Ca tehnică de imagistică fără marker, imagistica optică neliniară multimodală (NLOI) a devenit un instrument puternic pentru evaluarea cancerului. Pentru a evita artefactele de mișcare și daunele optice asociate cu NLOI multimodal, o soluție este utilizarea unui singur laser ultrarapid ca sursă de excitație combinată cu mai multe canale de detectare pentru a colecta semnale de la diferite modalități pentru a observa diferite biomolecule. Cu toate acestea, în acest caz, fiecare mod nu poate fi optimizat independent și este necesară o sursă de excitație adecvată pentru a excita toate modurile NLOI. Microscopia cu fluorescență spontană multiplexată (SLAM) fără etichetă, cu lungimea de undă de excitație setată la 1110 nm, permite colectarea simultană de semnale din patru moduri într-o singură condiție de excitare prin diferite canale de detectare a semnalului, dobândind fluorescență cu doi fotoni (2PAF) pentru FAD , fluorescență de trei fotoni (3PAF) pentru NADH, frecvență de două octave (SHG) pentru structurile colagenoase și frecvență de trei octave (THG) pentru mutația indicelui de refracție. semnale de frecvență (THG) la mutațiile indicelui de refracție. În prezent, majoritatea surselor de lumină utilizate pentru a conduce microscoapele SLAM trebuie să cupleze impulsuri ultrascurte în fibre sau cristale de cristal fotonic pentru a obține conversia lungimii de undă, care implică costuri ridicate, amprentă mare, funcționare complicată și incapacitatea de funcționare stabilă pe termen lung.
To address the above problems and difficulties, the L07 group of Institute of Physics, Chinese Academy of Sciences/Beijing National Research Center for Condensed Matter Physics (NRCP), based on many years of research on ultrafast fiber lasers, proposed a Yb-doped fiber laser with dual management of pre-chirp and gain, and finally obtained a pulse with a wavelength of 1110 nm, an energy of more than 90 nJ, a pulse width of 34 fs, and peak power of close to 3 MW, by finely adjusting the input energy and pre-chirp. With a wavelength of >90nJ, o lățime a impulsului de 34fs și o putere de vârf de aproape 3MW, sursa de lumină este compactă și stabilă, obținând în același timp o calitate excelentă a impulsului pentru a conduce microscoape SLAM pentru imagistica medicală.
Figura 1 prezintă schema schematică a sistemului laser cu fibră dopată cu iterbiu cu management dual de pre-chirp și câștig. Este format dintr-o sursă de semințe, un modul de pre-amplificare, un modul de pre-chirp, un modul de amplificare gestionată cu câștig (GMA) și un modul de compresie. Sursa de semințe oferă un impuls de semințe cu o lungime de undă centrală de 104{{0 nm, o energie a impulsului de 0,2 nJ și o frecvență de repetiție de 43 MHz. Pulsul de semințe este preamplificat de o fibră dopată cu Yb de 40 cm lungime și o pereche de grătare este plasată în fața modulului GMA pentru a introduce dispersia, iar la ieșirea preamplificată se adaugă un pre-ciripit negativ sau pozitiv. puls prin reglarea distanței dintre grătare. Alte impulsuri pre-ciripit sunt amplificate într-o fibră dopată Yb de 3,1 m lungime pentru gestionarea câștigului. Al doilea impuls amplificat este comprimat printr-o altă pereche de rețele de transmisie. Efectul acestor parametri asupra calității compresiei pulsului este explorat prin reglarea fină a energiei de intrare și pre-chirp, iar rezultatele experimentale sunt prezentate în Fig. 2 și 3, care arată că impulsurile de calitate superioară pot fi produse la o gamă de putere a pompei, energie de intrare și ciripit negativ adecvat. Când puterea pompei este de 9 W, energia impulsului de intrare este de 0,6 nJ, iar pre-chiripul este -36000 fs2, un impuls cu o lungime de undă centrală de 1110 nm, o lățime a impulsului de 34 fs, o energie de 92,2 nJ, și se obține o putere de vârf de aproape 3 MW, care este foarte potrivită pentru conducerea microscoapelor SLAM pentru imagistica medicală.
