סליקה אופטית חולפת באמצעות מולקולות סופגות להדמיית ex vivo ו-in vivo
11 ביולי 2025
טכניקות ניקוי אופטי, כגון תמיסות ספיגת מולקולות, מפחיתות את פיזור האור באופן זמני כדי לשפר את ההדמיה הביולוגית ומציעות אסטרטגיות הדמיה in vivo תואמות ביולוגית והפיכות לאיברים משובצים עמוק. פרוטוקול זה מציג נהלי ניסוי מפורטים כמו גם עיבוד תמונה מתקדם להשגת הדמיה דינמית באיכות גבוהה לדינמיקה בזמן אמת בבעלי חיים חיים.
מחקר זה נועד להעריך וליישם ניקוי רקמות באמצעות מולקולות סופגות כאסטרטגיה לא פולשנית לשיפור ההדמיה הביו-רפואית הן ברקמות ex vivo והן בבעלי חיים חיים. הוכחנו שניתן להשתמש בטרטרזין צבע המאכל כדי להשיג ניקוי אופטי מהיר והפיך הן ברקמות והן בבעלי חיים חיים, ולשפר משמעותית את עומק ההדמיה ובהירותה. הפרוטוקול שלנו מטפל בפער קריטי ביכולת השחזור של ניקוי אופטי חולף על ידי התבוננות במולקולות, ומשלב טכניקות ויזואליזציה חישוביות מתקדמות כדי לשפר את נראות התכונות.
על ידי מתן פרוטוקול מפורט לניקוי רקמות עם מולקולות סופגות, העבודה שלנו מסייעת לקהילת המחקר הרחבה יותר של ביולוגיה והדמיה ביו-רפואית ליישם שיטות אלה במחקרים שלהם. המעבדה שלנו מקדמת טכנולוגיה זו על ידי חקר האינטראקציה הפיזית בין אור לרקמות, הרחבת מגוון החומרים הזמינים ופיתוח פלטפורמות הדמיה אופטיות אופטיות. כדי להתחיל, חשב את המסה הנדרשת של אבקת צבע טרטרזין להכנת נפח התמיסה הרצוי.
העבירו את הכמות המחושבת של אבקת הצבע לבקבוקון זכוכית נקי. בעזרת פיפטה נפחית, הוסף את הנפח הנדרש של מים נטולי יונים לבקבוקון כדי לשמור על דיוק. אם הצבע אינו מתמוסס במלואו בטמפרטורת החדר, הכניסו את בקבוקון הזכוכית לתנור מעבדה שחומם מראש ל-40 מעלות צלזיוס למשך 10 דקות או עד להמסה מלאה.
לאחר מכן מערבל את תמיסת הצבע למשך 30 שניות עד דקה אחת כדי להבטיח התמוססות מוחלטת. לרקמת ex vivo פורסים רקמת חזה עוף לעובי הרצוי בכיוון המקביל לסיבי הקולגן, ומנקים את הרקמה הפרוסה בעדינות במים. הנח את הרקמה בין שתי שקופיות מיקרוסקופ נקיות כדי למדוד את העובי.
לחץ בעדינות את השקופיות יחד והשתמש בקליבר ורניר כדי למדוד את המרחק במרכז הרקמה. לאחר מכן, יש להשרות את הרקמה בתמיסת הצבע המוכנה. והניחו את המיכל על שייקר מסלולי ונערו במהירות של 100 סיבובים לדקה למשך 10 דקות.
הסר את הרקמה מתמיסת הצבע באמצעות מלקחיים נקיים. הנח את הדגימה בין שתי שקופיות זכוכית שקופות וצלם תמונות באמצעות מצלמה דיגיטלית או מדעית המוגדרת לרזולוציה ולהגדלה המתאימים. בצע את תהליך ההדמיה בסביבת אור מבוקרת כדי למזער הפרעות אור חיצוניות.
כדי למדוד שידור אופטי, הנח את הדגימה המוכנה בספקטרומטר קרוב לאינפרא אדום הנראה ל-UV. ודא שהמערכת מבוססת כהלכה ושקרן האור עוברת דרך אותו אזור רקמה לפני ואחרי הטיפול בתמיסת צבע כדי לשמור על עקביות המדידה. לצורך ההליך, מקם את החיה המורדמת על כרית חימום מחוסמת ב-37 מעלות צלזיוס.
בעזרת קוצץ בעלי חיים קטנים, חתוך את הפרווה מאזור ההדמיה הרצוי. מרחו קרם אפילציה על האזור הקצוץ למשך פחות מ-60 שניות כדי להסיר שאריות שיער והסירו מיד את הקרם. נקו את העור באמצעות מגבוני אלכוהול למניעת גירוי.
כדי להכין את מערך ההדמיה, הנח כרית חימום מכוונת ל-37 מעלות צלזיוס מתחת לבעל החיים כדי למנוע היפותרמיה. יישר את מקור האור והמצלמה כדי לצלם תמונות באיכות גבוהה. השתמש בתמיסת טרטרזין מולרית של 0.65 מעורבבת עם ג'ל אגרוז של 0.3% עד 0.4% למריחה.
