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使用激光脉冲进行样本成像能够取代用于尖端活检技术手术刀

2019-05-20 17:16:00

通过双激光显微镜技术成像的小鼠局部区域

对患者而言，分析组织活检样本以检查癌症似乎是一个相对简单的过程，尽管这意味着放弃一小片肉来进行检测。样本被送往实验室，病人回家，几天后医生会电话告知结果。

实际上，准备组织样本需要进行相当多的工作，并评估其是否有疾病迹象。要在显微镜下观察，需要将样本切成极薄的切片，可能只有几个细胞那么厚。并且为了帮助观察，技术人员可能会使用各种染料来标记特定蛋白质或细胞结构。

据麦姆斯咨询报道，加州理工学院（Caltech）工程和应用科学系医学工程和电气工程学院Bren讲席教授汪立宏（Lihong Wang）表示，“组织活检需要对样本进行全面的处理，你一次只能标记这么多分子，并且必须在标记之间进行清洗。有些分子并不吸收染料或无法被标记。”

汪立宏的实验室正在开发一种新技术，旨在使组织活检的过程更简单且侵入性更小。该技术不使用染料，而是使用激光脉冲进行样本成像。

这种被称为紫外线局部中红外光声显微镜（ULM-PAM, ultraviolet-localized mid-infrared photoacoustic microscopy）的新方法通过用红外和紫外线激光辐射样本，来显示活检组织中的微观结构成像。

ULM-PAM技术

成像样本首先会受到一束紫外激光脉冲。这束光使样本内的分子振动。针对样本放置的传感器会捕获这些振动信号并将其传递给信号处理计算机。

下一步，样本会受到一束红外激光脉冲，该脉冲会略微加热样本但是加热不够均匀。样本中的某些成分，如蛋白质或DNA，会比其他成分更热，因为它们会从激光中吸收更多能量。

受到加热脉冲后，样本会再次遭受紫外激光脉冲。如之前一样，紫外线会引起样本中的分子振动，这些振动信号会传输到计算机。通过对比样本在加热前后的信号，计算机会创建一幅图像，样本的结构可以通过热量信号来进行识别。由于癌细胞以不同于健康细胞的方式表达蛋白质和DNA，因此可以用这种方法区分它们。

为了更好地理解这项工作，想象一下如果给你两张纸，一张白纸和一张黑纸，在没有看到这两张纸的情况下需要你确定哪张是白纸，哪张是黑纸。

一种解决办法是将两张纸放在阳光下，等待几分钟，然后摸两张纸的温度。因为黑色物体会比白色物体吸收更多的光线，所以黑纸会比白纸更热。举例中的太阳光类似于ULM-PAM技术中使用的红外激光，温度计则类似于紫外激光。

汪立宏的实验室医疗工程系的博士后研究员Junhui Shi，领导了为期两年的ULM-PAM开发工作，表示该项目目前面临着一些重大障碍。

他指出，“由于紫外线和红外线具有不同的特性，我们必须找到能够同时聚焦两种光线的特殊镜子和玻璃，又由于不存在可以同时看到两种光线的相机，我们必须找到办法以确定它们是否正确聚焦。”

虽然汪立宏和Shi已经证明了ULM-PAM技术的有效性，但他们的技术仍处于概念验证阶段。他们表示，虽然升级激光可以更快地扫描组织样本，但应用于临床环境仍需要很多时间。

汪立宏指出，实验室的长期目标是将这项技术开发成可以直接用于患者体内的组织上。

他补充道，“我想要把这项技术转移到体内，最终实现能够在手术过程中对癌细胞进行成像。这是我的梦想。”

5月13日发表在《自然光子学》（Nature Photonics）期刊上的论文详细描述了该技术，题目为“用紫外局部光声显微镜对新鲜生物样本进行高分辨率、高对比度中红外成像”。