Un nou design de lentile hibride reduce semnificativ costurile și complexitatea microscopiei 3D
O echipă condusă de Raju Tomer de la Universitatea Columbia a dezvoltat un nou design pentru microscoape și lentile de microscop care ar putea avansa imaginile 3D ale țesuturilor dincolo de sistemele de vârf, reducând în același timp costurile și complexitatea.
Biologia modernă și medicina depind din ce în ce mai mult de imagini 3D de înaltă rezoluție ale țesuturilor intacte, cum ar fi creierul și biopsiile de cancer. Aceste imagini permit cercetătorilor să cartografieze circuitele neuronale, să caracterizeze boli și să antreneze modele AI de generație următoare pentru diagnosticare. Totuși, progresele în imaginarea acestor țesuturi au fost îngreunate de lentilele care captează lumina din probe. Cercetătorii au fost nevoiți să facă compromisuri: lentilele „cu imersiune în ulei”, care ating proba printr-o picătură de ulei, oferă cele mai clare imagini, dar sunt costisitoare, pot vedea doar câțiva milimetri adânc și necesită pregătiri specifice ale probelor. Lentilele mai ieftine, care funcționează la distanță prin aer, pot pătrunde în probe de câțiva centimetri, dar produc imagini neclare când sunt utilizate cu substanțele chimice care fac țesuturile transparente pentru vizionarea 3D.
Solutia echipei Tomer, numită HySIL (Optica Hibrid Solid-Lichid), abordează ambele probleme. Aceasta combină o lentilă solidă curbată, simplă, cu un lichid de imersiune precis adaptat, astfel încât cele două să funcționeze ca un singur sistem optic continuu. Designul permite lentilelor ieftine să furnizeze imagini de înaltă rezoluție pe țesuturi de dimensiuni de centimetri și cu aproape orice metodă obișnuită de pregătire a probelor, fără modificări hardware.
Pentru a demonstra cadrul, echipa a construit un dispozitiv modular numit SCOPE care poate fi adăugat direct la microscoapele cu foaie de lumină existente. De asemenea, au dezvoltat o variantă de concept cu o rezoluție și mai mare, numită Super-SCOPE.
„Am rupt un compromis de lungă durată în microscopia între performanță și accesibilitate. Prin transformarea lichidului de imersiune într-un component optic activ, în loc de o umplutură pasivă, obținem rezoluția celor mai scumpe sisteme de laborator cu costul și dimensiunile echipamentului care se pot potrivi oriunde, de la laboratoare de predare la clinici în medii cu resurse reduse”, a declarat Raju Tomer.
Aceste tehnologii au fost de asemenea integrate într-un microscop cu foaie de lumină compact, bazat pe proiector (pLSM) dezvoltat de grupul lui Tomer în 2024, care este acum disponibil comercial sub denumirea SLICE.
Colaborând cu o rețea de parteneri academici în domeniul științelor vieții, autorii lucrării au demonstrat pLSM-SCOPE pe creiere întregi de șoareci, salamandre și pești peșteră pentru cartografierea circuitelor neuronale; țesuturi umane miniaturale cultivate în laborator, utilizate pentru studierea dezvoltării și bolilor; și biopsii de cancer uman intacte pentru patologia 3D de generație următoare. Deoarece HySIL este un cadru general, poate fi atașat și la alte tipuri de microscoape, inclusiv cele confocale, cu două fotoni și alte modalități de imagistică 3D.
„Prin facilitarea scalării imaginilor 3D, această lucrare ar putea ajuta la alimentarea generației următoare de modele AI pentru detectarea bolilor, clasificarea și prognoza”, a afirmat Tomer. „Niciuna dintre aceste demonstrații nu ar fi fost posibilă fără colaboratorii noștri minunați din neuroștiințe, biologia dezvoltării și patologie, precum și fără partenerul nostru din industrie, MBF Bioscience.”
Jack Glaser, co-fondator și CEO al MBF Bioscience, a fost co-autor al lucrării. „Un nou concept optic schimbă un domeniu doar dacă laboratoarele fără expertiză specializată în optică pot să-l folosească efectiv zi de zi”, a spus Glaser. „Ce ne oferă HySIL este combinația rară de costuri mai mici și performanță mai mare în același instrument. Integrarea acestuia într-un sistem robust și bine susținut cu foaie de lumină îl face ceva pe care laboratoarele active se pot baza pe el în neuroștiințe, cercetarea cancerului, biologia dezvoltării și patologie.”
Pentru decenii, analiza țesuturilor s-a bazat pe secțiuni subțiri, bidimensionale de țesut plasate pe lame de sticlă. Totuși, multe caracteristici biologice și ale bolilor sunt mai bine vizibile în trei dimensiuni, ceea ce permite această nouă tehnologie.
Hanina Hibshoosh, profesor de patologie și biologie celulară la Centrul Medical Irving al Universității Columbia, a fost co-autor al lucrării. „Examinarea imaginilor 3D ale țesuturilor permite observarea întregii arhitecturi a țesutului, nu doar a secțiunii transversale la care patologia a fost limitată în mod tradițional”, a declarat Hibshoosh. „Instrumentele precum pLSM-SCOPE care fac acest tip de imagistică accesibilă și abordabilă vor deveni din ce în ce mai importante pe măsură ce AI ne ajută să analizăm cantități din ce în ce mai mari de date despre țesuturi pentru diagnosticare și prognoză.”
Cercetarea a fost susținută de Institutul Național de Sănătate. Universitatea Columbia a depus cereri de brevet legate de fiecare dintre tehnologiile descrise în lucrare. Tomer a fost consultant plătit pentru MBF Bioscience pentru implementarea pLSM ca SLICE, iar mai mulți dintre co-autorii lucrării sunt angajați ai MBF Bioscience.
Alții de la Columbia care au contribuit la această lucrare includ profesorii Rene Hen, Christopher Makinson și Maria Tosches; cercetătorii postdoctorali Sudha Guttikonda și Giacomo Gattoni; candidații doctorali Cheng Gong și Pauline Affatato; și asociatul de cercetare Daniel De La Cruz.
„Tipul de acces la datele despre țesuturi pe care această tehnologie îl oferă va fi transformator pe măsură ce biologia și medicina depind din ce în ce mai mult de seturi de date imagistice dense la scară tisulară”, a declarat Tomer.
