רקמות מבוסס Agarose מחקה פאנטום אופטי עבור ' מאטום לשקוף ' ספקטרוסקופיה
22 באוגוסט 2018
כאן, נדגים כיצד מבוססי agarose מחקה רקמות פאנטום אופטי נעשות וכיצד התכונות האופטיות שלהם נקבעים באמצעות מערכת אופטית קונבנציונאלי עם כדור שילוב.
טיל זה יכול לסייע בטיפול בסוגיות מפתח בתחום האופטיקה הביו-רפואית כגון פיתוח טילים אופטיים המבוססים על ספקטרוסקופיה מחזירת אור מפוזרת. היתרון העיקרי של טכניקה זו הוא שניתן לייצג רקמות ביולוגיות חיות ובלתי נראות לאזור המוח של קרני אינפרא אדום באמצעות חומרים זמינים בקלות. יצירת פנטומים ג'ל חד שכבתיים דורשת שימוש בתבניות.
תבנית הפנטום האפידרמיס מורכבת מפלטה אקרילית בעובי מילימטר אחד שנחתכה לצורת U. יש גם גודל צלחת אקרילית בעובי של עד מילימטר לכיסוי הצלחת הראשונה. צלחת זו מהווה צד אחד של התבנית.
צלחת שנייה בעובי שני מילימטרים יוצרת את הצד השני של התבנית. כשהרכיבים במקומם, תקן אותם באמצעות חמישה קליפסים. בנה את תבנית הפנטום העורית באופן דומה עם צלחת אקרילית בצורת U בעובי חמישה מילימטר בין צלחות בעובי שניים-שניים מילימטרים.
תקן את החלקים האלה עם קליפסים. ייצור חומר הבסיס דורש תמיסת מלח ואבקת אגרוז. שים 500 מיליליטר מלח בסיר.
לאחר מכן מערבבים תוך הוספה איטית של חמישה גרם אגרוז. הוסיפו מדחום והניחו את הסיר על פלטה חמה בטמפרטורה של 1000 וואט למשך חמש דקות. לאחר שהתערובת רותחת, מנמיכים את האש לאש נמוכה למשך שלוש דקות.
המתן עד שהתערובת תתקרר לטמפרטורה של כ- 70 מעלות צלזיוס לפני ששופכים אותה לכלי. שמור אותו באמבט בטמפרטורה קבועה בטמפרטורה של 60 מעלות צלזיוס למשך 30 דקות. המלנין באפידרמיס מחקה על ידי תמיסת קפה בפנטום האפידרמיס.
צרו זאת על ידי ערבוב ארבעה מיליליטר קפה מבושל ו-16 מיליליטר מי מלח בבקבוק זכוכית. לאחר מכן, הכניסו חמישה מיליליטר תחליב שומנים לכוס פלסטיק שקופה והוסיפו 10 מיליליטר מתמיסת הקפה. מערבבים את התערובת תוך הוספת 35 מיליליטר מחומר הבסיס.
הכינו את תבנית הפנטום האפידרמיס ושאבו את התערובת למזרק. מזריקים את התערובת לאט לתוך התבנית תוך הימנעות מהיווצרות בועות. תבנית מלאה זו מוכנה לקירור ליצירת הג'ל.
קח אותו להתקרר בחמש מעלות צלזיוס למשך 20 דקות. בסיום הקירור, הסר את הקליפים מהתבנית. החלק את אחד מחלקי האקריליק כלפי חוץ כדי להסיר אותו.
קח את פנטום הג'ל המוצק בעובי מילימטר אחד מהתבנית. השתמש באזמל כירורגי כדי לחתוך את הפנטום לגודל הרצוי. לאחר מכן, הנח והחזק את פנטום הג'ל בין שתי שקופיות זכוכית.
התחל עם חמישה מיליליטר תחליב שומנים בכוס פלסטיק שקופה. לדם מחומצן, הוסף דם סוסים מלא. לאחר מכן, מערבבים את התערובת תוך הוספת חומר בסיס.
הכינו את תבנית הפנטום העורית ושאבו את התערובת למזרק. הזריקו לאט את התערובת לתבנית והימנעו מהיווצרות בועות. הנה התבנית לאחר מילויה ומוכנה לקירור.
קח את התבנית להתקרר בחמש מעלות צלזיוס למשך 20 דקות. אחזר את התבנית לאחר הקירור והסר את התפסים וחתיכת אקריליק חיצונית אחת. קח את פנטום הג'ל המוצק החשוף בעובי חמישה מילימטר מהתבנית.
