Jakie są zalety i wyzwania systemów UV-PAM w histopatologii?

Systemy obrazowania z wykorzystaniem impulsów lasera UV (UV-PAM) charakteryzują się wysoką optyczną absorpcją w zakresie fal ultrafioletowych (210–280 nm), co pozwala na uzyskanie obrazów komórek z wysokim kontrastem. Ta właściwość sprawia, że UV-PAM może skutecznie uwidaczniać jądra komórkowe w tkankach biologicznych, umożliwiając obrazowanie z zastosowaniem kontrastu DNA/RNA bez konieczności obróbki ani znakowania próbki. Dzięki temu, bez zbędnej chemii czy barwników, możliwe jest uzyskanie wyraźnych, a zarazem wiarygodnych obrazów komórek, co jest ogromnym atutem w histologii i diagnostyce. Co więcej, zgodnie z równaniem (19.2), systemy UV-PAM mogą osiągać subkomórkowe obrazowanie przy użyciu standardowych obiektywów o numerze apertury (NA) 0,1–0,3, oferując przewidywaną rozdzielczość lateralną poniżej 1 μm. Tego rodzaju dokładność sprawia, że UV-PAM wydaje się obiecującą metodą do szybkiej i precyzyjnej analizy histologicznej tkanek biologicznych.

Na przykład, system UV-PAM opracowany przez Wonga i innych [18] umożliwił uzyskanie obrazów histologicznych (rozdzielczość boczna 330 nm) nieprzetworzonych tkanek ludzkiego raka piersi. Zdolność tego systemu do uzyskiwania obrazów o podobnych cechach jak standardowe obrazy zabarwione hematoksyliną i eozyną (H&E) jest imponująca i stanowi podstawę do oceny marginesów w badaniach onkologicznych. Rysunek 19.6 pokazuje porównanie obrazów uzyskanych za pomocą UV-PAM z obrazami H&E, co ukazuje, jak dobrze system ten odwzorowuje cechy histologiczne, w tym regiony normalne i zmienione chorobowo.

Jak technologia obrazowania fotoakustycznego zmienia badania biologiczne i medyczne?

Technologie obrazowania optycznego, takie jak mikroskopia i tomografia koherentna optyczna (OCT), oferują obrazy o wysokiej rozdzielczości, ale napotykają istotne ograniczenia związane z głębokością penetracji tkanek. Chociaż są w stanie uzyskać doskonałą jakość obrazu w powierzchniowych warstwach, to ich możliwości w zakresie głębokości penetracji są ograniczone do około 1 mm, co sprawia, że nie nadają się do wizualizacji głębszych struktur w organizmach żywych. Pomimo wysiłków naukowców na rzecz przezwyciężenia tego wyzwania, takich jak rozwój tomografii optycznej rozproszonej (DOT), obrazowanie optyczne wciąż nie jest w stanie osiągnąć przestrzennej rozdzielczości zależnej od głębokości.

Innowacyjnym rozwiązaniem w tej dziedzinie jest obrazowanie fotoakustyczne (PAI), które łączy oświetlenie optyczne z detekcją ultradźwiękową. To hybrydowe podejście opiera się na impulsach laserowych o krótkim czasie trwania, które oświetlają próbkę biologiczną. Energia świetlna jest pochłaniana przez tkankę, co prowadzi do lokalnego wzrostu temperatury i wywołania ekspansji termoakustycznej. Powstałe fale ultradźwiękowe mogą być następnie wykrywane za pomocą różnych czujników, takich jak transduktory piezoelektryczne czy interferometry optyczne.

Pierwsze badania nad efektem fotoakustycznym sięgają 1880 roku, kiedy to Alexander Bell odkrył zjawisko emisji energii akustycznej w odpowiedzi na modulację światła. To odkrycie zapoczątkowało intensywne badania, które stały się fundamentem współczesnej technologii PAI. Z biegiem lat rozwój odpowiednich źródeł laserowych, miniaturowanych detektorów ultradźwiękowych, nowoczesnych platform obliczeniowych i zaawansowanych modeli inwersyjnych doprowadził do powstania nowoczesnych systemów PAI, które stanowią cenne narzędzie w biologii oraz diagnostyce medycznej.

Dziś obrazowanie fotoakustyczne można podzielić na dwa główne nurty: tomografię fotoakustyczną (PACT) i mikroskopię fotoakustyczną (PAM). PACT umożliwia głębszą penetrację tkanek (do kilku centymetrów) z wysoką rozdzielczością przestrzenną rzędu setek mikrometrów, dzięki zastosowaniu oświetlenia szerokopolowego i równoległej detekcji akustycznej. Z kolei PAM charakteryzuje się wysoką rozdzielczością przestrzenną (rzędu kilku mikrometrów), ale przy ograniczonej głębokości penetracji (zaledwie 1-2 mm). Dzięki połączeniu obu metod, PACT i PAM mogą dostarczyć wyjątkowo cennych danych obrazowych, które znajdują szerokie zastosowanie w badaniach biomedycznych.

W praktycznych zastosowaniach PAI konieczne jest, aby fluencja optyczna była niższa niż dopuszczalne normy bezpieczeństwa, co pozwala na użycie większej energii impulsów w AR-PAM i osiągnięcie większej głębokości penetracji. Ponadto, duże pole widzenia (FOV) w systemach PAM osiąga się najczęściej dzięki metodom skanowania, które obejmują przesuwanie próbki lub źródła światła/ultradźwięku. W tym przypadku czas obrazowania jest czynnikiem ograniczającym, ponieważ konieczne jest zachowanie odpowiedniego kroku skanowania, aby uzyskać wysoką jakość obrazu.

Mikroskopia fotoakustyczna, pomimo pewnych wyzwań, jest wszechstronnym narzędziem, które pozwala na dokładne wykrywanie zarówno endogennych, jak i egzogennych celów w tkankach, przy czym jej zaletą jest przewaga nad metodami fluorescencyjnymi, takimi jak mikroskopia szerokopasmowa, konfokalna czy mikroskopia wielofotonowa. Jej dodatkowe możliwości w zakresie rejestracji kontrastów anatomicznych, funkcjonalnych, molekularnych oraz dynamicznych przepływów krwi i metabolizmu w badaniach in vivo sprawiają, że staje się nieocenionym narzędziem w przyszłych badaniach naukowych i diagnostyce klinicznej.