Мультимодальная нелинейная оптическая визуализация (NLOI) как метод безмаркерной визуализации стала мощным инструментом оценки рака. Чтобы избежать артефактов движения и оптических повреждений, связанных с мультимодальным NLOI, одним из решений является использование одного сверхбыстрого лазера в качестве источника возбуждения в сочетании с несколькими каналами обнаружения для сбора сигналов разных модальностей для наблюдения за разными биомолекулами. Однако в этом случае каждый режим не может быть оптимизирован независимо, и для возбуждения всех режимов NLOI необходим подходящий источник возбуждения. Мультиплексная спонтанная флуоресцентная микроскопия без меток (SLAM) с длиной волны возбуждения, установленной на 1110 нм, позволяет одновременно собирать сигналы четырех мод при одном условии возбуждения через разные каналы обнаружения сигналов, получая двухфотонную флуоресценцию (2PAF) для FAD. , трехфотонная флуоресценция (3PAF) для НАДН, двухоктавная частота (SHG) для коллагеновых структур и трехоктавная частота (THG) для мутации показателя преломления. частотные (THG) сигналы при мутациях показателя преломления. В настоящее время большинству источников света, используемых для управления микроскопами SLAM, необходимо подавать ультракороткие импульсы в фотонно-кристаллические волокна или кристаллы для достижения преобразования длины волны, что влечет за собой высокую стоимость, большую занимаемую площадь, сложную эксплуатацию и невозможность длительной стабильной работы.
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 >90 нДж, длительность импульса 34 фс и пиковая мощность около 3 МВт, источник света компактен и стабилен, обеспечивая при этом превосходное качество импульса для управления микроскопами SLAM для медицинской визуализации.
На рисунке 1 показана принципиальная схема волоконной лазерной системы, легированной иттербием, с двойным управлением пред-чимпом и усилением. Он состоит из источника начального сигнала, модуля предварительного усиления, модуля предварительного чирпа, модуля усиления с управлением усилением (GMA) и модуля сжатия. Источник затравки обеспечивает затравочный импульс с центральной длиной волны 1040 нм, энергией импульса 0,2 нДж и частотой повторения 43 МГц. Затравочный импульс предварительно усиливается волокном длиной 40 см, легированным Yb, перед модулем GMA размещается пара решеток для введения дисперсии, а к предварительно усиленному выходному сигналу добавляется отрицательный или положительный предварительный чирп. импульс, регулируя расстояние между решетками. Дальнейшие предварительно чирпированные импульсы усиливаются в волокне длиной 3,1 м, легированном Yb, для управления усилением. Второй усиленный импульс сжимается через другую пару передающих решеток. Влияние этих параметров на качество сжатия импульсов исследуется путем точной настройки входной энергии и пред-чипа, а экспериментальные результаты показаны на рис. 2 и 3, которые показывают, что импульсы с высоким качеством сжатия могут быть получены в диапазоне мощности накачки, входной энергии и соответствующего отрицательного чирпа. При мощности накачки 9 Вт энергия входного импульса 0,6 нДж, предчимпинг -36000 фс2, импульс с центральной длиной волны 1110 нм, длительность импульса 34 фс, энергия 92,2 нДж, и достигается пиковая мощность около 3 МВт, что очень подходит для управления микроскопами SLAM для медицинской визуализации.
Image Рис. 2. Влияние различных энергий входного импульса на сжатие импульса ГМА при мощности накачки 9 Вт и предчимпе -36000 фс2. (а) Ширина импульса сжатия и коэффициент Штреля при различных входных энергиях. (б) Выходные спектры при различных входных энергиях. (в) Красная кривая: измеренная автокорреляционная траектория сжатого импульса, черная кривая: автокорреляционная траектория преобразованного предельного импульса, полученная спектральным расчетом.