השתמש באזמל כירורגי כדי לחתוך אותו לגודל הרצוי. הנח והחזק את הפנטום בין שתי מגלשות זכוכית. עבור פנטום לא מחומצן, התחל עם פנטום דם מחומצן.
השתמש במזרק כדי להפיל תמיסת נתרן דיתיוניט על הפנטום כדי לחמצן את הדם. הנח והחזק את הפנטום בין שתי מגלשות זכוכית כדי למנוע את התייבשותו. השג ואפידרמיס ופנטום עור.
יש לטפטף תמיסת מלח של 0.1 מיליליטר על הפנטום העורי כדי לסייע בצימוד אופטי. לאחר מכן הנח את פנטום האפידרמיס על גבי תמיסת הפנטום והמלח העורית. יש ללטף את המשטח כדי לדחוף החוצה בועות אוויר בין השכבות.
בנה את הפנטום הדו-שכבתי בין שתי מגלשות זכוכית כדי למנוע את התייבשותו. הגדר את המנגנון למדידת ספקטרום ההשתקפות. המפתח למדידות הוא כדור אינטגרציה שיש לו מחזיק מדגם בצד אחד.
בצד השני יש מלכודת אור ופתח כניסה לאור האירוע. ספקטרומטר אוסף אור עם סיב אופטי מיציאת הגלאי של הכדור. סכימה זו מספקת סקירה כללית של ההגדרה.
שימו לב שהיציאות שאינן בשימוש מחוברות כדי למנוע כניסת אור לכדור. מקור האור הוא מנורת הלוגן של 150 וואט עם מוביל אור באמצעות עדשה אכרומטית כדי למקד את האור על הדגימה. הפעל את מנורת הלוגן.
כשהוא מתחמם, עבור ליציאת הדגימה של הכדור המשלב. שם, הניחו מפזר לבן סטנדרטי על מחזיק הדגימה והתכוננו למדידה. התאם את זמן שילוב הספקטרומטר ואחסן ספקטרום ייחוס.
קח את אחד הפאנטומים למחזיק המדגם. הניחו את הפנטום, עדיין דחוס בין שתי שקופיות זכוכית, ביציאת הדגימה והתכוננו למדידה נוספת. מדוד ספקטרום משודר ואחסן את הנתונים בקובץ.
כדי למדוד ספקטרום שידור, שנה את ההגדרה כך שתהיה עקבית עם סכימה זו. שימו לב שהאור נכנס כעת לכדור האינטגרציה דרך הדגימה ביציאת הדגימה. היציאות האחרות מחוברות.
זהו הכדור האינטגרטיבי המוכן למדידת ספקטרום שידור. למדידה, הנח פנטום דחוס בין שתי שקופיות זכוכית במחזיק הדגימה. בצע את המדידה ושמור את הנתונים.
ספקטרום זה הוא מפנטום דו-שכבתי עם דם מחומצן בשכבת העור שיש לו ריכוז של 3%הספקטרום מיועד לדגימות עם שני ריכוזים שונים של תמיסת קפה בשכבת האפידרמיס. ההחזר המפוזר פוחת עם הגדלת תמיסת הקפה המחקה מלנין. זה בולט במיוחד באורכי גלים קצרים.
להלן ספקטרום לריכוז קבוע של תמיסת קפה בשכבת האפידרמיס של 7% וריכוז דם משתנה בשכבת העור. ספיגת אור חזקה של המוגלובין מסבירה את ההבדלים בספקטרום בטווח של 500 עד 600 ננומטר. ספקטרום ההחזר המפוזר שונה עם מצב החמצון של הדם.
עבור כל אחד מהספקטרומים הללו, ריכוז תמיסת הקפה בשכבת האפידרמיס קבוע על 7% וריכוז הדם בשכבת העור קבוע על 3%הנתונים שנאספו שימושיים להערכת התכונות האופטיות של הפאנטומים באמצעות סימולציית מונטה קרלו הפוכה. אלו הן הדוגמאות לספקטרום מקדם הפיזור המופחת הממוצע המחושב ומקדם הספיגה של שכבות האפידרמיס והעור. לאחר שליטה, ניתן לבצע טכניקה זו תוך שש שעות אם היא מתוכנתת כראוי.
בעת הכנת הפאנטומים חשוב לזכור לשמור על חומר הבסיס באמבט בטמפרטורה קבועה של 60 מעלות צלזיוס. בביצוע הליך זה, ניתן לבנות פנטומים של שלוש או ארבע שכבות כדי לחקור נושאים אחרים כמו ייצוגים של ספקטרום ההחזר הקודם עבור רקמות ביולוגיות עם סכמות מורכבות יותר. לאחר פיתוחה, טכניקה זו סללה את הדרך לחוקרים בתחום האופטיקה הביו-רפואית להאציל דרכים חדשות של טילים ומערכות אופטיות.
