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无创无标记光学方法可在体内可视化深部细胞性脑疾病

阿尔茨海默病等中枢神经系统疾病的早期表现是在大脑深处的微观(即细胞)水平。然而,能看到活大脑细胞的光学显微镜是表面的或侵入性的。全脑成像技术,如磁共振成像(MRI)是深度和非侵入性的,但缺乏细胞分辨率。

《EurekAlert》官网7月16日消息

在《光:科学与应用》 (Light: Science & Applications) 上发表的一篇新论文中,由美国纽约大学朗格医学中心(NYU Langone Health)眼科和放射学系和 Tech4Health 研究所的 Vivek J. Srinivasan 教授领导的一组科学家和同事开发了一种一种无标记光学显微镜方法,该方法具有独特的深度成像能力,具有高分辨率和最小侵入性。具体来说,他们展示了一种体内高数值孔径光学相干显微术(OCM)方法,该方法利用1700纳米的水吸收窗口,其中通过散射和吸收的光衰减被最小化。

研究于2021年7月14日发表在《Light: Science & Applications》(最新影响因子:13.714)杂志上

1700nm的吸水窗,也被称为第三个近红外(NIR)窗口,具有局部吸水最小和相对低的散射。在OCM中,更宽的光谱提供更精细的轴向分辨率,从而更强地抑制导致图像模糊的多重散射光。然而,从1560到1820纳米的整个1700纳米窗口常常没有被使用:

“从标准波长到1700纳米OCM的过渡,虽然最佳地使用了整个吸水窗口(而不仅仅是部分窗口),但由于众多的光学工程挑战,迄今为止一直非常困难,”科学家提到。

这些挑战包括有噪声的探测器和光源,严重的色散,以及缺乏标准的光学元件。科学家们通过选择低噪声超连续光源、定制的数值色散补偿方法和光学系统设计来解决这些问题。随着这些技术的进步,通过保存颅内空间的薄颅骨准备,小鼠新皮质的整个深度和一些皮质下区域的神经元细胞和髓磷脂结构可以被成像。

“该结果代表了通过微创准备的细胞规模的大脑成像的前所未有的深度。接下来我们研究了阿尔茨海默病(AD)的5xFAD小鼠模型,该模型有望显示随皮层深度的病理分级。影像结果证实深部皮质出现严重病理,而非浅表皮质,较浅表的影像技术会忽略这一点。”

该方法的另一个重要特点是,图像对比度来自于大脑本身的固有属性。OCM不需要转基因小鼠或给药。神经元胞体丢失、轴突脱髓鞘、斑块和局部组织变化均可成像。

“现在,无需外源性标记,只需简单的手术准备,就可以在小鼠大脑深处观察疾病。1700纳米的光学窗口还可以量化体内组织水和脂质含量,这可能为疾病进展提供进一步的见解。”

参考文献

Source:中国科学院长春光学精密机械与物理研究所

Noninvasive, label-free optical method visualizes deep, cellular brain disease in vivo

Reference:

Zhu, J., Freitas, H.R., Maezawa, I. et al. 1700?nm optical coherence microscopy enables minimally invasive, label-free, in vivo optical biopsy deep in the mouse brain. Light Sci Appl 10, 145 (2021). https://doi.org/10.1038/s41377-021-00586-7

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