Imagine Fig. 2. Efectul diferitelor energii ale impulsurilor de intrare asupra compresiei impulsului GMA la o putere a pompei de 9 W și un pre-chirp de -36000 fs2. (a) Lățimea impulsului de compresie și raportul Strehl la diferite energii de intrare. (b) Spectre de ieșire la diferite energii de intrare. (c) Curba roșie: traiectoria de autocorelare măsurată a pulsului comprimat, curba neagră: traiectoria de autocorelație a impulsului limită transformat, obținută prin calcul spectral
Fig. 3. Efectul diferitelor pre-ciripii asupra compresiei impulsului GMA pentru o energie a impulsului de intrare de 0.6 nJ și o putere a pompei de 9 W. Rezultatele sunt rezumate după cum urmează (a) Lățimea impulsului comprimat și Raportul Strehl pentru diferite pre-ciripii. (b) Spectre de ieșire la diferite pre-ciripii. (c) Curba roșie: traiectoria de autocorelație măsurată a impulsului comprimat, curba neagră: traiectoria de autocorelație a impulsului limită transformat, obținută prin calcul spectral.
Echipa a aplicat această sursă de lumină ultrarapidă pentru a studia patologia tumorii în diferite țesuturi, inclusiv adenocarcinomul intestinal, adenocarcinomul pulmonar și țesuturile hepatice, pentru a vizualiza simultan componentele celulare și extracelulare prin tehnica SLAM. O imagine SLAM a țesutului de adenocarcinom intestinal este prezentată în Figura 4, unde verdele indică SHG, magenta indică THG, galbenul indică 2PEF și albastru indică 3PEF. Imagistica SLAM poate oferi detalii celulare și tisulare mult mai bogate decât imaginile convenționale colorate cu H&E, care pot ajută la înțelegerea modificărilor biocomponentelor atât în tumori, cât și în țesuturile normale și la căutarea biomarkerilor pentru diagnosticul și prognosticul cancerului.
Imagine Figura 4. (a) Imagistica SHG/THG/2PEF/3PEF a țesutului de adenocarcinom intestinal. Diferite regiuni de interes sunt mărite în (c) - (e) (pătrate albe punctate). (b) Imagini de colorare H&E corespunzătoare. (c) Imagistica 2PEF/3PEF a țesutului normal al mucoasei intestinale. (d) Imagistica SHG/THG a țesutului mucoasei intestinale normale. (e) Imagistica SHG a fibrelor interstițiale și vacuolelor adipoase, săgeată roșie: glandă intestinală, săgeată albastră: membrană bazală, săgeată verde: mucus secretat de celulele cupei, săgeată albă: macrofage, săgeată galbenă: fibre interstițiale, săgeată violetă: vacuole adipoase. Bară de scară: 200 μm
În ansamblu, echipa de cercetare a obținut o generare de puls ultrarapidă de înaltă calitate prin dezvoltarea unui laser cu fibră dopată Yb cu dublă gestionare pre-ciripit și câștig, care a fost aplicat cu succes imagistică SLAM, o tehnică care poate oferi detalii celulare și tisulare mai bogate, care poate ajuta la studiile oncopatologice și la diagnosticarea cancerului. În plus, sursa de lumină ultrarapidă este compactă și robustă, ceea ce o face ideală pentru utilizarea într-un cadru clinic pentru evaluarea rapidă și cuprinzătoare a diferitelor procese fiziologice și patologice. Rezultatele inovatoare ale acestui studiu sunt de așteptat să avanseze în domeniul diagnosticului medical și al terapiei prin furnizarea de informații mai precise și mai cuprinzătoare pentru diagnosticarea cancerului, evaluarea eficacității și tratamentul individualizat. Pe măsură ce tehnologia continuă să avanseze și să fie optimizată, imagistica SLAM este de așteptat să joace un rol mai important în practica clinică în viitor. Dispozitivul și dispozitivul de bază asociate cu acest progres au fost aplicate pentru brevetele naționale de invenție.
Rezultatele au fost publicate într-o ediție recentă a Biomedical Optics Express, un jurnal al Societății Optice din America (10.1364/BOE.506915), iar primul autor al lucrării este Yuting Xing, un doctorand coordonat de cercetătorul Guoqing Chang.
Această lucrare a fost susținută de Fundația Națională de Științe Naturale din China (grantul nr. 92250307, 62227822 și 62175255) și Programul de dezvoltare a instrumentelor importante al Academiei Chineze de Științe (grant nr. YJKYYQ20190034). Cercetătorul Guoqing Chang și Dr. Yaobing Chen de la Spitalul Wuhan Tongji au fost autorii corespunzători, iar studenții doctoranzi Runshi Chen, Lihao Zhang, Yang Liu, Xinzai Diao și cercetătorul Shu Zhang de la Spitalul Wuhan Tongji, prof. Yishi Shi și cercetătorul Zhiyi Wei de la Universitatea ai Academiei Chineze de Științe au fost, de asemenea, implicați în proiectarea și discutarea acestei lucrări.
