Jak połączenie technologii optoakustycznej i ultrasonografii otwiera nowe możliwości w diagnostyce medycznej?

Technologie hybrydowe, łączące różne metody obrazowania, stają się nieocenionym narzędziem w diagnostyce medycznej, umożliwiając bardziej precyzyjne i kompleksowe analizy. Jednym z takich przełomowych połączeń jest integracja optoakustycznego obrazowania (OA) z tradycyjnym ultrasonografem (US), co pozwala uzyskać obrazowanie z wyższą rozdzielczością i kontrastem, obejmującym różne aspekty biologicznych tkanek. Taki system, znany jako system TROPUS (Transmission Reflection Optoacoustic Ultrasound), jest szczególnie przydatny w obrazowaniu w trybie hybrydowym, umożliwiającym analizę sygnałów zarówno w trybie odbicia, jak i transmisji.

Główną zaletą połączenia OA i US jest możliwość uzyskania jednoczesnych map różnorodnych parametrów, takich jak saturacja tlenu (SoS) czy tłumienie akustyczne (AA), które dostarczają szczegółowych informacji o stanie tkanek w obrębie badanych narządów. Technika ta została skutecznie zastosowana do badań nad nowotworami ssaków, w tym guzami sutka, a także w diagnostyce chorób wątroby. Wykorzystanie światła o dużej mocy w celu generowania sygnałów US bez potrzeby dodatkowych systemów nadawczo-odbiorczych pozwoliło na dalsze uproszczenie konstrukcji systemu, co pozytywnie wpłynęło na jego aplikacje kliniczne.

Inne obszary zastosowania hybrydowego obrazowania OA-US obejmują wykrywanie węzłów chłonnych w nowotworach, takich jak rak piersi, poprzez wykorzystanie różnic w kontrastach uzyskanych za pomocą metod OA i US. W trybie US, węzły chłonne były rozpoznawane głównie na podstawie ich strukturalnych cech, podczas gdy obrazowanie OA pozwalało na identyfikację wstrzykniętego barwnika (np. błękitu metylenowego), co miało kluczowe znaczenie w procesie oceny zaawansowania nowotworu i planowania leczenia.

Również w chorobach zapalnych, takich jak zapalenie stawów, technika ta pozwala na ocenę poziomu nasycenia tkanek tlenem, co jest istotnym wskaźnikiem aktywności procesu zapalnego. W tym kontekście obrazowanie hybrydowe okazało się skuteczne w różnicowaniu stanów zapalnych w remisji i w aktywnej fazie choroby, na przykład w przypadku choroby Crohna. Zastosowanie map hemoglobiny całkowitej (HbT) w takich badaniach, nakładając je na obrazy US, pozwala na uzyskanie dokładnych informacji na temat stanu zapalnego w obrębie jelit.

Systemy hybrydowe OA-US wykorzystywane są również w mikrobiologii, gdzie obrazowanie mikroskopowe łączy się z technologią US w celu uzyskania lepszej rozdzielczości obrazów. Wykorzystanie skanowania akustycznego w trybie mikroskopowym pozwala na usunięcie artefaktów wielokrotnego odbicia, co poprawia jakość obrazów optoakustycznych. Takie podejście znajduje szerokie zastosowanie w badaniach nad angiogenezą, melanomami czy morfogenezą kości czaszki, a także w analizach funkcji mózgu.

Nie sposób pominąć również wciąż rozwijających się technik łączących optoakustykę z obrazowaniem fluorescencyjnym (FL), które zyskuje popularność w badaniach biologicznych dzięki swojej wysokiej czułości i specyficzności. Zintegrowanie tych technologii pozwala na uzyskanie obrazu o wysokiej rozdzielczości w głębokich warstwach tkanek, gdzie światło w tradycyjnym obrazowaniu fluorescencyjnym nie jest w stanie penetrować. Połączenie zalet OA, które ma zdolność penetracji głębokich tkanek, z wysoką molekularną czułością obrazowania FL, stwarza nowe możliwości w obrazowaniu procesów biologicznych na poziomie molekularnym.

W kontekście zastosowań klinicznych, szczególnie w diagnostyce nowotworów, technika hybrydowego obrazowania może stanowić cenne narzędzie w precyzyjnym wykrywaniu zmian nowotworowych, ocenie ich charakterystyki, a także monitorowaniu skuteczności leczenia. Z perspektywy przyszłości, kombinacja optoakustycznych i fluorescencyjnych metod obrazowania może zrewolucjonizować podejście do wczesnej diagnostyki, umożliwiając jeszcze dokładniejszą identyfikację chorób w ich początkowych stadiach.

