新研究使布里渊显微镜更接近诊断医学的广泛使用

诊断成像为医生和科学家提供了身体内部结构的关键视觉表示，大大增强了临床分析和医疗干预。研究人员继续在各种成像技术如何更好地了解人类健康方面开辟新天地。

Jitao Zhang是韦恩州立大学生物医学工程(BME)助理教授，也是Karmanos癌症研究所分子成像计划的科学成员，是一位屡获殊荣的研究人员，他拥有三项名为Brillouin显微镜的新型成像技术的专利，该技术可以绘制细胞和组织硬度，通常与癌症和阿尔茨海默氏症等疾病的早期迹象有关。

与共聚焦荧光显微镜等传统成像方法不同，布里渊显微镜能够以非接触和无标记的方式获取生物样品的机械信息(例如刚度和粘度)。

他的实验室改进这种方法的工作可以回答生物物理学和机械生物学中的许多重要问题，在被科学界的同行评为 10 年 2022 大科学故事之一后，被《卫报》报道。

Zhang和他的合作者来自马里兰大学(Zhang在2021年加入韦恩州立大学之前在生物工程系工作了六年)和美国国立卫生研究院(NIH)最近在Nature Methods上发表了一篇研究文章，研究了使用双线扫描布里渊显微镜(dLSBM)来提高采集速度和减少照射剂量， 该技术在生物医学中广泛使用的两个主要限制因素。

“现有的共聚焦布里渊显微镜相当慢;获取单个细胞的机械图像需要几分钟，“张说。“如果我们对肿瘤细胞簇或早期胚胎等较大的样本进行成像，我们需要等待一个小时或更长时间才能获得一张图像。

使用dLSBM，张的团队报告说速度比同类产品快50到100倍，同时将80D和2D机械映射的光照射水平降低了3倍。

“通过这项创新，我们可以在几分钟内获得细胞簇的机械图像，”他说。“这种提高的采集速度很重要，因为它使我们能够几乎实时地研究细胞行为的细节。

布里渊显微镜是一种光学成像方式，植根于所谓的布里渊光散射(BLS)，由法国物理学家莱昂·布里渊于1922年首次报道。当光与物质相互作用并且材料中分子的热波动或振动导致光散射时，就会发生BLS。振动可能受到某些因素的影响，包括热量、压缩、含水量或材料刚度。这些特征中的后者对于布里渊显微镜作为诊断工具的应用最有价值。

疾病进展，如癌症转移，通常与细胞硬度的变化有关，但这很难测量，因为细胞很小并且生活在非常柔软的组织中。常规技术在培养皿或其他硬质底物上测量制备的细胞。布里渊显微镜仅使用激光束来探测机械性能，允许在细胞处于生理状态时进行测量。

由于不需要身体接触，布里渊技术侵入性更小，更方便。这些特征很重要的另一个应用是更好地了解胚胎组织发育，特别是当它与出生疾病和障碍有关时。

“由于胚胎的3D结构，传统的基于接触的技术在体内测量方面遇到了巨大的挑战，”张说。“由于布里渊显微镜以非接触方式工作，因此它有时成为唯一可用的选择。

张与Karmanos和其他机构的生物学家和医生合作，通过技术创新解决生物医学问题。然而，张指出，“布里渊技术仍处于早期阶段，成像深度有限。我们的实验室将继续努力使其更容易进入更广泛的生物医学领域。

工程师和医学界成员之间的互动在医疗保健旅程的诊断阶段尤其重要。张和其他韦恩州立大学BME研究人员正在将生物医学研究和医疗保健引导到无与伦比的进步水平。

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