בעזרת טפטפת יש למרוח את התמיסה המוכנה על העור, על הבטן או הראש, בהתאם לניסוי. הניחו לתמיסה לשבת מספר שניות כדי להתחיל לספוג. כעת, בעזרת צמר גפן, שפשפו בעדינות את אזור המריחה כדי לפזר את התמיסה באופן שווה ולשפר את ספיגת העור.
לאחר מכן עסו את האזור בעדינות עם צמר גפן נקי ומרחו תמיסה נוספת לפי הצורך. שימו לב להופעת נקודות אדומות כתומות, אשר יתמזגו בהדרגה לצבע אחיד, מה שמעיד על חדירת צבע מוצלחת ותחילת ניקוי אופטי. המשיכו לעסות את האזור עד שהעור הופך לשקוף והאיברים הפנימיים נראים לעין, מה שבדרך כלל לוקח כשלוש עד חמש דקות לאזור קטן.
יש להניח בעדינות מגלשת זכוכית או כיסוי על העור כדי להפחית את הברק על פני השטח ולמזער את ההשתקפות. נקו בעדינות את תמיסת הצבע מהעור בעזרת צמר גפן או מטלית רכה לחה במים. אפקט הניקוי האופטי יתהפך והעור יחזור בהדרגה למראהו המקורי האטום.
לאחר כיבוי הרדמת הגז, אפשר לבעל החיים לחזור להכרה. ברגע שהחיה ערה לחלוטין וניידת, החזירו אותה לכלוב הביתי שלה. ברקמת חזה עוף ex vivo שלא טופלה, הדפוסים הבסיסיים לא נראו לעין, ונתוני הספקטרומטר הראו ערכי העברה נמוכים שירדו עם הגדלת עובי הרקמה.
לאחר טיפול בתמיסת טרטרזין של 0.65 מולארי, הרקמות הפכו שקופות באופן ניכר ודפוסי הרשת והלוגו הבסיסיים הופיעו בבירור. נצפו גם עליות משמעותיות בערכי השידור בכל העוביים בספקטרום הנראה. בעכברים חיים, מריחה של תמיסת טרטרזין טוחנת 0.65 אפשרה הדמיה של איברים פנימיים דרך העור תוך דקות מהטיפול, והראתה שקיפות מוגברת באופן ניכר באזורי הבטן.
ניקוי אופטי של הקרקפת איפשר הדמיה של כלי דם במוח ללא הסרה כירורגית של העור, מה שמדגים את יעילות הטכניקה להדמיית מוח. אפקט הניקוי היה הפיך לחלוטין. שטיפת הרקמה במים החזירה את האטימות ומראה העור הרגיל חזר תוך שעות, עם צמיחה מחודשת של השיער במשך מספר ימים.
צפו בתמליל המלא וקבלו גישה לאלפי סרטונים מדעיים
סקירה כללית
מחקר זה מעריך שקיפות רקמות באמצעות מולקולות סופחות לשיפור דימוי ביו-רפואי ברקמות ex vivo ובבעלי חיים חיים. צבע המזון tartrazine מוצג כחומר להשקיה אופטית מהירה והפיכה, המשפר את עומק הדימוי ואת הבהירות שלו.
מרכיבי מפתח של המחקר
תחום המדע
- דימוג ביו-רפואי
- טכניקות להבהרת רקמות
- דימוג אופטי
רקע
- טכניקות של הבהרה אופטית (Optical clearing) מפחיתות את פיזור האור לצורך דימות משופר.
- אסטרטגיות דימות הפיכות in vivo הן קריטיות לחקר איברים השקועים עמוק.
- קיים צורך בשיטות הניתנות לשחזור בהבהרה אופטית זמנית.
- טכניקות חישוב מתקדמות יכולות לשפר את נראות המאפיינים בדימות.
מטרת המחקר
- להעריך את השימוש במולקולות סופגות לשיפור הדמיה לא פולשנית.
- לספק פרוטוקול מפורט להבהרה של רקמות באמצעות טרטראזין.
- לסגור פערים ברמת השחזור של שיטות להבהרה אופטית.
שיטות שנעשה בהן שימוש
- הכנת תמיסות צבע טרטראזין להבהרה של רקמות.
- יישום של טכניקות להבהרה אופטית במודלים של בעלי חיים ex vivo ובבעלי חיים חיים.
- שימוש בטכניקות ויזואליזציה חישוביות מתקדמות.
- הערכה של שיפורים בעומק ובבהירות הדימוי.
תוצאות עיקריות
- טרטרזין (Tartrazine) משפר באופן משמעותי את עומק הדימות ואת הבהירות.
- הוכח כי השקיפות האופטית ברקמות מהירה והפיכה.
- שיפור בד reproducibility (הדירות) של שיטות להשקיה אופטית זמנית.
- טכניקות ויזואליזציה מתקדמות משפרות את נראות המאפיינים.
מסקנות
- המחקר מספק פרוטוקול בעל ערך עבור חוקרים בתחום ההדמיה הביו-במדיקלית.
