通過雙激光顯微鏡技術成像的小鼠局部區域

對患者而言，分析組織活檢樣本以檢查癌癥似乎是一個相對簡單的過程，盡管這意味著放棄一小片肉來進行檢測。樣本被送往實驗室，病人回家，幾天后醫生會電話告知結果。

實際上，準備組織樣本需要進行相當多的工作，并評估其是否有疾病跡象。要在顯微鏡下觀察，需要將樣本切成極薄的切片，可能只有幾個細胞那么厚。并且為了幫助觀察，技術人員可能會使用各種染料來標記特定蛋白質或細胞結構。

據麥姆斯咨詢報道，加州理工學院（Caltech）工程和應用科學系醫學工程和電氣工程學院Bren講席教授汪立宏（Lihong Wang）表示，“組織活檢需要對樣本進行全面的處理，你一次只能標記這么多分子，并且必須在標記之間進行清洗。有些分子并不吸收染料或無法被標記。”

汪立宏的實驗室正在開發一種新技術，旨在使組織活檢的過程更簡單且侵入性更小。該技術不使用染料，而是使用激光脈沖進行樣本成像。

這種被稱為紫外線局部中紅外光聲顯微鏡（ULM－PAM， ultraviolet－localized mid－infrared photoacoustic microscopy）的新方法通過用紅外和紫外線激光輻射樣本，來顯示活檢組織中的微觀結構成像。



ULM－PAM技術

成像樣本首先會受到一束紫外激光脈沖。這束光使樣本內的分子振動。針對樣本放置的傳感器會捕獲這些振動信號并將其傳遞給信號處理計算機。

下一步，樣本會受到一束紅外激光脈沖，該脈沖會略微加熱樣本但是加熱不夠均勻。樣本中的某些成分，如蛋白質或DNA，會比其他成分更熱，因為它們會從激光中吸收更多能量。

受到加熱脈沖后，樣本會再次遭受紫外激光脈沖。如之前一樣，紫外線會引起樣本中的分子振動，這些振動信號會傳輸到計算機。通過對比樣本在加熱前后的信號，計算機會創建一幅圖像，樣本的結構可以通過熱量信號來進行識別。由于癌細胞以不同于健康細胞的方式表達蛋白質和DNA，因此可以用這種方法區分它們。

為了更好地理解這項工作，想象一下如果給你兩張紙，一張白紙和一張黑紙，在沒有看到這兩張紙的情況下需要你確定哪張是白紙，哪張是黑紙。

一種解決辦法是將兩張紙放在陽光下，等待幾分鐘，然后摸兩張紙的溫度。因為黑色物體會比白色物體吸收更多的光線，所以黑紙會比白紙更熱。舉例中的太陽光類似于ULM－PAM技術中使用的紅外激光，溫度計則類似于紫外激光。

汪立宏的實驗室醫療工程系的博士后研究員Junhui Shi，領導了為期兩年的ULM－PAM開發工作，表示該項目目前面臨著一些重大障礙。

他指出，“由于紫外線和紅外線具有不同的特性，我們必須找到能夠同時聚焦兩種光線的特殊鏡子和玻璃，又由于不存在可以同時看到兩種光線的相機，我們必須找到辦法以確定它們是否正確聚焦。”

雖然汪立宏和Shi已經證明了ULM－PAM技術的有效性，但他們的技術仍處于概念驗證階段。他們表示，雖然升級激光可以更快地掃描組織樣本，但應用于臨床環境仍需要很多時間。

汪立宏指出，實驗室的長期目標是將這項技術開發成可以直接用于患者體內的組織上。

他補充道，“我想要把這項技術轉移到體內，最終實現能夠在手術過程中對癌細胞進行成像。這是我的夢想。”

5月13日發表在《自然光子學》（Nature Photonics）期刊上的論文詳細描述了該技術，題目為“用紫外局部光聲顯微鏡對新鮮生物樣本進行高分辨率、高對比度中紅外成像”。