您现在的位置：主页 >  行业要闻>正文

新观点：影像研究揭示了看不见的东西 聚看点

2023-03-14 19:56:26     来源 : 互联网

化学家陆薇还记得自己第一次真正看到研究成果的情景。当她还是一名研究生并与她的实验室伙伴一起制作显微镜时，这一刻到来了。“当我们得到第一张图片时，我真的跳来跳去，”Wei说。“眼见为实。”


(相关资料图)

从那以后，魏炜就一直沉浸在这种兴奋感中。现在，在加州理工学院自己的实验室里，她使用新的光谱学和显微镜方法来深入研究生物组织并跟踪活细胞中的单个分子。Wei只是该研究所众多科学家和工程师之一，他努力为小到单个细胞，像乳腺癌肿瘤一样致命，远到黑洞的物体制作更好的照片。

为了更深入、更远、更快地观察，这些研究人员通过使用新方法(包括一些结合人工智能 (AI) 的方法)来识别人眼范围之外的模式，从而突破了传统技术的界限。

良好的振动

为了真正了解疾病并开发出更好的治疗方法，人们需要知道细胞水平上身体正在发生什么。Wei旨在设计创新的成像技术，利用化学键的独特振动 - 由于原子的不断运动而拉伸和弯曲 - 使用检测到的振动作为坐标，以高精度和高分辨率可视化小生物分子。

“例如，水分子由以特定频率振动的O和H键组成，”Wei解释说。“我们可以检测到这种振动，并绘制出水在我们的细胞，组织和身体中的位置。

Wei的团队已经建立了关于不同化学键如何振动的知识，并开发了无毒的化学标签，可以发出特定的振动。这些标签可以引入分子中，以帮助研究人员在活细胞的复杂环境中追踪它们。

多亏了Wei开发的一种可以捕捉细微振动的专用显微镜，她已经能够探测不同类型细胞内的代谢过程或维持生命的化学反应。

“对于癌症和其他疾病，我们正试图找到与新陈代谢相关的新的或额外的靶点，以帮助提高治疗效率，”Wei说。

“以前，我们使用这种方法在干细胞水平上查明黑色素瘤癌细胞中的几种代谢易感性。令人印象深刻的是，我们能够识别出与一种非常具有侵袭性的癌细胞直接相关的过程。

现在，她使用相同的技术和过程来探索心血管疾病和脑组织中的代谢调节。

“因为我们是化学领域的，所以我们喜欢了解某些东西是如何被控制的，”Wei说。这种对系统监管方式的深入研究也可用于使锂离子电池更安全的努力。

继Wei在2018年发起的一个项目之后，该团队计划跟踪充电周期中电池中电解质分布的化学动力学，以找出如何保持电池冷却的方法。这可能有助于解决当前的安全问题，包括火灾，通常是由电解质失衡引起的。

“除了生物学，这仍然是我的主要兴趣，我们正在开发的仪器和技术对可再生能源和材料科学等其他领域也有潜在的应用，我计划进一步探索，”她说。

用声音看

化学工程师米哈伊尔·夏皮罗(Mikhail Shapiro)还希望逐个细胞跟踪体内的功能，以开发更好的健康诊断和疗法：鉴于人体拥有约37万亿个细胞，这并非易事。但他使用一种不同的振动——声波，而不是运动引起的振动——来想象细胞自然栖息地深处的活动。

为此，夏皮罗开创了一种技术，利用基因工程制造被称为“声学报告基因”的基因，当插入细胞时会产生称为气体囊泡的充满空气的蛋白质。这些囊泡或“声学蛋白质”含有可以反射声波的空气袋，这使得它们能够使用世界上最广泛使用的成像技术之一：超声波进行定位和跟踪。

“挑战在于，从历史上看，超声波向我们展示了解剖结构，比如骨骼和肌肉的位置，但它不能向我们展示特定的细胞，”夏皮罗说。

“现在，我们不仅可以看到细胞的位置，而且还可以查看它们的功能，因为我们只能对它们进行编程，以便在特定条件下制造气体囊泡。这为以前不可能的深层组织细胞成像开辟了新的潜力。

夏皮罗和他的团队还可以将超声波放大到可以弹出气体囊泡的强度，而不仅仅是敲击它们;这导致更强的信号，使研究人员能够看到更少量的囊泡。

这种增加的灵敏度可以潜在地改善对肠道微生物组的研究，大部分免疫细胞都生活在肠道微生物组，因为它能够在许多细胞的海洋中仅停留少数细胞。“我们的近期目标之一是可视化免疫细胞，因为它们在身体周围寻找和攻击病原体或肿瘤，”夏皮罗说。“我们想实时观看这场戏剧的上演。

