in PA-beeldvorming. Metaaldeeltjes zoals zilver- en goudnanodeeltjes zijn bijzonder effectief vanwege hun biocompatibiliteit en de mogelijkheid om te worden functioneel gemaakt voor specifieke targeting van kankerweefsels. Deze deeltjes kunnen worden gebruikt om tumoren nauwkeurig te lokaliseren, maar kunnen ook therapeutische middelen vervoeren, waardoor ze multifunctionele contrastagenten vormen. De ontwikkeling van dergelijke nanodeeltjes is essentieel voor het verfijnen van PA-beeldvorming en het verbeteren van zowel de diagnostische als therapeutische mogelijkheden van deze technologie.

Wat belangrijk is om te begrijpen bij het gebruik van fotoakoestische beeldvorming in kankeronderzoek is dat de technologie zich nog in een ontwikkelingsfase bevindt en dat er voortdurend nieuwe technieken en contrastmiddelen worden ontwikkeld. Het combineren van PA-beeldvorming met nano-technologie en contrastmiddelen maakt het mogelijk om tumoren op veel diepere niveaus te begrijpen dan voorheen mogelijk was. Bovendien maakt het gebruik van PA-beeldvorming het mogelijk om real-time beelden te verkrijgen, wat waardevol is voor het volgen van de effectiviteit van behandelingen en het aanpassen van therapieën.

Wat zijn de mogelijkheden van fotoakoestische beeldvorming in botweefselherstel en hersenonderzoek?

Fotoakoestische beeldvorming (PAI) is een veelbelovende technologie die een diepgaande inkijk geeft in het functioneren van weefsels op moleculair niveau, vooral in zachte weefsels. In recente jaren is het gebruik van PAI echter verder geëvolueerd naar het beeldvormen van botweefsel, wat van groot belang is voor het begrijpen van verschillende medische aandoeningen en het verbeteren van behandelingsmethoden. Onderzoekers hebben PAI steeds meer toegepast op het herstel van botweefsel na letsels en het visualiseren van microstructuren in botten, inclusief de veranderingen die optreden bij botgenese en wondgenezing.

In de context van botweefselherstel na trauma, waaronder botdefecten veroorzaakt door bijvoorbeeld fracturen of osteoartritis, biedt PAI waardevolle inzichten. De beeldvormingstechniek maakt het mogelijk de vasculaire netwerken in en rond de botten nauwkeurig in beeld te brengen, wat cruciaal is voor het beoordelen van het genezingsproces. PAI maakt het niet alleen mogelijk om bloedvaten en zuurstofverdeling te monitoren, maar ook om de angiogenese en hypoxie in synoviaal weefsel te visualiseren. Dit is bijzonder nuttig voor het volgen van het herstel na botwonden of operaties.

In dit kader hebben verschillende studies aangetoond dat PAI kan worden gebruikt voor het visualiseren van de vasculaire netwerken in de vingers en gewrichten van mensen, en zelfs voor het in beeld brengen van ontstoken synovium bij patiënten met artritis. Zo gebruikten Es et al. PA-gebaseerde computertomografie (PACT) om gezonde menselijke vingers te onderzoeken, wat resulteerde in een hoge resolutie beeldvorming van bloedvaten in twee interfalangeale gewrichten. Ook werd de toepassing van PAI uitgebreid naar het monitoren van Staphylococcus aureus-geïnduceerde acute osteomyelitis bij muizen, wat de veelzijdigheid van de techniek in diagnostische toepassingen onderstreept.

Een ander belangrijk aspect van PAI is de mogelijkheid om de microstructuur van botweefsel in beeld te brengen. De botstructuur, die zowel corticaal als trabeculair bot omvat, kan via PAI in drie dimensies worden gevisualiseerd, wat essentieel is voor het begrijpen van de gezondheid van het bot en het plannen van chirurgische ingrepen. Schubert et al. toonden aan dat 3D-PAI nuttig kan zijn bij het onderscheiden van corticaal en trabeculair bot, wat belangrijk is voor de begeleiding van wervelfusies bij rugoperaties.

Daarnaast speelt PAI ook een rol in het begrijpen van de dynamiek van botvascularisatie tijdens het genezingsproces van botdefecten. Het gebruik van optische resolutie fotoakoestische microscopie (OR-PAM) heeft onderzoekers in staat gesteld om lange termijn, niet-gemerkte observaties te maken van de botvascularisatie in muizenmodellen. Dit biedt een waardevolle manier om botregeneratie te volgen zonder invasieve ingrepen.

