नॉनइनवेसिव इमेजिंग विधि जीवित ऊतकों में गहराई तक प्रवेश कर सकती है

लेकिन जब प्रकाश जैविक ऊतक में चमकता है तो बिखर जाता है, जिससे यह कितनी गहराई तक प्रवेश कर सकता है यह सीमित हो जाता है और कैप्चर की गई छवियों के रिज़ॉल्यूशन में बाधा आती है।

अब, एमआईटी शोधकर्ताओं ने एक नई तकनीक विकसित की है जो चयापचय इमेजिंग की सामान्य गहराई सीमा को दोगुना से अधिक कर देती है। उनकी विधि इमेजिंग गति को भी बढ़ाती है, जिससे समृद्ध और अधिक विस्तृत छवियां प्राप्त होती हैं।

इस नई तकनीक में ऊतक को पूर्व-संसाधित करने की आवश्यकता नहीं होती है, जैसे कि इसे काटना या रंगों से रंगना। इसके बजाय, एक विशेष लेजर ऊतक में गहराई से रोशनी डालता है, जिससे कोशिकाओं और ऊतकों के भीतर कुछ आंतरिक अणु प्रकाश उत्सर्जित करते हैं। यह ऊतक को बदलने की आवश्यकता को समाप्त करता है, इसकी संरचना और कार्य का अधिक प्राकृतिक और सटीक प्रतिनिधित्व प्रदान करता है।

शोधकर्ताओं ने गहरे ऊतकों के लिए लेजर प्रकाश को अनुकूलित रूप से अनुकूलित करके इसे हासिल किया। हाल ही में विकसित फाइबर शेपर का उपयोग करके – एक उपकरण जिसे वे मोड़कर नियंत्रित करते हैं – वे बिखरने को कम करने और सिग्नल को अधिकतम करने के लिए प्रकाश के रंग और दालों को ट्यून कर सकते हैं क्योंकि प्रकाश ऊतक में गहराई से यात्रा करता है। इससे उन्हें जीवित ऊतकों में बहुत आगे तक देखने और स्पष्ट छवियां खींचने की अनुमति मिलती है।

अधिक प्रवेश गहराई, तेज गति और उच्च रिज़ॉल्यूशन इस विधि को कैंसर अनुसंधान, ऊतक इंजीनियरिंग, दवा खोज और प्रतिरक्षा प्रतिक्रियाओं के अध्ययन जैसे मांग वाले इमेजिंग अनुप्रयोगों के लिए विशेष रूप से उपयुक्त बनाते हैं।

इलेक्ट्रिकल इंजीनियरिंग और कंप्यूटर विज्ञान विभाग में सहायक प्रोफेसर सिक्सियन यू कहते हैं, “यह काम लेबल-मुक्त चयापचय इमेजिंग के लिए गहराई से प्रवेश के मामले में एक महत्वपूर्ण सुधार दिखाता है। यह जीवित जैव प्रणालियों में गहराई से चयापचय गतिशीलता का अध्ययन और खोज करने के लिए नए रास्ते खोलता है।” (ईईसीएस), इलेक्ट्रॉनिक्स अनुसंधान प्रयोगशाला के सदस्य और इस इमेजिंग तकनीक पर एक पेपर के वरिष्ठ लेखक।

पेपर में उनके साथ मुख्य लेखिका कुन्ज़न लियू, एक ईईसीएस स्नातक छात्रा, शामिल हैं; टोंग किउ, एक एमआईटी पोस्टडॉक; हांगहाओ काओ, एक ईईसीएस स्नातक छात्र; फैन वांग, मस्तिष्क और संज्ञानात्मक विज्ञान के प्रोफेसर; रोजर कैम, सेसिल और इडा ग्रीन जैविक और मैकेनिकल इंजीनियरिंग के प्रतिष्ठित प्रोफेसर; लिंडा ग्रिफ़िथ, स्कूल ऑफ़ इंजीनियरिंग में बायोलॉजिकल इंजीनियरिंग विभाग में टीचिंग इनोवेशन की प्रोफेसर; और अन्य एमआईटी सहयोगी। शोध में दिखाई देगा विज्ञान उन्नति.

