Hur kombinerade bildtekniker förbättrar vår förståelse av funktionell neuroimaging och molekylär diagnostik

De senaste åren har det skett en betydande utveckling inom medicinsk bildbehandling, där nya teknologier för att kombinera olika modaliteter har lett till en djupare och mer detaljerad förståelse av biologiska processer. En sådan framväxande metod är den hybridoptiska akustiska tomografin (OAT) som integreras med andra avbildningstekniker som magnetresonanstomografi (MRI) eller röntgen-baserade teknologier. Tillämpningarna av dessa hybridteknologier i funktionell neuroimaging och molekylär diagnostik är av särskilt intresse.

Kombinationen av optoakustisk tomografi och magnetresonanstomografi (MRI) är en annan intressant multimodal metod. MRI är välkänt för sin höga vävnadskontrast och förmåga att utföra helkroppsavbildning utan att använda joniserande strålning. Detta gör MRI till en oumbärlig metod i många kliniska och prekliniska tillämpningar, inklusive funktionell MRI (fMRI), som mäter blodets syresättningsnivå beroende signal (BOLD). Trots dess höga upplösning och förmåga att ge detaljerad anatomisk information, är MRI inte lika känslig för molekylär imaging jämfört med optiska eller nukleära bildtekniker. Här kommer OAT in som en komplementär metod, som erbjuder hög spatiotemporär upplösning och bättre molekylär känslighet, men med en begränsad djuppenetration och något lägre vävnadskontrast.

En framgångsrik sammanslagning av dessa två tekniker, OAT och MRI, skapar en mycket kraftfull hybridlösning. Den anatomiska informationen som erhålls från MRI kan användas som referens för optoakustisk bildtagning, medan OAT:s hemodynamiska mätningar kan komplettera och validera BOLD-signalerna från MRI. En sådan hybridteknik gör det möjligt att få en mer komplett bild av det biologiska systemet, till exempel genom att kombinera strukturella, funktionella och molekylära data för att bättre förstå komplexa biologiska processer.

I praktiken innebär detta att även om OAT och MRI har sina egna begränsningar, kan deras kombination leda till mycket mer exakta och detaljerade bilder av tumörer, blodflöde och molekylär metabolism. Till exempel har studier visat att en OAT-MRI-hybrid kan ge detaljerad information om glukosupptag i glioblastomtumörer, vilket kan vara avgörande för att förstå tumörens biologi och förbättra behandlingsstrategier. OAT:s höga molekylära känslighet gör det möjligt att visualisera detaljer om tumörens mikro-miljö som inte kan fångas av MRI ensam.

En ytterligare förbättring kan ses när man kombinerar OAT med röntgen-datortomografi (CT), som är känd för sin höga djuppenetration och upplösning. Kombinationen av OAT:s funktionella data med CT:s tredimensionella strukturella information möjliggör en mer detaljerad och exakt visualisering av hela kroppen. Ett exempel på detta är användningen av WS2-PEG nanosheets som kontrastmedel för att förstärka signalerna från både OAT och CT, vilket ger en mycket tydligare bild av tumörer och deras vaskulära mönster.

Det är också viktigt att förstå de tekniska utmaningarna och den komplexitet som ligger i att integrera dessa olika bildmodaliteter. För att korrekt kombinera och validera de bilder som tas från OAT och MRI krävs noggrann registrering av bilderna, särskilt när de tas vid olika tidpunkter eller under olika fysiologiska förhållanden. Därför har utvecklingen av en helt integrerad MROT-scanner, som möjliggör samtidig in vivo-avbildning med både OAT och MRI, blivit ett viktigt framsteg. Detta eliminerar mycket av den komplexitet som tidigare varit förknippad med att kombinera dessa teknologier.

Dessa kombinerade avbildningstekniker erbjuder ett brett spektrum av möjligheter för att undersöka biologiska processer på molekylär nivå och ge oss en djupare förståelse av sjukdomsförlopp, särskilt inom onkologi och neurologi. Genom att tillhandahålla detaljerade bilder som sträcker sig över flera nivåer av biologisk information – från anatomi och funktion till molekylär aktivitet – kan dessa hybridteknologier leda till mer precisa diagnoser och bättre behandlingsstrategier.

Hur kan fotoakustisk avbildning med växelsignal ge nya insikter i biologisk forskning och tumördiagnostik?

En av de senaste framstegen inom fotoakustisk avbildning är användningen av växelsignaler, vilket möjliggör mer exakt och specifik visualisering av biologiska strukturer, inklusive tumörceller och protein-interaktioner. Genom att använda fotokromatiska proteiner som phytochrome-baserade reporterproteiner, kan forskare studera dynamiska biologiska processer på molekylär nivå, vilket öppnar nya möjligheter inom både grundforskning och kliniska tillämpningar.

En intressant tillämpning av dual-wavelength 3D fotoakustisk avbildning beskrivs genom användningen av en Fabry-Perot scanner för att undersöka fotoswitchbara phytochrome-proteinmarkörer. Tekniken gör det möjligt att både observera och kvantifiera PA-signalernas förändringar i realtid vid olika ljusintensiteter och våglängder. Denna metod för att fånga PA-signalernas förändringar har visat sig vara särskilt användbar för att särskilja växlande proteinbeteenden och för att differentiera mellan olika biologiska miljöer, som tumörvävnad och mikrovaskulära nätverk.

Det är också värt att notera den senaste utvecklingen av maskininlärning (ML) för multiplexed differentiering av reversibelt växelsignalerande protein. Genom att analysera fotoakustiska spektrum och temporal nedbrytningsegenskaper hos tre typer av reversibelt växelsignaliserande proteiner, som ReBphP-PCM, RpBphP1-PCM och DrBphP-PCM, har forskare lyckats skapa en algoritm som effektivt kan markera metastaser i tumörer. ML-algoritmen tränas på ett antal parametrar som PA-intensitet, exponeringscykel och frekvenssvar, vilket gör det möjligt att exakt identifiera specifika tumörceller och studera deras spridning i realtid.

En annan aspekt som förtjänar uppmärksamhet är användningen av E. coli-bakterier som bärare för BPh-proteiner. Genom att utnyttja den anaeroba miljön runt en tumör, där E. coli har en förmåga att snabbt föröka sig, kan bakterier leverera BPh-exprimerande proteiner direkt till tumörvävnad. Denna metod har visat sig vara effektiv för att övervaka tumörtillväxt och utveckling i realtid, samtidigt som den ger möjlighet till longitudinell övervakning av tumörens dynamik.

Denna typ av fotoakustisk avbildning, kombinerat med maskininlärning och genetiskt manipulerade bakterier, gör det möjligt för forskare att inte bara studera tumörers struktur och tillväxt utan även att förstå de underliggande molekylära och cellulära interaktionerna. Förutom att förbättra diagnostik och behandlingsövervakning kan denna teknologi även användas för att kartlägga komplexa biologiska nätverk, vilket öppnar nya vägar för precisionmedicin och tumörterapi.

Vid tillämpning av dessa tekniker bör man också vara medveten om de utmaningar som fortfarande kvarstår. Den tekniska komplexiteten och de biologiska faktorer som påverkar signalens tolkning kan introducera vissa osäkerheter i dataanalys, vilket kräver noggrann kalibrering och validering av metoderna. Dessutom är det viktigt att överväga etiska och praktiska aspekter av in vivo-användning av genetiskt modifierade bakterier och andra biologiska markörer i kliniska sammanhang.