Jakie są możliwości obrazowania fotoakustycznego w badaniach przedklinicznych raka?

Światło lasera jest pochłaniane przez specyficzne cząsteczki, znane jako chromofory. Chromofory te mogą być zarówno naturalnie występujące, jak hemoglobina w naczyniach krwionośnych, jak i egzogenne środki kontrastowe zaprojektowane w celu precyzyjnego celowania w biomarkery nowotworowe. Po pochłonięciu energii lasera, chromofory podlegają szybkiemu podgrzewaniu, co prowadzi do lokalnego i przejściowego rozszerzenia termicznego tkanek. To nagłe rozszerzenie generuje fale ultradźwiękowe lub akustyczne, zjawisko nazywane efektem fotoakustycznym. Fale akustyczne rozchodzą się na zewnątrz z punktu pochłaniania w różnych kierunkach. Detektory ultradźwiękowe, zwykle umieszczane na powierzchni tkanek, wychwytują powstałe sygnały akustyczne. Dzięki precyzyjnemu pomiarowi czasu dotarcia i intensywności tych sygnałów możliwe jest odtworzenie szczegółowego obrazu 2D lub 3D tkanek. Odtworzony obraz przedstawia rozkład przestrzenny pochłoniętej energii lasera, a tym samym rozkład chromoforów w tkance.

Zdolność obrazowania PA do pracy w różnych skalach (rozdzielczość może być modyfikowana przez zastosowanie różnych schematów ekscytacji optycznej oraz detekcji akustycznej) umożliwia uchwycenie obrazów od organelli komórkowych po całe narządy, czyniąc tę metodę wszechstronnym narzędziem w różnych zastosowaniach badawczych. Co więcej, obrazowanie PA umożliwia obrazowanie temporalne, co pozwala na monitorowanie dynamicznych procesów, takich jak zmiany w przepływie krwi w guzie, jego utlenowanie czy odpowiedzi na leczenie. Ponadto, dzięki wykorzystaniu optycznych właściwości pochłaniania tkanek, obrazowanie PA pozwala na jednoczesne obrazowanie wielu chromoforów lub cząsteczek (np. naczyń krwionośnych, lipidów, kolagenu, melaniny) w obrębie guza, przy użyciu tego samego schematu detekcji, ale różnych długości fal oświetlenia.

Jako alternatywa dla endogennych chromoforów, egzogenne środki kontrastowe, takie jak barwniki, nanocząstki metalowe, nieorganiczne i organiczne, również mogą być wykorzystywane w obrazowaniu PA w celu uzyskania informacji o akumulacji leków i ekspresji biomarkerów nowotworowych. Obrazowanie fotoakustyczne w tej formie stanowi cenne narzędzie w przedklinicznych badaniach nad rakiem, wzbogacając wiedzę na temat molekularnych i funkcjonalnych procesów zachodzących w nowotworach.

Systemy tomograficzne, takie jak MSOT, LOIS czy Tritom, pozwalają na wizualizację przekrojów ciała gryzonia, podczas gdy systemy takie jak Vevo LAZR-X i Acoustic-X działają w trybie refleksji, wykorzystując układ współosiowego oświetlenia epi- oraz detektora na tej samej stronie tkanek. Różnice w konfiguracjach transduktorów oraz długości fali lasera wpływają na rozdzielczość, głębokość penetracji oraz koszt tych systemów. Zależnie od specyficznych potrzeb badania, różne systemy umożliwiają uzyskiwanie obrazów o różnym stopniu szczegółowości.

W kontekście badań nad nowotworami, szczególnie pomocne są systemy takie jak MSOT inVision, które pozwalają na obserwację głęboko umiejscowionych guzów, jak rak trzustki czy prostaty, monitorowanie infiltracji komórek T w immunoterapii, a także obrazowanie środków kontrastowych stosowanych do celów molekularnych. Systemy takie jak Vevo LAZR-X umożliwiają charakteryzowanie guzów, monitorowanie postępu terapii, ocenę skuteczności dostarczania leków oraz ocenę efektywności terapii. Dzięki swojej wszechstronności, obrazowanie PA staje się jednym z kluczowych narzędzi w przedklinicznych badaniach nad rakiem, umożliwiającym bardziej precyzyjne i wszechstronne badanie reakcji tkanek na różnorodne terapie.

Jak działa endoskopia fotoakustyczna i jak rewolucjonizuje diagnostykę medyczną?