De toepassing van PAI in de hersenonderzoeken heeft zich eveneens verder ontwikkeld. Transcraniële fotoakoestische beeldvorming maakt het mogelijk om de hersenen van een levend dier te visualiseren zonder dat de schedel moet worden geopend. Dit was aanvankelijk een uitdaging vanwege de botstructuur van de schedel, die het moeilijk maakt om duidelijke beelden van de hersenen te verkrijgen. Vroege experimenten werden uitgevoerd op dieren met een dunne schedel, zoals muizen, maar het is inmiddels mogelijk om de impact van de schedel op de akoestische signalen te berekenen en geavanceerde deconvolutie-algoritmen te gebruiken om driedimensionale beelden van de hersenen te verkrijgen.

Met behulp van PAI kunnen onderzoekers nu in real-time hersenstructuren bestuderen, inclusief bloedvaten en zuurstofverdeling in de hersenen, wat van groot belang is voor de diagnose en behandeling van neurologische aandoeningen zoals herseninfecties, tumoren en zelfs trauma. De verdere ontwikkeling van deze technologie biedt de mogelijkheid om niet alleen de hersenen beter in beeld te brengen, maar ook om hersenfuncties en -pathologieën te monitoren.

Hoe kan photoacoustische beeldvorming de beoordeling en analyse van botweefsel verbeteren?

Photoacoustische beeldvorming vertegenwoordigt een revolutionaire aanpak binnen de medische diagnostiek, vooral in de context van botweefselanalyse. Door de combinatie van optische en akoestische signalen maakt deze techniek het mogelijk om zowel structurele als functionele eigenschappen van botten te onderzoeken zonder invasieve procedures of blootstelling aan ioniserende straling. Onderzoek toont aan dat photoacoustische methoden, zoals spectrumanalyse en tijd-frequentie-analyse, diepgaande inzichten bieden in de microstructuur en fysisch-chemische samenstelling van botweefsel, waaronder het mineraal- en collageengehalte.

Een belangrijk voordeel van photoacoustische technieken is hun vermogen om vroege veranderingen in botmineralisatie te detecteren. Dit is cruciaal voor de preventie en monitoring van ziekten zoals osteoporose, waarbij het verlies van botmassa leidt tot verhoogde breekbaarheid. Door signalen te analyseren die voortkomen uit de interactie van licht met botcomponenten, kunnen onderzoekers en clinici nauwkeurig veranderingen in botkwaliteit vaststellen die met conventionele beeldvorming moeilijk te onderscheiden zijn.

Daarnaast maakt de integratie van photoacoustische beeldvorming met andere modaliteiten, zoals echografie, het mogelijk om zowel zachte weefsels als botstructuren gelijktijdig te visualiseren. Dit biedt een completer beeld van de botgezondheid, inclusief de status van het omliggende bindweefsel en vasculaire structuren. Innovaties zoals dual-wavelength systemen verbeteren de sensitiviteit en specificiteit verder, waardoor het mogelijk is om functionele biomarkers te identificeren en zelfs veranderingen in zuurstofsaturatie binnen het bot te meten, wat indicatief is voor genezingsprocessen.

Technische vooruitgang in computergestuurde beeldanalyse, waaronder deep learning netwerken, stelt onderzoekers in staat om photoacoustische data met hogere precisie te verwerken en interpreteren. Hierdoor kunnen anatomische details en fysiologische veranderingen in botten op microniveau worden onderzocht, wat de diagnostiek aanzienlijk verfijnt en gepersonaliseerde behandelingsstrategieën ondersteunt.

De toepassing van photoacoustische technologie reikt zelfs tot het in vivo monitoren van botregeneratie en het volgen van therapieën, zoals bij het gebruik van mesenchymale stamcellen voor botherstel. De combinatie van hoge resolutie en functionele imaging biedt zo een uniek hulpmiddel om genezingsprocessen te evalueren en te optimaliseren. Verder zijn er ontwikkelingen gaande om de techniek draagbaar en kostenefficiënt te maken, wat de klinische implementatie vergemakkelijkt.

Het is van belang om te beseffen dat hoewel photoacoustische technieken veelbelovend zijn, hun effectiviteit sterk afhankelijk is van factoren zoals optische transmissiviteit van het bot en de technische parameters van de gebruikte systemen. Verder onderzoek en klinis

Hoe fotoakoestische beeldvorming (PAI) diepgaande visuele informatie biedt in de biomedische wetenschap

Fotoakoestische beeldvorming (PAI), ook wel optoakoestische beeldvorming (OAI) genoemd, heeft zich in de afgelopen twee decennia gepositioneerd als een van de meest veelbelovende technieken in de biomedische preklinische en klinische beeldvorming. Door de combinatie van optische verlichting en ultrasone detectie, biedt PAI voordelen die andere optische technieken niet kunnen evenaren, vooral op het gebied van diepte en resolutie. Het proces begint met een gepulseerde laser die een biologisch monster verlicht. Het monster absorbeert de optische energie die door de laser wordt uitgezonden en zet deze om in warmte, wat een lokale temperatuurstijging veroorzaakt. Dit resulteert in een thermo-elastische expansie die ultrasone golven genereert. Deze golven kunnen vervolgens worden gedetecteerd met behulp van piezo-elektrische transducers of optische interferometers.