לאחר צפייה בסרטון זה, אתה אמור להבין היטב כיצד ליצור פנטום אופטי המחקה הובלת אור ברקמות ביולוגיות ולאפיין את תכונותיו האופטיות. אל תשכח שעבודה עם נתרן דיתיוניט עלולה להיות מסוכנת ויש ללבוש ציוד מתאים כמו גוגל, כפפות ומסכת פנים בזמן הכנת פנטום עורי המכיל את הדם המחומצן.
צפו בתמליל המלא וקבלו גישה לאלפי סרטונים מדעיים
סקירה כללית
מחקר זה מדגים את יצירתם של פנטומים אופטיים דמויי רקמה המבוססים על אגרוז, ואת קביעת התכונות האופטיות שלהם באמצעות מערכת אופטית קונבנציונלית הכוללת כדור אינטגרלי.
מרכיבי המחקר המרכזיים
תחום המדע
- אופטיקה ביו-רפואית
- פנטומים אופטיים
- ספקטרוסקופיה של החזרה דיפוזית
רקע
- חיישנים אופטיים המבוססים על ספקטרוסקופיה של מחזיר דיפוזי (diffuse reflector spectroscopy) נותנים מענה לסוגיות מרכזיות בתחום האופטיקה הביו-רפואית.
- ניתן לייצג רקמות ביולוגיות חיות באמצעות חומרים הזמינים בקלות.
- פנטומים של ג'ל בשכבה אחת נוצרים באמצעות תבניות.
- תבנית הפנטום האפידרמלי מורכבת מלוחות אקריליק חתוכים לצורות ספציפיות.
מטרת המחקר
- פיתוח פנטומים אופטיים המדמים רקמות ביולוגיות.
- הערכה של התכונות האופטיות של פנטומים אלו.
- שיפור טכניקות בספקטרוסקופיה של מחזיר דיפוזי (diffuse reflector spectroscopy).
שיטות שנעשה בהן שימוש
- יצירה של פנטומים מדמהי רקמה מבוססי אגרוז.
- שימוש בתבניות עבור פנטומי ג'ל בשכבה אחת.
- קביעה של תכונות אופטיות באמצעות ספירה משקפת (integrating sphere).
- יישום של טכניקות ספקטרוסקופיה של מחזיר דיפוזי.
תוצאות עיקריות
- ייצור מוצלח של פנטומים אופטיים דמויי רקמה.
- קביעה מדויקת של תכונות אופטיות באמצעות מערכות קונבנציונליות.
- הדגמה של יעילותה של טכניקת ספקטרוסקופיה של מחזיר דיפוזי (diffuse reflector spectroscopy).
- יישומים פוטנציאליים בחקר רקמות ביולוגיות.
מסקנות
- פנטומים מבוססי אגרוז יכולים לחקות ביעילות רקמות ביולוגיות.
- השיטות המשומשות מספקות מדידות מהימנות של תכונות אופטיות.
- מחקר זה תורם להתקדמות בתחום האופטיקה הביו-רפואית.
שאלות נפוצות
רלוונטיות תעשייתית בכירה
פרוטוקול זה מאפשר יצירה של פנטומים אופטיים המדמים רקמות באמצעות תבניות אגרוז ואקריליק, ומספק פלטפורמה הניתנת לשחזור להערכת אינטראקציות בין אור לרקמה במחקרים ראשוניים באופטיקה ביו-רפואית. על ידי סימולציה של שכבות האפידרמיס והדרמיס עם ריכוזים ניתנים לכוונון של מלנין והמוגלובין, השיטה תומכת בהפחתת סיכונים מכניסטית של טכנולוגיות חיישנים אופטיים ודימות לפני מחקרי in vivo יקרים. גישה זו מגבירה את הביטחון החזוי בפיתוח פרה-קליני על ידי מתן אפשרות לתיקוף מערכתי של מערכות לספקטרוסקופיה של החזרה דיפוזית תחת תנאים נשלטים ורלוונטיים פיזיולוגית.
יישומים אסטרטגיים במחקר ופיתוח של ביו-פרמה
גילוי מוקדם ותיקוף מטרה
- ערך מדעי: מאפשר בדיקה של תכונות בליעה ופיזור של אור במדמים של רקמה שכבתית כדי לתקף היפותזות של חישוש אופטי.
- ערך תפעולי: מספק מערכת פנטום סטנדרטית וניתנת לכיוונון לצורך השוואה עקבית בין עיצובי גששים אופטיים.