Endoskopia fotoakustyczna (PAE) jest nowoczesną techniką obrazowania, która łączy w sobie zalety tradycyjnej endoskopii oraz technologii obrazowania fotoakustycznego. Celem tej innowacyjnej metody jest uzyskanie szczegółowych obrazów wnętrza ciała, które nie tylko ukazują morfologię tkanek, ale także oferują cenne informacje funkcjonalne i molekularne. Fotoakustyczne obrazowanie umożliwia wykorzystanie światła lasera do generowania fal akustycznych, które następnie są rejestrowane i przekształcane w obrazy o wysokiej rozdzielczości.

Historia tej technologii sięga końca XIX wieku, kiedy to Alexander Graham Bell jako pierwszy zaobserwował zjawisko fotoakustyczne. Dopiero jednak w drugiej połowie XX wieku, a zwłaszcza w latach 90-tych, rozwinęły się techniki wykorzystujące impulsowe światło lasera do generowania fal ultradźwiękowych w tkankach, co stanowiło podstawę nowoczesnego obrazowania fotoakustycznego. Z kolei tradycyjna endoskopia, opierająca się na giętkich włóknach optycznych, zyskiwała na elastyczności i wszechstronności, umożliwiając lekarzom dostęp do różnych części ciała, co stwarzało ogromny potencjał do połączenia obu tych technologii. Połączenie tych dwóch dziedzin w latach 90-tych dało początek endoskopii fotoakustycznej, która zaczęła oferować możliwość uzyskania funkcjonalnych obrazów wnętrza organizmu.

PAE pozwala na uzyskiwanie obrazów o wysokiej rozdzielczości, dzięki wykorzystaniu miniaturowych sond fotoakustycznych. Nowoczesne urządzenia umożliwiają uzyskanie informacji o przepływach krwi, stanie tkanek oraz o obecności nowotworów czy innych patologii wewnętrznych. Rozwój tej technologii jest napędzany przez postęp w miniaturyzacji urządzeń, co umożliwia ich stosowanie w klinikach oraz szpitalach, co w praktyce oznacza nieinwazyjność i komfort pacjentów.

Fotoakustyczna endoskopia umożliwia wykrywanie i monitorowanie nowotworów, chorób naczyń krwionośnych, a także oceny funkcji narządów wewnętrznych. Przykładem może być obrazowanie guzów w piersi, gdzie PAE zapewnia znacznie lepszą rozdzielczość i dokładność w porównaniu do tradycyjnych metod obrazowania, takich jak mammografia. Dzięki temu PAE może pełnić rolę narzędzia wspomagającego wczesne wykrywanie chorób, co ma kluczowe znaczenie w kontekście leczenia i poprawy rokowań pacjentów.

Ponadto, rozwój tej technologii nie zatrzymuje się na samym obrazowaniu, ale obejmuje również zintegrowane podejścia do diagnostyki i leczenia. Przykładem może być zastosowanie sztucznej inteligencji (AI) w analizie obrazów, co pozwala na dokładniejsze diagnozy i szybsze podejmowanie decyzji klinicznych. Integracja PAE z innymi metodami obrazowania, takimi jak rezonans magnetyczny (MRI) czy tomografia komputerowa (CT), stwarza nową jakość w diagnozowaniu i monitorowaniu stanu zdrowia pacjentów, a także w planowaniu zabiegów medycznych.

Choć technologia fotoakustyczna wciąż znajduje się w fazie intensywnego rozwoju, jej potencjał jest ogromny. Miniaturyzacja sond oraz dalsza optymalizacja technologii przetwarzania danych pozwalają na uzyskiwanie obrazów o jeszcze wyższej rozdzielczości i głębokości penetracji tkanek. PAE może stać się nieocenionym narzędziem w medycynie, szczególnie w zakresie diagnostyki nowotworowej, chorób serca czy problemów neurologicznych, takich jak udary mózgu.

Jednakże, pomimo wielu zalet, technologia ta napotyka pewne wyzwania, które trzeba przezwyciężyć, aby mogła być szeroko stosowana w codziennej praktyce klinicznej. Przede wszystkim chodzi o dalszą poprawę jakości obrazów w trudniejszych warunkach, takich jak badania przez czaszkę w przypadku obrazowania mózgu, oraz o zapewnienie odpowiednich kosztów i dostępności urządzeń. Zdolność do przeprowadzenia precyzyjnych i szybkich procedur obrazowania w różnych częściach ciała, a także połączenie fotoakustyki z innymi metodami obrazowania, mogą stanowić prawdziwą rewolucję w diagnostyce i leczeniu.

