Una microsonda di radiometria intra-tissutale per misurare la radianza in situ nel tessuto vivente

Amanda L. Holt; Yakir Luc Gagnon; Alison M. Sweeney

doi:10.3791/64595

Articolo metodologico

Una microsonda di radiometria intra-tissutale per misurare la radianza in situ nel tessuto vivente

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DOI:

10.3791/64595

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2 giugno 2023

Amanda L. Holt¹^,³ , Yakir Luc Gagnon²^,⁴ , Alison M. Sweeney¹^,³

¹Department of Physics, Yale University, ²Lund Vision Group, Department of Biology, Lund University, ³Department of Physics and Astronomy, University of Pennsylvania, ⁴Department of Biology, Duke University

In questo articolo

Sommario

In questo articolo, viene descritto un metodo per misurare la radianza in situ nei tessuti viventi. Questo lavoro include dettagli sulla costruzione di sonde su microscala per diverse misurazioni di radianza e irradianza, fornisce una guida per il montaggio del tessuto per la caratterizzazione della radianza e delinea metodi computazionali per analizzare i dati risultanti.

Abstract

Gli organismi appaiono opachi in gran parte perché i loro strati di tessuto esterno sono fortemente dispersi alla luce incidente; I pigmenti fortemente assorbenti, come il sangue, hanno tipicamente assorbanze strette, in modo tale che il percorso libero medio della luce al di fuori dei picchi di assorbanza può essere piuttosto lungo. Poiché le persone non possono vedere attraverso i tessuti, generalmente immaginano che tessuti come il cervello, il grasso e le ossa contengano poca o nessuna luce. Tuttavia, le proteine opsina fotosensibili sono espresse all'interno di molti di questi tessuti e le loro funzioni sono poco conosciute. La luminosità interna al tessuto è anche importante per comprendere la fotosintesi. Ad esempio, le vongole giganti assorbono fortemente ma mantengono una densa popolazione di alghe in profondità nel tessuto. La propagazione della luce attraverso sistemi come sedimenti e biofilm può essere complessa e queste comunità possono contribuire in modo significativo alla produttività dell'ecosistema. Pertanto, è stato sviluppato un metodo per costruire microsonde ottiche per misurare l'irraggiamento scalare (flusso di fotoni che interseca un punto) e l'irradianza downwelling (flusso di fotoni che attraversa un piano perpendicolarmente) per comprendere meglio questi fenomeni all'interno del tessuto vivente. Questa tecnica è trattabile anche nei laboratori sul campo. Queste microsonde sono costituite da fibre ottiche estratte dal calore che vengono poi fissate in pipette di vetro tirato. Per modificare l'accettazione angolare della sonda, una sfera di dimensioni 10-100 μm di resina epossidica polimerizzabile ai raggi UV mescolata con biossido di titanio viene quindi fissata all'estremità di una fibra tirata e tagliata. La sonda viene inserita nel tessuto vivente e la sua posizione viene controllata utilizzando un micromanipolatore. Queste sonde sono in grado di misurare la radianza dei tessuti in situ a risoluzioni spaziali di 10-100 μm o sulla scala di singole cellule. Queste sonde sono state utilizzate per caratterizzare la luce che raggiunge le cellule adipose e cerebrali 4 mm sotto la pelle di un topo vivente e per caratterizzare la luce che raggiunge profondità simili all'interno del tessuto di vongole giganti ricco di alghe viventi.

Introduzione

Sorprendentemente, gli animali terrestri e gli abitanti dell'oceano poco profondi hanno abbastanza luce all'interno del loro corpo per la fisiologia visiva e persino la fotosintesi. Ad esempio, i livelli di luce al centro della testa di un topo (al di fuori delle forti bande di assorbimento dell'emoglobina) sono attenuati di tre o quattro ordini di grandezza rispetto al mondo esterno. Questa è all'incirca la differenza tra i livelli di luce all'interno e all'esterno. Quindi, l'opacità di un tessuto o materiale dovuta a una forte dispersione non è la stessa dell'opacità dovuta al forte assorbimento della luce. La luce può continuare a propagarsi su lunghe distanze in u....