कम-फ़ोकस

यह नई विधि लेबल-मुक्त इमेजिंग की श्रेणी में आती है, जिसका अर्थ है कि ऊतक पर पहले से दाग नहीं लगाया जाता है। धुंधलापन विरोधाभास पैदा करता है जो नैदानिक ​​जीवविज्ञानी को कोशिका नाभिक और प्रोटीन को बेहतर ढंग से देखने में मदद करता है। लेकिन धुंधला होने के लिए आमतौर पर जीवविज्ञानी को नमूने को विभाजित करने और टुकड़े करने की आवश्यकता होती है, एक ऐसी प्रक्रिया जो अक्सर ऊतक को मार देती है और जीवित कोशिकाओं में गतिशील प्रक्रियाओं का अध्ययन करना असंभव बना देती है।

लेबल-मुक्त इमेजिंग तकनीकों में, शोधकर्ता कोशिकाओं के भीतर विशिष्ट अणुओं को रोशन करने के लिए लेजर का उपयोग करते हैं, जिससे वे विभिन्न रंगों के प्रकाश का उत्सर्जन करते हैं जो विभिन्न आणविक सामग्री और सेलुलर संरचनाओं को प्रकट करते हैं। हालाँकि, गहरे ऊतक इमेजिंग के लिए कुछ तरंग दैर्ध्य और उच्च गुणवत्ता वाली दालों के साथ आदर्श लेजर प्रकाश उत्पन्न करना चुनौतीपूर्ण रहा है।

शोधकर्ताओं ने इस सीमा को पार करने के लिए एक नया दृष्टिकोण विकसित किया। वे एक मल्टीमोड फाइबर का उपयोग करते हैं, एक प्रकार का ऑप्टिकल फाइबर जो महत्वपूर्ण मात्रा में बिजली ले जा सकता है, इसे “फाइबर शेपर” नामक एक कॉम्पैक्ट डिवाइस के साथ जोड़ा जा सकता है। यह शेपर उन्हें फाइबर के आकार को अनुकूलित रूप से बदलकर प्रकाश प्रसार को सटीक रूप से नियंत्रित करने की अनुमति देता है। फ़ाइबर को मोड़ने से लेज़र का रंग और तीव्रता बदल जाती है।

पूर्व कार्य के आधार पर, शोधकर्ताओं ने गहन मल्टीमॉडल मेटाबोलिक इमेजिंग के लिए फाइबर शेपर के पहले संस्करण को अनुकूलित किया।

काओ कहते हैं, “हम इस सारी ऊर्जा को उन रंगों में प्रवाहित करना चाहते हैं जिनकी हमें पल्स गुणों के साथ आवश्यकता है। इससे हमें उच्च पीढ़ी दक्षता और ऊतकों के भीतर भी एक स्पष्ट छवि मिलती है।”

एक बार जब उन्होंने नियंत्रणीय तंत्र का निर्माण कर लिया, तो उन्होंने प्रकाश की लंबी तरंग दैर्ध्य उत्पन्न करने के लिए शक्तिशाली लेजर स्रोत का लाभ उठाने के लिए एक इमेजिंग प्लेटफ़ॉर्म विकसित किया, जो जैविक ऊतकों में गहरी पैठ के लिए महत्वपूर्ण है।

लियू कहते हैं, “हमारा मानना ​​है कि इस तकनीक में जैविक अनुसंधान को महत्वपूर्ण रूप से आगे बढ़ाने की क्षमता है। इसे जीवविज्ञान प्रयोगशालाओं के लिए किफायती और सुलभ बनाकर, हम वैज्ञानिकों को खोज के लिए एक शक्तिशाली उपकरण के साथ सशक्त बनाने की उम्मीद करते हैं।”

गतिशील अनुप्रयोग

जब शोधकर्ताओं ने अपने इमेजिंग उपकरण का परीक्षण किया, तो प्रकाश एक जैविक नमूने में 700 माइक्रोमीटर से अधिक प्रवेश करने में सक्षम था, जबकि सबसे अच्छी पूर्व तकनीक केवल 200 माइक्रोमीटर तक ही पहुंच सकी थी।

