Jakie są wyzwania i perspektywy dla obrazowania fotoakustycznego w badaniach przedklinicznych nad rakiem?

Obrazowanie fotoakustyczne (PAI) stało się jedną z kluczowych technik w badaniach nad rakiem w ostatniej dekadzie, dzięki swojej zdolności do dostarczania obrazów o wysokiej rozdzielczości z głęboko osadzonych w tkankach guzów, bez konieczności stosowania promieniowania jonizującego. Ta metoda łączy w sobie zalety ultradźwięków i obrazowania optycznego, umożliwiając uzyskanie wyjątkowych informacji na temat mikrośrodowiska guza, w tym jego naczyń krwionośnych i metabolizmu. Co istotne, jest to technika nieinwazyjna, bezpieczna oraz stosunkowo tania w porównaniu do innych metod obrazowania, takich jak tomografia komputerowa czy rezonans magnetyczny.

Jednym z głównych wyzwań jest niska wydajność tej metody w porównaniu do innych systemów obrazowania, takich jak fluorescencja, które pozwalają na równoczesne obrazowanie wielu próbek. W przypadku PAI, badania muszą być przeprowadzane na pojedynczych zwierzętach, co znacząco ogranicza przepustowość systemu. Przyszłość obrazowania fotoakustycznego w preklinicznych badaniach nad rakiem zależy więc od rozwoju technologii umożliwiających równoczesne obrazowanie wielu modeli zwierzęcych, co wymaga zmiany w architekturze systemu, a także ulepszenia w zakresie źródeł światła i detekcji sygnałów.

Innym istotnym problemem jest duża zależność tej techniki od operatora, co może prowadzić do trudności w standardyzacji wyników. Uzyskane obrazy często wymagają głębokiej wiedzy z zakresu systemów fotoakustycznych oraz technik optymalizacji obrazów, co stawia przed badaczami spore wyzwanie, zwłaszcza dla mniej doświadczonych użytkowników. Artefakty, takie jak pęcherzyki powietrza w obrębie badanego obszaru, mogą zniekształcać wyniki, co skutkuje błędnymi interpretacjami. Dlatego też niezwykle ważne jest, aby operatorzy byli dobrze przeszkoleni i mieli solidną wiedzę na temat możliwości i ograniczeń technologii.

Jednym z kluczowych elementów, który należy uwzględnić w rozwoju obrazowania fotoakustycznego, jest poprawa jakości sygnałów uzyskiwanych z głębszych warstw tkanek. Zjawisko tłumienia sygnału optycznego w tkankach staje się coraz bardziej widoczne przy większych głębokościach, zwłaszcza w tkankach heterogenicznych. Istnieją jednak metody optymalizacji fluencji optycznej, takie jak symulacje Monte Carlo, które pomagają zredukować straty sygnału i poprawić jakość obrazów z głębokich warstw. Takie podejścia są niezbędne, aby uzyskać obrazy o wysokiej jakości z trudno dostępnych obszarów ciała.

Mimo tych wyzwań, obrazowanie fotoakustyczne staje się coraz bardziej zaawansowaną technologią, która wnosi istotny wkład w rozwój badań nad rakiem. Już teraz jest wykorzystywane w badaniach nad nowymi środkami kontrastowymi, w tym nanopartiklami, które mogą być specyficznie ukierunkowane na komórki nowotworowe. Kolejne badania nad zastosowaniem genetycznych reporterów w połączeniu z PAI otwierają nowe możliwości badania komunikacji komórkowej w tkankach o wysokiej rozdzielczości. Dalszy rozwój systemów endoskopowych do obrazowania głęboko osadzonych guzów, jak np. w przypadku raka okrężnicy u szczurów, także przyczyni się do lepszego zrozumienia mikrośrodowiska guza w jego naturalnym otoczeniu.

Istotne będzie również stworzenie systemów obrazowania, które będą w stanie obsługiwać więcej niż jedno zwierzę na raz. Dzięki rozwojowi technologii transduktorów i laserów, możliwe stanie się stworzenie urządzeń do obrazowania wieloosobowego, co zrewolucjonizuje prekliniczne badania nad rakiem, umożliwiając jednoczesne śledzenie reakcji różnych modeli zwierzęcych na terapię. Rozwój takich technologii z pewnością przyczyni się do przyspieszenia procesu translacji badań przedklinicznych do badań klinicznych, a tym samym, do rozwoju skutecznych terapii onkologicznych.

Jak miniaturyzacja mikroskopii fluorescencyjnej przyspiesza rozwój neuroobrazowania?