Ważnym aspektem jest również przyszły rozwój technologii endoskopowych, które mogą być wyposażone w różnorodne sensory i detektory, umożliwiające nie tylko obrazowanie, ale także dokładne monitorowanie zmian biochemicznych w czasie rzeczywistym. Takie połączenie obrazowania molekularnego z nowoczesnymi urządzeniami endoskopowymi może stać się fundamentem precyzyjnej medycyny, pozwalając na dokładniejsze diagnozy, wybór odpowiedniego leczenia, a także ścisłe monitorowanie postępu terapii.

Jak technologia CSNP-PDMS i nanocząstki kwantowe rewolucjonizują obrazowanie medyczne za pomocą ultradźwięków i lasera?

Postępy w technologii nanomateriałów, szczególnie w kontekście użycia kompozytów CSNP-PDMS i nanocząsteczek kwantowych (QDs), mają kluczowe znaczenie w rozwoju nowoczesnych urządzeń do obrazowania medycznego. Zastosowanie tych technologii w systemach obrazowania opartych na ultradźwiękach i światłowodach, czyli tzw. OpUS (Optoacoustic Ultrasound), otwiera nowe perspektywy dla diagnostyki medycznej, umożliwiając wysokiej jakości obrazowanie przy minimalnej inwazyjności.

Bodian et al. porównali dwie metody wytwarzania kompozytów CSNP-PDMS: nowatorską metodę „wszystko w jednym” (AiO) i metodę „bezpośredniego osadzania” (DD) opracowaną przez Jiang et al. Metoda AiO polegała na zmieszaniu CSNP z PDMS i nałożeniu na światłowód o średnicy 200 μm, tworząc powłokę o grubości 54,7 μm, podczas gdy metoda DD obejmowała nałożenie powłoki CSNP na końcówkę włókna nad płomieniem świecy i następnie nałożenie warstwy PDMS, tworząc kompozyt o grubości 51,8 μm. Oba kompozyty wykazywały wysoką absorpcję optyczną (ponad 98% w zakresie 500-1400 nm) oraz generowały wysokie ciśnienie ultradźwiękowe (> 3 MPa) i szerokie pasma (> 29 MHz). Zdolność do obrazowania B-mode została potwierdzona na próbach tkankowych, w tym na tkance mózgu jagnięcia, osiągając głębokość obrazowania większą niż 8 mm i wysoką rozdzielczość osiową poniżej 40 μm. Obrazy B-mode wskazują na potencjał technologii CSNP-PDMS w obrazowaniu tkanek biologicznych, w tym w zastosowaniach neurochirurgicznych, gdzie precyzyjne obrazowanie struktur mózgu jest kluczowe.

Badanie przeprowadzone przez Bodiana et al. wykazało, że światłowody pokryte kompozytem CIS QD-PDMS pozwalają na przeprowadzenie jednoczesnego obrazowania ultradźwiękowego i fotoakustycznego. System taki może wykorzystywać różne długości fal, co umożliwia uzyskanie bardziej szczegółowych informacji o strukturach wewnętrznych tkanek. W jednym z eksperymentów, przeprowadzonym na modelu phantom z wosku i atramentem, uzyskano obrazy łączące sygnały ultradźwiękowe i fotoakustyczne, które pozwoliły na precyzyjne odwzorowanie struktury układów wewnętrznych w badanych próbkach. Zastosowanie takich technologii w diagnostyce medycznej może stanowić przełom w obrazowaniu nowotworów, a także w monitorowaniu leczenia.

Kompozyty CSNP-PDMS i nanocząsteczki kwantowe (QDs) nie tylko otwierają drzwi do bardziej zaawansowanego obrazowania medycznego, ale także wskazują na rosnące zainteresowanie multimodalnym podejściem do diagnostyki. Możliwość jednoczesnego stosowania różnych metod obrazowania, takich jak ultradźwięki i fotoakustyka, przy użyciu tych zaawansowanych materiałów, otwiera nowe perspektywy dla precyzyjniejszego i mniej inwazyjnego diagnozowania chorób.

W przyszłości, rozwój technologii materiałów takich jak CSNP-PDMS i QDs, oraz ich integracja z urządzeniami do obrazowania, mogą znacząco przyczynić się do poprawy wyników w medycynie. Dalsze badania nad bezpieczeństwem nanomateriałów oraz ich właściwościami fizycznymi i chemicznymi będą kluczowe dla ich pełnego wdrożenia w medycynie, zwłaszcza w kontekście długotrwałego kontaktu z tkankami biologicznymi. Ważnym kierunkiem jest również opracowanie metod produkcji tych kompozytów w skali przemysłowej, co pozwoli na ich szerokie zastosowanie w klinikach i szpitalach.