סריקה ופיתוח בדיקה
- ערך מדעי: תומך במוכנות הבדיקה על ידי יצירת ספקטרומים כמותיים של החזר דיפוזי ותמסורת לצורך כיול תכונות אופטיות.
- ערך תפעולי: מסייע בהשגת מדידות בעלות שחזוריות גבוהה באמצעות ספקטרומטריה של כדור איסוף, ובכך מפחית את השונות בתהליכי סינון אופטי.
מחקר תרגומי ופרקליני
- ערך מדעי: מאפשר מידול של תכונות אופטיות הרלוונטיות למחלות באמצעות בקרה עצמאית על הרכב השכבה האפידרמלית (דמוית מלנין) והשכבה הדרמלית (דמוית המוגלובין).
- ערך תפעולי: מאפשר שחזור של מדידות אופטיות בין מעבדות שונות, ובכך תומך בתיקוף רב-תחומי של אבות-טיפוס לדימות וחיישנים.
שילוב תהליכי עבודה וצנרת עיבוד
השיטה משתלבת ברצף הגילוי על ידי מתן אפשרות לאפיון מוקדם של תכונות אופטיות, המנחה את תכנון הגשש (probe) לפני שלבי זיהוי המוביל (lead identification) והתיקוף הפר-קליני.
- ביולוגיה של הגילוי: תומך בבדיקת השערות של מודלים לאינטראקציה בין אור לרקמה באמצעות שינוי שיטתי של הרכב הפנטום.
- סריקה: מספק תוצאות אופטיות הדירות החיוניות לסטנדרטיזציה של בדיקות בפלטפורמות חישה מבוססות פוטוניקה.
- אנליטיקה: מספק ספקטרומים של מקדמי בליעה ופיזור מופחת באמצעות סימולציית מונטה קרלו הפוכה, מה שמאפשר השוואה כמותית של תנאים אופטיים.
- מחקר תרגומי: מקשר בין אפיון אופטי בשלב הגילוי להמשכיות פרה-קלינית על ידי חיקוי של כרומופורים מרכזיים בעור האדם.
- שימוש חוזר ארגוני: מבסס פלטפורמת פנטום לשימוש חוזר לבדיקות איטרטיביות של תצורות חישה אופטיות מרובות לאורך פרויקטים שונים.
השפעה תפעולית וארגונית
- ערך מדעי: מפחית עמימות מכניסטית בשיוך תכונות אופטיות באמצעות דמויי רקמה שכבתיים ומבוקרים.
- ערך תפעולי: מבטיח סטנדרטיזציה ושיחזוריות במדידות אופטיות באמצעות פרוטוקולי מדידה והכנה מוגדרים של פנטומים.
- ערך אסטרטגי: משפר החלטות של המשך או הפסקה (go/no-go) בפיתוח טכנולוגיה אופטית על ידי אספקת נתונים ניבויים פרה-קליניים על אינטראקציות אור-רקמה.
- השפעה על תיק הפיתוח: מאפשר תעדוף מותאם סיכון של מועמדים לחיישנים אופטיים בהתבסס על ביצועים מאומתים בסביבות ביו-מימטיות.
שיקולי יישום
- דורש מומחיות בהכנת ביו-חומרים ובהקמת מערך לספקטרוסקופיה אופטית.
- תלוי בגישה לספקטרומטרים המצוידים בספרה אינטגרלית (integrating sphere) ובציוד לעיבוד אגרז תחת בקרת טמפרטורה.
- מחייב סטנדרטיזציה בין-צוותית של פרוטוקולי ייצור הפנטומים והמדידה לצורך קבלת תוצאות הדירות.
- כולל שיקולי התאמה בעת הרחבת הגישה למחקי רקמה מרובי שכבות או מורכבים, מעבר למודלים של עור בעלי שתי שכבות.
- כולל מגבלות מעשיות כגון יציבות הפנטום לאורך זמן ושונות פוטנציאלית בפיזור האופטי עקב אי-הומוגניות של הג'ל.
שאלות נפוצות בתחום הביופארמה
Chapters in this video
0:04
Title
0:37
Preparation of an Acrylic Mold
1:22
Preparation of the Base Material
2:04
Preparation of an Epidermal Phantoms
3:18
Preparation of Dermal Phantoms Containing Oxygenated or Deoxygenated Blood
4:30
Preparation of a Two-layered Phantom
5:00
Acquisition of Diffuse Reflectance Spectra and Transmittance Spectra
6:40
Results: Diffuse Reflectance Spectra from Two-layer Skin Tissue Samples and Estimated Absorption and Scattering Properties
7:58
Conclusion