Wat PAI bijzonder maakt, is dat het gebruik maakt van ultrasone golven die veel minder verstrooiing en attenuatie ondergaan in biologisch weefsel dan optische golven. Hierdoor kunnen diepere structuren in het weefsel worden geïmageerd zonder de scherpte van de afbeelding op te offeren. Dit maakt PAI uiterst geschikt voor het visualiseren van interne structuren die verder liggen dan de penetratielimieten van conventionele optische technieken zoals confocale microscopie of optische coherentie tomografie (OCT).

Het vermogen om diepere structuren te visualiseren wordt verder versterkt door het feit dat PAI in staat is om biomaterialen te targeten die van nature een hoge optische absorptie hebben, zoals hemoglobine, melanine, lipiden en water. Door de specifieke golflengte van de laser die wordt gebruikt, kan het systeem afgestemd worden op de absorptie-eigenschappen van deze chromoforen, wat betekent dat verschillende fysiologische gegevens op een niet-invasieve manier kunnen worden verzameld.

PAI kan verder worden verdeeld in twee categorieën: fotoakoestische computertomografie (PACT) en fotoakoestische microscopie (PAM). PACT maakt gebruik van een breed optisch verlichtingsveld en parallelle akoestische detectie, wat resulteert in diepe penetratie (tot enkele centimeters) en een redelijke laterale resolutie. PAM, daarentegen, heeft een hoge ruimtelijke resolutie, maar beperkt zich tot oppervlakkige structuren (minder dan een millimeter diepte). Dit maakt PAM ideaal voor het verkrijgen van gedetailleerde beelden van oppervlakkige weefsels, zoals bloedvaten of tumoren dicht bij de huid.

PAI werkt niet alleen met een hoge resolutie, maar is ook in staat om anatomische, functionele, moleculaire, stromingsdynamische en metabolische contrasten in vivo vast te leggen. Dit maakt het tot een krachtig diagnostisch hulpmiddel dat een breed scala aan biomedische toepassingen heeft. Het gebruik van PAI voor moleculaire beeldvorming is bijvoorbeeld bijzonder waardevol in de oncologie, waar het kan helpen bij het volgen van tumorgroei of het monitoren van de respons op therapieën.

Het is belangrijk om te begrijpen dat fotoakoestische beeldvorming, hoewel krachtig, ook zijn beperkingen kent. Een van de grootste uitdagingen is de diepte van penetratie. Ondanks de superioriteit van PAI ten opzichte van andere optische technieken, is de penetratie die mogelijk is met PAI nog steeds beperkt. Dit kan worden overwonnen door het gebruik van langere golflengtes van licht, maar dit komt ten koste van de resolutie. Evenzo is de beeldscherpte van PAM beperkt door de grootte van de optische focusspot, wat betekent dat er een afweging is tussen resolutie en penetratie, afhankelijk van de specifieke toepassing.

Bij het gebruik van PAI in klinische settings moet men ook rekening houden met veiligheidsnormen voor blootstelling aan optische energie. De intensiteit van het optische licht dat wordt gebruikt, moet binnen de veilige grenzen blijven, zoals gedefinieerd door de Amerikaanse Nationale Normen voor het Veilige Gebruik van Lasers. Dit zorgt ervoor dat de patiënt geen schadelijke effecten ondervindt van de laserstralen, vooral bij langdurige blootstelling.

Ten slotte zijn er aanzienlijke technologische uitdagingen die nog overwonnen moeten worden om de snelheid en nauwkeurigheid van PAI-systemen te verbeteren. Terwijl conventionele scantechnieken al behoorlijk geavanceerd zijn, is er voortdurende vooruitgang in het verbeteren van de snelheid van beeldverwerking en de algehele beeldkwaliteit. Nieuwe technologieën, zoals de toepassing van galvaniemeermirrors en micro-elektromechanische systemen, beloven de prestaties van PAI-systemen verder te verbeteren.

De toepassingen van fotoakoestische beeldvorming blijven zich uitbreiden, en de vooruitgang in de technologie maakt het mogelijk om steeds meer gedetailleerde en diepgaande beelden van het menselijk lichaam te verkrijgen. Deze techniek heeft de potentie om de diagnostische mogelijkheden te revolutioneren, vooral op het gebied van vroegtijdige detectie van ziekten, het volgen van ziektemodellen en het monitoren van therapeutische effecten.

Hoe fotoakoestische gidssterren lichtfocusing verbeteren in biologische weefsels?