Mikroskopia fluorescencyjna wielofotonowa, jedna z najbardziej obiecujących technik obrazowania w biologii komórkowej i neurobiologii, stale przechodzi ewolucję, której celem jest miniaturyzacja urządzeń i poprawa ich wydajności. Proces ten otwiera drzwi do nowych zastosowań, w tym w obrazowaniu aktywności neuronalnej w czasie rzeczywistym i badaniach nad strukturami subkomórkowymi. W 2007 roku Instytut Maxa Plancka oraz Bell Laboratories zaprezentowały pierwszy miniaturowany mikroskop fluorescencyjny działający na zasadzie fluorescencji wielofotonowej, który zapoczątkował nową erę w tej dziedzinie. Od tego czasu badania nad mikroskopami wykorzystującymi włókna fotonowe, urządzenia MEMS (systemy mikroelektromechaniczne) i różne techniki obrazowania wielofotonowego nieustannie posuwają się naprzód.

Na przykład badania przeprowadzone przez Uniwersytet Swinburne’a z wykorzystaniem podwójnie otoczonych włókien fotonicznych do łączenia ekscytacji i zbierania fotonów okazały się bardzo obiecujące. Włókna te okazały się przydatne nie tylko w obrazowaniu mikroskopowym, ale także w generowaniu drugiej harmonicznej (SHG), co pozwala na badanie tkanek bogatych w kolagen. Technika ta jest wykorzystywana w obrazowaniu endoskopowym, zapewniając znakomitą rozdzielczość osiową i boczną.

Jednym z przełomowych momentów była praca Uniwersytetu Johns Hopkinsa, który zastosował mikroskopię SHG w połączeniu z miniaturowanym urządzeniem endoskopowym. Uzyskana rozdzielczość osiowa wynosiła 0,76 μm, a boczna 4,36 μm, co stanowiło istotny postęp w tej dziedzinie. Uniwersytet Cornell z kolei zaprezentował mikroskop działający w technologii wielofotonowej, który łączył skaner rastrowy z soczewką gradientową, co zapewniło dalszy rozwój tej technologii, oferując rozdzielczość osiową 0,8 μm i boczną 10 μm przy prędkości skanowania 4 Hz.

Mikroskopia trójfotonowa stanowi kolejny krok w rozwoju technik obrazowania wielofotonowego. W porównaniu z mikroskopią dwufotonową, mikroskopia trójfotonowa oferuje lepszą głębokość obrazowania oraz zmniejsza uszkodzenia spowodowane przez światło, a także zmniejsza efekty rozpraszania fotonów. W Heidelbergzie opracowano adaptacyjną technikę ekscytacji trójfotonowej, która synchronizowała ją z elektrokardiogramem (EKG) w celu skompensowania artefaktów ruchowych. Natomiast Uniwersytet Cornell poszedł jeszcze dalej, stosując laser o długości fali 1700 nm, co pozwoliło na głębsze obrazowanie subkortykalne, a także na poprawę rozdzielczości.

Pomimo tych imponujących postępów, mikroskopia wielofotonowa nie jest pozbawiona wyzwań. Największym z nich jest konieczność balansowania między rozdzielczością a polem widzenia (FOV). Nowoczesne mikroskopy, takie jak bezobiektywowe endoskopowe urządzenia optyczne, próbują rozwiązać ten problem, rozszerzając FOV do 750 μm x 750 μm przy rozdzielczości bocznej 3,03 μm. Z kolei inne innowacyjne techniki, takie jak spektroskopia superkontinuum, pozwalają na precyzyjne dopasowanie długości fali ekscytującej, co prowadzi do silniejszych sygnałów fluorescencyjnych i lepszej jakości obrazu.

Miniaturyzacja technologii mikroskopowych wprowadza zupełnie nowe możliwości w obszarze neurobiologii. Zastosowanie tych mikroskopów w badaniach nad aktywnością neuronów w czasie rzeczywistym, obrazowaniem tkanek i subkomórkowych struktur w żywych organizmach, a także w rozwoju nowych narzędzi diagnostycznych i terapeutycznych, stanowi kolejny krok w zrozumieniu mechanizmów funkcjonowania ludzkiego mózgu. Mikroskopy te, dzięki swojej precyzji, mobilności i szybkości, otwierają drzwi do badań nad chorobami neurodegeneracyjnymi, a także do rozwoju nowych metod leczenia opartych na obrazowaniu molekularnym i komórkowym.

Jak technologia endoskopii fotoakustycznej zmienia diagnostykę medyczną?

