La prima sonda uasonica a fibra ottica al mondo per la futura diagnostica delle malattie su scala nanometrica

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Concept art che mostra la mappatura 3D di oggetti microscopici mediante il sistema di sonde fononiche. La fibra ottica contiene uno strato metallico sulla sua punta e proietta luce laser rossa nel campione CREDITO Dott. Salvatore La Cavera

Abstract:
Gli scienziati dell'Università di Nottingham hanno sviluppato un sistema di imaging a ultrasuoni, che può essere distribuito sulla punta di una fibra ottica sottile come un capello, e sarà inseribile nel corpo umano per visualizzare le anomalie cellulari in 3D.

La prima sonda di imaging a ultrasuoni in fibra ottica al mondo per la futura diagnostica delle malattie su scala nanometrica

Nottingham, Regno Unito | Pubblicato il 30 aprile 2021

La nuova tecnologia produce immagini a risoluzione microscopica e nanoscopica che un giorno aiuteranno i medici a esaminare le cellule che abitano parti del corpo difficili da raggiungere, come il tratto gastrointestinale, e offriranno diagnosi più efficaci per malattie che vanno dal cancro gastrico alla meningite batterica.

L'alto livello di prestazioni che la tecnologia offre è attualmente possibile solo nei laboratori di ricerca all'avanguardia con strumenti scientifici di grandi dimensioni, mentre questo sistema compatto ha il potenziale per portarlo in contesti clinici per migliorare la cura del paziente.

L'innovazione finanziata dall'Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC) riduce anche la necessità di etichette fluorescenti convenzionali - sostanze chimiche utilizzate per esaminare la biologia cellulare al microscopio - che possono essere dannose per le cellule umane in grandi dosi.

I risultati sono stati riportati in un nuovo articolo, intitolato "Phonon imaging in 3D with a fiber probe", pubblicato sulla rivista Nature, Light: Science & Applications.

L'autore dell'articolo, Salvatore La Cavera, membro del premio di dottorato EPSRC del gruppo di ricerca sull'ottica e la fotonica dell'Università di Nottingham, ha dichiarato del sistema di imaging a ultrasuoni: "Riteniamo che la sua capacità di misurare la rigidità di un campione, la sua biocompatibilità e la sua il potenziale endoscopico, il tutto mentre si accede alla nanoscala, sono ciò che lo distingue. Queste caratteristiche preparano la tecnologia per misurazioni future all'interno del corpo; verso l'obiettivo finale della diagnostica point-of-care minimamente invasiva".

Attualmente allo stadio di prototipo, lo strumento di imaging non invasivo, descritto dai ricercatori come una "sonda fononica", è in grado di essere inserito in un endoscopio ottico standard, che è un tubo sottile con una potente luce e una fotocamera all'estremità che è navigato nel corpo per trovare, analizzare e operare su lesioni cancerose, tra molte altre malattie. La combinazione di tecnologie ottiche e fononiche potrebbe essere vantaggiosa; accelerare il processo del flusso di lavoro clinico e ridurre il numero di procedure di test invasive per i pazienti.

Funzionalità di mappatura 3D

Proprio come un medico potrebbe condurre un esame fisico per rilevare una "rigidità" anormale nel tessuto sotto la pelle che potrebbe indicare tumori, la sonda fononica porterà questo concetto di "mappatura 3D" a livello cellulare.

Scansionando la sonda ultrasonica nello spazio, è possibile riprodurre una mappa tridimensionale della rigidità e delle caratteristiche spaziali delle strutture microscopiche in corrispondenza e al di sotto della superficie di un campione (es. tessuto); lo fa con il potere di visualizzare piccoli oggetti come un microscopio su larga scala e il contrasto per differenziare oggetti come una sonda a ultrasuoni.

“Tecniche in grado di misurare se una cellula tumorale è rigida sono state realizzate con microscopi da laboratorio, ma questi potenti strumenti sono ingombranti, immobili e inadattabili alle impostazioni cliniche rivolte al paziente. La tecnologia a ultrasuoni su scala nanometrica in capacità endoscopica è pronta a fare quel salto", aggiunge Salvatore La Cavera.

Come funziona

Il nuovo sistema di imaging ad ultrasuoni utilizza due laser che emettono brevi impulsi di energia per stimolare e rilevare le vibrazioni in un campione. Uno degli impulsi laser viene assorbito da uno strato di metallo – un nanotrasduttore (che funziona convertendo l'energia da una forma all'altra) – fabbricato sulla punta della fibra; un processo che si traduce in fononi ad alta frequenza (particelle sonore) che vengono pompati nel campione. Quindi un secondo impulso laser si scontra con le onde sonore, un processo noto come diffusione Brillouin. Rilevando questi impulsi laser "in collisione", la forma dell'onda sonora in viaggio può essere ricreata e visualizzata visivamente.

L'onda sonora rilevata codifica le informazioni sulla rigidità di un materiale e persino sulla sua geometria. Il team di Nottingham è stato il primo a dimostrare questa doppia capacità utilizzando laser pulsati e fibre ottiche.

La potenza di un dispositivo di imaging è tipicamente misurata dall'oggetto più piccolo che può essere visto dal sistema, ovvero la risoluzione. In due dimensioni la sonda fononica può “risolvere” oggetti dell'ordine di 1 micrometro, simile a un microscopio; ma nella terza dimensione (altezza) fornisce misurazioni sulla scala dei nanometri, il che non ha precedenti per un sistema di imaging a fibre ottiche.

Applicazioni future

Nel documento, i ricercatori dimostrano che la tecnologia è compatibile sia con una singola fibra ottica che con le 10-20,000 fibre di un fascio di immagini (1 mm di diametro), utilizzate negli endoscopi convenzionali.

Di conseguenza, una risoluzione spaziale superiore e ampi campi visivi potrebbero essere ottenuti regolarmente raccogliendo rigidità e informazioni spaziali da più punti diversi su un campione, senza la necessità di spostare il dispositivo, portando a portata di mano una nuova classe di endoscopi fononici.

Oltre all'assistenza sanitaria clinica, campi come la produzione di precisione e la metrologia potrebbero utilizzare questo strumento ad alta risoluzione per le ispezioni superficiali e la caratterizzazione dei materiali; una misurazione complementare o sostitutiva per gli strumenti scientifici esistenti. Tecnologie in espansione come la biostampa 3D e l'ingegneria tissutale potrebbero anche utilizzare la sonda fononica come strumento di ispezione in linea integrandola direttamente nel diametro esterno dell'ago di stampa.

Successivamente, il team svilupperà una serie di applicazioni di imaging biologico di cellule e tessuti in collaborazione con il Nottingham Digestive Diseases Center e l'Istituto di biofisica, imaging e scienze ottiche dell'Università di Nottingham; con l'obiettivo di creare uno strumento clinico praticabile nei prossimi anni.

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Contatti:
Emma Lowry
44-011-584-67156

Maggiori informazioni sono disponibili presso Salvatore La Cavera III in poi

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