作为一个本科学习神经科学的人，夏皮罗在学习大脑方面也投入了大量资金。事实上，缺乏有效的非侵入性技术来研究神经元是促使夏皮罗攻读生物工程博士学位的原因。

去年，他获得了美国国立卫生研究院通过推进创新神经技术(BRAIN)计划的两项神经科学研究的资助。其中一个由BRAIN资助的项目旨在使用全脑范围的超声波对神经活动进行成像，以帮助理解和开发更好的神经系统疾病治疗方法。

另一项研究集中在脑机接口上，它涉及使用超声波以比当前植入物侵入性更小的方式记录大脑信号。例如，从这项研究中获得的信息可用于帮助瘫痪患者学习使用神经修复器执行各种任务。

最终，夏皮罗希望他开发的技术将成为各种类型研究的典范，世界各地的生物实验室将超声波机器放在他们的光学显微镜旁边。

“此外，如果医生开始使用超声波来观察他们的细胞和基因疗法在体内的位置以及它们在做什么，那么如果治疗没有发挥他们想要的作用，他们就可以采取纠正措施，”他说。“我希望我们的声学蛋白质将使更多的实验室能够看到生物体内以前看不见的东西。

激光聚焦

2014年，加州理工学院工程师王立宏(Lihong Wang)宣布，他已经成功地制造了世界上最快的相机，这是第一台能够在移动时捕获光脉冲或激光束的相机。从那以后，他改进了自己的技术，并制造了可以慢动作看到光散射的相机，观察看似透明的物体，并制作3D视频。

“在完全了解世界和自然之前，我们必须了解光，”王说。“如果爱因斯坦仍然正确的话，光具有最终的速度极限。使用我们的相机，我们第一次能够以光速看到光脉冲。

去年，在《科学进展》杂志上，王先生报道了他的团队使用压缩超快摄影(CUP)相机研究混沌系统的进展，该相机的速度能够达到每秒70万亿帧。混沌系统，如空气湍流和某些天气条件，以表现出起初可预测但随着时间的推移变得越来越随机的行为而著称。

他们的实验观察到激光 - 以极高的速度移动 - 在一个旨在引起混沌反射的腔室中散射。弄清楚光在混沌条件下如何移动具有物理，通信，密码学和飞行导航应用。

此外，经过一些修改，Wang首次使用他的超快相机捕捉通过神经细胞传播的信号，这一壮举在6月<>日的《自然通讯》上报道。

像夏皮罗一样，王也创造了利用超声波但与激光相结合的医学成像技术。他发明了许多光声成像技术，将光和声波结合起来，在没有辐射风险的情况下深入、无创地观察生物组织。

例如，他用于检测乳腺癌肿瘤的激光声波扫描仪目前正在开发用于医疗机构。它可以在15秒内精确定位肿瘤，而不会像乳房X光检查那样不适或辐射，这是目前乳腺癌筛查的黄金标准。

“我们使用具有正确颜色的安全剂量的激光，实际上可以深入生物组织，但光线不会像X射线那样直行;它只会四处游荡，“王解释道。

“这就是我们诉诸光声的原因。当血液血红蛋白等分子吸收光时，它们会开始振动，而这种振动就是声源。我们捕获该声音信号，然后我们可以确定该信号的来源并形成图像。

他将这个过程比作闪电和雷声的工作原理：闪电是激光脉冲，雷声是你期望在几秒钟后听到的声音。就像你可以利用这些天气现象之间的时间对风暴的位置进行三角测量一样，王和他的合作者可以在体内构建图像。

“你可以说，我们正在将眼睛所能看到的东西扩展到皮肤之外，”王说，他最近使用他的光声成像技术观察大脑内部并检测血液浓度和氧合的微小变化。“我们正在向外科医生展示他们在切开尸体后会看到什么，而不必这样做。

新角度

当王努力看穿物体时，杨昌辉也试图看到周围的物体。2022 年 <> 月，他和他的实验室成员在《自然光子学》上报道了一种可以检测观众视线外感兴趣物体的技术。

成像方法通过使用波前整形进行操作，其中光线从墙壁上倾斜以产生聚焦的光点来扫描物体，使研究人员能够看到看不见的东西。

标签：

推荐文章

最新资讯

精彩图文