Studi di fattibilità dell'endoscopia multimodale non lineare utilizzando fasci di fibre multicore per la scansione remota da sezioni di tessuto a organi sfusi

Scientific Reports volume 13, numero articolo: 13779 (2023) Citare questo articolo

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Qui riportiamo lo sviluppo e l'applicazione di una sonda in fibra ottica multi-core compatta per l'imaging multimodale non lineare, che combina le modalità label-free di scattering Raman anti-Stokes coerente, seconda generazione armonica e fluorescenza eccitata a due fotoni. Le sonde con questo design in fibra multi-core evitano parti mobili e che trasportano tensione all'estremità distale, fornendo così una promettente migliore compatibilità con i requisiti clinici rispetto alle implementazioni concorrenti. Le caratteristiche prestazionali della sonda vengono stabilite utilizzando criosezioni sottili e bersagli artificiali prima di valutarne l'applicabilità a campioni clinicamente rilevanti utilizzando tessuti intestinali umani e suini sfusi ex vivo. Dopo la ricostruzione dell'immagine per contrastare la natura intrinsecamente pixelata dei dati, le immagini registrate mostrano un'elevata qualità dell'immagine e conformità morfochimica a livello tissutale rispetto alle immagini multimodali non lineari ottenute con un microscopio a scansione laser utilizzando un obiettivo microscopico standard. Inoltre, viene presentata e dimostrata una procedura di ricostruzione semplice ma efficace che produce risultati soddisfacenti. Infine, viene delineato un percorso chiaro per ulteriori sviluppi per facilitare la traduzione della sonda in fibra multimodale nella valutazione e nell'applicazione clinica nel mondo reale.

L'imaging in vivo senza etichetta dei tessuti che fornisce informazioni sia morfologiche che chimiche è cruciale per molte applicazioni mediche previste, in particolare per un esame istopatologico intraoperatorio non invasivo dei tessuti. Negli ultimi anni è stato dimostrato che la combinazione di diverse tecniche spettroscopiche in un approccio di imaging multimodale è utile per soddisfare tutti i requisiti di velocità, profondità di penetrazione e specificità molecolare1,2,3. Uno di questi approcci è la microscopia Coherent Anti-Stokes Raman Scattering (CARS), che cogenera simultaneamente gli altri due effetti non lineari, la fluorescenza eccitata a due fotoni (TPEF) e la generazione di seconda armonica (SHG), in un unico dispositivo di imaging. CARS consente di mappare una vibrazione molecolare specifica, dove quelle scelte più frequentemente indicano prevalentemente lipidi (ad esempio, ~ 2855 cm−1, νs(CH2)) o proteine ​​(ad esempio, ~ 2930, νs(CH3)), entrambi i quali sono abbondanti nei campioni biologici. Al contrario, il TPEF può essere utilizzato per affrontare gli autofluorofori endogeni, in particolare il NAD(P)H, che è onnipresente nei tessuti a causa della sua importanza per il metabolismo cellulare. Inoltre, SHG è un processo che si verifica solo in materiali non centrosimmetrici, rendendolo altamente specifico per biomateriali quasi cristallini come fibre di collagene o filamenti di miosina. Pertanto, la combinazione di queste tre modalità non lineari fornisce preziose informazioni sulla morfochimica di un tessuto senza alcuna etichetta.

In questo contesto, abbiamo dimostrato che la microscopia multimodale non lineare che combina CARS, SHG e TPEF consente il rilevamento di strutture caratteristiche e i cambiamenti molecolari associati a malattie diffuse, in particolare il cancro4,5. Per facilitare l'interpretazione dei dati immagine CARS/SHG/TPEF, algoritmi avanzati di elaborazione delle immagini possono estrarre automaticamente le proprietà caratteristiche6,7. Inoltre, oltre alla valutazione automatica, si potrebbe dimostrare che le informazioni codificate in queste immagini multimodali registrate senza etichetta possono anche essere tradotte in immagini computazionali di ematossilina ed eosina (H&E)8 mediante statistiche multivariate, che non solo attingono al corpo esistente di conoscenza e formazione dei professionisti medici, ma potrebbe anche aiutare l’accettazione transitoria. Per generare tali immagini H&E computazionali e/o fornire una valutazione automatizzata di dati di imaging non lineare multimodale, tra cui la classificazione della malattia o la segmentazione visiva come base per ulteriori decisioni cliniche, in loco e direttamente durante l'intervento chirurgico, dispositivi endoscopici portatili compatti sono necessarie. Con scenari applicativi che vanno dal rilevamento dei margini tumorali nelle ferite chirurgiche all'indagine dei sintomi e al rilevamento, classificazione e monitoraggio della malattia negli organi cavi (ad esempio la malattia infiammatoria della cavità orale9), lo sviluppo di dispositivi endoscopici per l'imaging spettroscopico non lineare è stato oggetto di notevole interesse per molti anni. Sono stati presentati diversi approcci: oltre alle sonde a scansione puntiforme10, i più comuni sono la scansione di endoscopi a fibra11,12,13,14,15,16,17,18 e l'utilizzo di specchi a scansione galvanica o scanner per sistemi microelettromeccanici (MEMS)19,20,21, 22,23,24.