Technologia fotoakustycznej endoskopii (PAE) zdobyła uznanie w medycynie, szczególnie ze względu na swoje wyjątkowe zdolności do nieinwazyjnego obrazowania, kompaktowy design oraz umiejętność dostarczania informacji funkcjonalnych i molekularnych. Jej wszechstronność sprawiła, że stała się jednym z najważniejszych narzędzi w diagnostyce, zdobywając uznanie wśród badaczy oraz klinicystów, którzy dostrzegli jej potencjał w różnych dziedzinach medycyny. PAE wykazuje szczególne zalety w wykrywaniu nowotworów, obrazowaniu układu pokarmowego, intrawaskularnym obrazowaniu, jak również w chirurgii operacyjnej.

Wykrywanie i diagnostyka nowotworów przy pomocy fotoakustycznej endoskopii zyskały na znaczeniu dzięki zdolności tej technologii do dostarczania obrazów o wysokiej rozdzielczości, co umożliwia dokładniejsze określenie lokalizacji guzów oraz ich charakterystyki. Współczesne urządzenia PAE pozwalają na rozróżnienie zmian łagodnych od złośliwych, co ma ogromne znaczenie w kontekście wczesnej diagnozy. Dzięki zdolności wykrywania sygnałów molekularnych, PAE może również charakteryzować guzy, dostarczając cennych informacji na temat ich biologicznych właściwości. Badania, takie jak te przeprowadzone przez Horiguchi i in. (2017), potwierdzają, że intensywność sygnałów fotoakustycznych może odzwierciedlać mikrokrążenie w tkankach prostaty, co stanowi istotny element w diagnostyce raka prostaty.

Technologia fotoakustyczna zdobywa również uznanie w obrazowaniu wewnątrznaczyniowym, gdzie daje możliwość uzyskania bardziej szczegółowych informacji na temat struktury i funkcji naczyń krwionośnych. W porównaniu z tradycyjnymi metodami, takimi jak ultrasonografia wewnątrznaczyniowa (IVUS) czy tomografia koherentna (OCT), PAE oferuje głębszą penetrację tkanek oraz lepszy kontrast, co pozwala na obrazowanie cząsteczek endogennych, takich jak hemoglobina czy lipidy, które są związane z wieloma patologiami naczyniowymi. Prace Xing et al. (2015) oraz Yang et al. (2019) pokazały, że zastosowanie systemów PAE w obrazowaniu tętnic wieńcowych może zrewolucjonizować diagnostykę chorób serca, pozwalając na wczesne wykrywanie zmian miażdżycowych.

W obszarze obrazowania śródoperacyjnego, PAE pozwala na uzyskanie obrazów o wysokiej rozdzielczości w czasie rzeczywistym, co ma kluczowe znaczenie w procesie podejmowania decyzji chirurgicznych. Dzięki tej technologii chirurdzy mogą uzyskać szczegółowy wgląd w tkanki, naczynia krwionośne oraz poziom natlenienia tkanek, co może przyczynić się do poprawy wyników operacji. Prace Xi et al. (2010) oraz Yang et al. (2013) udowodniły, że w przyszłości PAE stanie się niezastąpionym narzędziem w chirurgii minimalnie inwazyjnej, umożliwiając precyzyjniejsze usuwanie guzów oraz kontrolowanie przebiegu operacji w czasie rzeczywistym.

Oprócz zalet, które wynikają z technologicznych innowacji, ważnym aspektem w stosowaniu fotoakustycznej endoskopii jest również konieczność dalszego doskonalenia urządzeń, szczególnie w kontekście rozmiaru sond, szybkości obrazowania oraz zapewnienia bezpieczeństwa pacjentów. Zastosowanie PAE w medycynie wiąże się z wieloma wyzwaniami technicznymi, które muszą zostać rozwiązane, aby ta technologia mogła stać się powszechnie stosowana w codziennej praktyce klinicznej.

Ważne jest również, aby rozważyć potencjalne zastosowania PAE w połączeniu z innymi technologiami obrazowania. Integracja z magnetycznym rezonansowym obrazowaniem (MRI) czy pozytonową tomografią emisyjną (PET) może stworzyć nową jakość w diagnostyce, łącząc precyzyjne obrazy anatomiczne z funkcjonalnymi oraz molekularnymi. Dzięki tym połączeniom możliwe stanie się uzyskanie obrazów o bardzo wysokiej rozdzielczości, które pozwolą na dokładniejsze określenie stopnia zaawansowania chorób, a także umożliwią monitorowanie odpowiedzi na leczenie.