- טרטראזין (Tartrazine) מהווה אפשרות תואמת ביולוגית להבהרה אופטית.
- הממצאים תורמים לקהילה הרחבה של חוקרי הביולוגיה וההדמיה הביו-במדיקלית.
שאלות נפוצות
רלוונטיות לתעשייה
הבהרה אופטית זמנית באמצעות מולקולות סופגות כגון tartrazine פותרת צוואר בקבוק קריטי בדימות דינמי, על ידי אפשור ויזואליזציה עמוקה וברורה יותר של מבנים פנימיים הן במערכות ex vivo והן במערכות in vivo. יכולת זו משפרת את רמת הביטחון החזויית של גילויים מבוססי דימות ותומכת בהפחתת סיכונים מכניסטיים בשלבים מוקדמים ובשלבי מחקר טרנסלציונליים. אופיה ההפיך והניתן לשחזור של גישה זו ממצב אותה כפלטפורמה רב-פעמית לחדשנות בדימות לכל אורך תיק הפרויקטים.
יישומים אסטרטגיים במחקר ופיתוח בביו-פארמה
גילוי מוקדם ותיקוף מטרה
- מאפשר ויזואליזציה ישירה של מבני רקמה פנימיים לצורך תיקוף מטרות המונחה-השערה.
- מפחית עמימות ביולוגית על ידי הבהרת גבולות הרקמה ומורפולוגיית האיברים in situ.
- תומך בהפחתת סיכונים מכניסטיים באמצעות אספקת נתוני דימות בעלי ניגודיות גבוהה וחזרתיות.
סריקה ופיתוח בדיקה
- מסייע בהכנת דגימות ביולוגיות שקופות אופטית עבור בדיקות דימוי כמותיות.
- משפר את הדירות הבדיקה על ידי סטנדרטיזציה של תנאי הפינוי של הרקמה והדימוי.
- מאפשר הערכה מהימנה של השפעות תרכובים ברקמות מפונויות עם רזולוציית עומק משופרת.
מחקר תרגומי ופרה-קליני
- מתאימה את תוצרי הדימות למודלים רלוונטיים למחלה על ידי מתן אפשרות לוויזואליזציה לא פולשנית של איברים פנימיים בבעלי חיים חיים.
- תומכת ברציפות משלב הגילוי ועד לאישור פרה-קליני על ידי מתן אפשרות למפגשי דימות הפיכים וחזרתיים.
- מספקת פלטפורמה לסגמנטציה חישובית מתקדמת ולחילוץ מאפיינים במחקרים תרגומיים.
שילוב תהליכי עבודה וצינורות עיבוד
שיטת ההבהרה האופטית הזו משתלבת ברצף שבין הגילוי לשלב הפרה-קלמיני, בכך שהיא מאפשרת דימות ברמת דיוק גבוהה בשלבים מרובים של תהליך הפיתוח, החל מבדיקת השערות מוקדמת ועד לתיקוף של מודלים תרגומיים.
- ביולוגיה של תגליות: תומכת בבדיקת היפותזות ובבירור מסלולים באמצעות ויזואליזציה ישירה של ארכיטקטורת הרקמה.
- סריקה: מספקת תנאי דימוי סטנדרטיים הניתנים לשחזור לצורך פיתוח מערכי בדיקה כמותיים.
- אנליטיקה: מספקת נתוני תמסירה וסגמנטציה כמותיים להשוואה חסונה של תנאים ניסיוניים.
- מחקר תרגומי: מאפשרת דימוי הפיך ולא פולשני במודלים של בעלי חיים חיים לצורך מחקרי סמנים ביולוגיים והתקדמות מחלה.
- שימוש חוזר ארגוני: מציעה פרוטוקול שקיפות הפיך וניתן להרחבה, הניתן להתאמה לסוגי רקמות ופלטפורמות דימוי שונות.
השפעה תפעולית וארגונית
- ערך מדעי: מגביר את הביטחון החיזואי ומפחית עמימות מכנית במחקרים המבוססים על דימות.
- ערך תפעולי: סטנדרטיזציה של זרימות עבודה בדימות ושיפור השחזוריות בין צוותים.
- ערך אסטרטגי: משפר את איכות קבלת החלטות ה-go/no-go על ידי אספקת נתוני דימות עמוקים וברורים יותר להערכת מועמדים.
- השפעה על הפורטפוליו: מאפשר תיעודף מותאם סיכונים על ידי תמיכה בדימות חזק ולא פולשני במספר תוכניות.
שיקולי יישום
- דורש מומחיות בטיפול ברקמות, הכנת צבעים ושימוש במכשור דימות.
- דורש גישה לספקטרומטרים, מצלמות ברזולוציה גבוהה וכלי ניתוח חישוביים.
- דורש סטנדרטיזציה של פרוטוקולי הפינוי (clearing) והדימות בין צוותים שונים לצורך שחזוריות.
- ניתן להתאמה לסוגי רקמות ומודלים שונים של בעלי חיים באמצעות אופטימיזציה של הפרוטוקול.
- יש לתקף את ההפיכות והביו-תאימות עבור כל הקשר יישומי חדש.