Om deze uitdaging te overwinnen, hebben verschillende onderzoeksgroepen alternatieve signalen onderzocht die als gidssterren kunnen dienen. Deze signalen zijn nauw verbonden met de lokale lichtintensiteit en kunnen non-invasief gemeten worden, wat lichtfocusing binnen biologische weefsels mogelijk maakt. Voorbeelden van dergelijke signalen zijn fluoresentie, twee-fotonen, akoestische-optiek, fotoakoestiek en bewegende deeltjes. Fluorescentie- en twee-fotonen-gidssterren vereisen bijvoorbeeld specifieke kleurstoffen (fluoroforen), terwijl de akoestische-optische gidsster flexibeler is, omdat de locatie en grootte van de optische focus bepaald worden door de locatie en grootte van de akoestische focus.

Onder deze signalen heeft de fotoakoestische gidsster bijzondere belangstelling gewekt. In tegenstelling tot optische signalen, die gemakkelijk kunnen worden verstoord door de biologische omgeving, maakt de fotoakoestische gidsster gebruik van sterk absorberend weefsel dat de excitatielicht omzet in akoestische signalen die extern gemeten kunnen worden. Dit heeft als voordeel dat de diepte van penetratie in biologische weefsels kan worden vergroot, terwijl tegelijkertijd de signaal-ruisverhouding van de fotoakoestische beelden wordt verbeterd.

Het gebruik van fotoakoestische gidssterren biedt voordelen ten opzichte van andere optische gidssterren. De set-up voor fotoakoestische wavefrontvormen is relatief eenvoudig, omdat de intrinsieke absorbeermoleculen in biologisch weefsel, zoals DNA, RNA, water, lipiden en hemoglobine, fungeren als natuurlijke absorbers. Dit elimineert de noodzaak van exogene contrastmiddelen die vereist zijn voor fluorescentie-gebaseerde methoden. Bovendien verbetert de verhoogde lokale lichtfluëntie de fotoakoestische amplitude, wat direct de signaal-ruisverhouding van de fotoakoestische beelden verbetert.

De fotoakoestische amplitudeverbetering is sterk afhankelijk van de lichtintensiteit die wordt bereikt door golffrontvorming. Dit wordt bepaald door de golffrontmodulatiestrategie en het aantal te beïnvloeden invoermodi. Het resultaat is een verbetering van de fotoakoestische amplitude, die wordt beïnvloed door het aantal individuele uitvoermodi binnen het focusgebied. Bij golffrontvorming met bijvoorbeeld een Digital Micromirror Device (DMD) kan de amplitudeverbetering van de fotoakoestische signalen worden uitgedrukt als een lineaire relatie met het aantal uitvoermodi in het focusgebied.

Kong et al. demonstreerden in 2010 het gebruik van fotoakoestisch-gelieerde lichtconvergentie door een optisch diffuser met behulp van een deformeerbare spiegel. Dit vereiste slechts enkele iteraties om de optimale golffrontmodulatie te bereiken en het licht naar het akoestische focus te leiden. Door dergelijke technieken toe te passen, kunnen lichtbundels worden gefocust op specifieke absorberende gebieden in weefsels, zoals kleine deeltjes van grafiet of andere absorbeerders, wat bijdraagt aan verbeterde beeldvorming van biologische structuren.

Wat verder essentieel is voor het succes van dergelijke technieken is het gebruik van modulatoren zoals de deformeerbare spiegels, liquid crystal spatial light modulators (LC-SLM's) en DMD's, die allemaal verschillende voordelen bieden voor het moduleren van het incident licht. Bij golffrontvorming via fotoakoestische gidssterren kan de focus van het licht eenvoudig worden aangepast door de transducer te verschuiven, wat zorgt voor gerichte lichtfocusing naar verschillende locaties in fotoakoestische beelden. Dit opent de weg voor gedetailleerde en precieze in-vivo beeldvorming zonder invasieve procedures.

Naast de standaard fotoakoestische signalen zijn er geavanceerdere methoden, zoals sub-akoestische lichtfocusing en fluctuerende fotoakoestische feedback, die nog verdere verfijning van de beeldvorming mogelijk maken. Door iteratief de golffront te optimaliseren, kan licht gericht worden op sub-akoestische resoluties, wat verdere verbeteringen oplevert in de scherpte en het contrast van de beelden.

Er is een belangrijke nuance die bij dergelijke toepassingen niet over het hoofd mag worden gezien: hoewel fotoakoestische gidssterren krachtige mogelijkheden bieden voor het verbeteren van beeldvorming, zijn ze niet zonder beperkingen. De effectiviteit van deze techniek hangt sterk af van de optische eigenschappen van het weefsel en de configuratie van de gebruikte apparatuur. Verder is het succes van wavefrontmodulatie ook afhankelijk van het dynamische bereik van de detectiesystemen en de nauwkeurigheid waarmee de feedback wordt verzameld en verwerkt.