लियू कहते हैं, “इस नई प्रकार की गहरी इमेजिंग के साथ, हम जैविक नमूनों को देखना चाहते हैं और कुछ ऐसा देखना चाहते हैं जो हमने पहले कभी नहीं देखा है।”

गहरी इमेजिंग तकनीक ने उन्हें जीवित प्रणाली के भीतर कई स्तरों पर कोशिकाओं को देखने में सक्षम बनाया, जो शोधकर्ताओं को विभिन्न गहराई पर होने वाले चयापचय परिवर्तनों का अध्ययन करने में मदद कर सकता है। इसके अलावा, तेज़ इमेजिंग गति उन्हें इस बारे में अधिक विस्तृत जानकारी इकट्ठा करने की अनुमति देती है कि किसी कोशिका का चयापचय उसके आंदोलनों की गति और दिशा को कैसे प्रभावित करता है।

यह नई इमेजिंग विधि ऑर्गेनोइड्स के अध्ययन को बढ़ावा दे सकती है, जो इंजीनियर कोशिकाएं हैं जो अंगों की संरचना और कार्य की नकल करने के लिए विकसित हो सकती हैं। कैम और ग्रिफ़िथ प्रयोगशालाओं के शोधकर्ता मस्तिष्क और एंडोमेट्रियल ऑर्गेनोइड के विकास में अग्रणी हैं जो रोग और उपचार मूल्यांकन के लिए अंगों की तरह विकसित हो सकते हैं।

हालाँकि, ऊतक को काटे या दाग लगाए बिना आंतरिक विकास का सटीक निरीक्षण करना चुनौतीपूर्ण रहा है, जो नमूने को नष्ट कर देता है।

यह नई इमेजिंग तकनीक शोधकर्ताओं को जीवित ऑर्गेनॉइड के विकास के दौरान उसके अंदर चयापचय स्थितियों की गैर-आक्रामक रूप से निगरानी करने की अनुमति देती है।

इन और अन्य बायोमेडिकल अनुप्रयोगों को ध्यान में रखते हुए, शोधकर्ता और भी उच्च-रिज़ॉल्यूशन वाली छवियों का लक्ष्य रखने की योजना बना रहे हैं। साथ ही, वे कम शोर वाले लेजर स्रोत बनाने पर काम कर रहे हैं, जो कम प्रकाश खुराक के साथ गहरी इमेजिंग को सक्षम कर सकते हैं।

वे ऐसे एल्गोरिदम भी विकसित कर रहे हैं जो उच्च रिज़ॉल्यूशन में जैविक नमूनों की पूर्ण 3डी संरचनाओं का पुनर्निर्माण करने के लिए छवियों पर प्रतिक्रिया करते हैं।

लंबे समय में, वे इस तकनीक को वास्तविक दुनिया में लागू करने की उम्मीद करते हैं ताकि जीवविज्ञानियों को नई दवाओं के विकास में सहायता के लिए वास्तविक समय में दवा प्रतिक्रिया की निगरानी करने में मदद मिल सके।

“ऊतकों में गहराई तक पहुंचने वाली मल्टीमॉडल मेटाबोलिक इमेजिंग को सक्षम करके, हम वैज्ञानिकों को उनकी प्राकृतिक अवस्था में गैर-पारदर्शी जैविक प्रणालियों का निरीक्षण करने की अभूतपूर्व क्षमता प्रदान कर रहे हैं। हम इसकी सीमाओं को आगे बढ़ाने के लिए चिकित्सकों, जीवविज्ञानी और बायोइंजीनियरों के साथ सहयोग करने के लिए उत्साहित हैं। प्रौद्योगिकी और इन अंतर्दृष्टियों को वास्तविक दुनिया की चिकित्सा सफलताओं में बदल दें,” आप कहते हैं।

यह शोध आंशिक रूप से एमआईटी स्टार्टअप फंड, यूएस नेशनल साइंस फाउंडेशन कैरियर अवार्ड, एमआईटी इरविन जैकब्स और जोन क्लेन प्रेसिडेंशियल फ़ेलोशिप और एमआईटी कैलाथ फ़ेलोशिप द्वारा वित्त पोषित है।