Рис. 3. Влияние различных предварительных чирпов на сжатие импульса GMA при энергии входного импульса 0,6 нДж и мощности накачки 9 Вт. Результаты суммированы следующим образом: (а) Ширина импульса сжатого импульса и Коэффициент Штреля для разных предчимпов. (б) Выходные спектры при различных предчимпах. (в) Красная кривая: измеренная автокорреляционная траектория сжатого импульса, черная кривая: автокорреляционная траектория преобразованного предельного импульса, полученная путем спектрального расчета.
Команда применила этот сверхбыстрый источник света для изучения опухолевой патологии в различных тканях, включая аденокарциному кишечника, аденокарциному легких и ткани печени, чтобы одновременно визуализировать клеточные и внеклеточные компоненты с помощью техники SLAM. SLAM-изображение ткани аденокарциномы кишечника показано на рисунке 4, где зеленый цвет указывает на SHG, пурпурный — на THG, желтый — на 2PEF, а синий — на 3PEF. SLAM-изображение может предоставить гораздо более подробную информацию о клетках и тканях, чем традиционные изображения, окрашенные H&E, которые могут помогают понять изменения биокомпонентов как в опухолях, так и в нормальных тканях, а также искать биомаркеры для диагностики и прогноза рака.
Изображение Рисунок 4. (а) SHG/THG/2PEF/3PEF визуализация ткани аденокарциномы кишечника. Различные области интереса увеличены на (c)–(e) (белые пунктирные квадраты). (б) Соответствующие изображения окрашивания H&E. (c) 2PEF/3PEF-визуализация нормальной ткани слизистой оболочки кишечника. ( d ) SHG/THG визуализация нормальной ткани слизистой оболочки кишечника. (д) ГВГ-изображение интерстициальных волокон и жировых вакуолей, красная стрелка: кишечная железа, синяя стрелка: базальная мембрана, зеленая стрелка: слизь, секретируемая чашечными клетками, белая стрелка: макрофаги, желтая стрелка: интерстициальные волокна, фиолетовая стрелка: жировые вакуоли. Масштабная линейка: 200 мкм
В целом, исследовательская группа добилась высококачественной генерации сверхбыстрых импульсов благодаря разработке волоконного лазера с двойным управлением, легированным Yb, с предварительным чирпированием и усилением, который был успешно применен для SLAM-визуализации, метода, который может предоставить более детальную информацию о клетках и тканях, может помочь в исследованиях онкопатологии и диагностике рака. Кроме того, сверхбыстрый источник света компактен и надежен, что делает его идеальным для использования в клинических условиях для быстрой и всесторонней оценки различных физиологических и патологических процессов. Ожидается, что инновационные результаты этого исследования будут способствовать развитию области медицинской диагностики и терапии, предоставляя более точную и полную информацию для диагностики рака, оценки эффективности и индивидуального лечения. Поскольку технология продолжает развиваться и оптимизироваться, ожидается, что в будущем визуализация SLAM будет играть более важную роль в клинической практике. Устройство и основное устройство, связанное с этим достижением, были поданы заявки на национальные патенты на изобретения.
Результаты были опубликованы в недавнем выпуске Biomedical Optics Express, журнала Оптического общества Америки (10.1364/BOE.506915), а первым автором статьи является Ютин Син, аспирант под руководством исследователя Гоцина Чанга.
Эта работа была поддержана Национальным фондом естественных наук Китая (гранты № 92250307, 62227822 и 62175255) и Программой разработки важных инструментов Китайской академии наук (грант № YJKYYQ20190034). Исследователь Гоцин Чанг и доктор Яобин Чен из Уханьской больницы Тунцзи были соответствующими авторами, а аспиранты Руньши Чен, Лихао Чжан, Ян Лю, Синьцзай Дяо и научный сотрудник Шу Чжан из Уханьской больницы Тунцзи, профессор Иши Ши и научный сотрудник Чжии Вэй из университета Китайской академии наук также принимали участие в разработке и обсуждении этой работы.
