Animation des globules rouges (GR) se déplaçant vers l'intérieur et vers l'avant en raison de l'action des forces optiques, formant un guide d'onde efficace de la lumière. Crédit :Lumière :Science &Applications, doi:10.1038/s41377-019-0142-1
De nouveaux outils photoniques pour l'imagerie médicale peuvent être utilisés pour comprendre le comportement non linéaire de la lumière laser dans le sang humain pour des applications théranostiques. Lorsque la lumière pénètre dans les fluides biologiques, elle est rapidement dispersée, cependant, certaines suspensions cellulaires peuvent induire des réponses non linéaires dans les faisceaux laser pour s'auto-focaliser et améliorer la pénétration de la lumière pour les applications biomédicales en tant que marqueur quantifiable de la maladie. Dans une étude récente maintenant publiée dans Lumière :science et applications , Rekha Gautam et ses collègues de l'Université d'État de San Francisco et une équipe internationale de collègues ont montré qu'un faisceau laser traversant des suspensions de globules rouges pouvait devenir "auto-piégé". Le processus a réduit la diffusion de la lumière pour conserver la puissance du faisceau de lumière laser dans les échantillons biologiques.
La non-linéarité observée dépend des conditions osmotiques et de l'âge des échantillons. Les scientifiques proposent d'utiliser la technique pour diagnostiquer la drépanocytose ou le paludisme; maladies qui ont un impact sur la taille et la forme des cellules sanguines. Les conditions osmotiques jouent un rôle important dans les propriétés des globules rouges humains (GR) cruciaux lors de l'analyse de la maladie. De nombreux efforts au cours de la dernière décennie se sont concentrés sur l'étude des propriétés biomécaniques des globules rouges en suspension dans diverses solutions osmotiques.
Dans le travail present, Gautam et al. ont déterminé la propagation non linéaire d'un faisceau laser autopiégé et résistant à la diffusion à travers trois solutions/conditions osmotiques différentes. Les résultats ont montré que la force de la non-linéarité optique augmentait avec la pression osmotique sur les cellules. De façon intéressante, dans des échantillons de sang âgés avec des cellules lysées, le comportement non linéaire était notablement différent en raison de la présence d'hémoglobine libre. Pour expliquer les observations expérimentales, Gautam et al. ont utilisé un modèle théorique avec une non-linéarité non locale médiée par la force optique. Le présent travail sur l'autoguidage de la lumière à travers la matière biologique molle dispersée peut introduire de nouveaux outils photoniques pour l'imagerie biomédicale non invasive et le diagnostic médical.
Auto-piégeage de la lumière à travers des suspensions de globules rouges humains dans différentes conditions osmotiques. a–c Illustrations de la dynamique du faisceau en (a) isotonique, (b) hypotonique, et (c) des suspensions hypertoniques. d Image vue latérale d'un faisceau auto-piégé. e–g Modèles d'intensité de sortie observés à faible puissance, qui montrent la diffraction linéaire et la forte diffusion du faisceau laser. i–k Motifs correspondants à haute puissance, qui montrent la localisation du faisceau due à l'auto-piégeage non linéaire. h, l Tracés 3D des schémas d'intensité correspondant à (g, k), respectivement. Crédit :Lumière :Science &Applications, doi:10.1038/s41377-019-0142-1.
Les globules rouges humains sont des cellules malléables en forme de disque qui possèdent un indice de réfraction spatialement uniforme car ils manquent de noyau contrairement à la plupart des organites, et montrent une déformabilité distinctive pour le passage à travers les veines et les microcapillaires. Le changement de forme peut être provoqué en modifiant l'osmolarité du tampon liquide environnant pour utiliser les globules rouges comme microlentilles optofluidiques accordables. Les propriétés optiques des globules rouges sont importantes pour le diagnostic des maladies in vitro et in vivo dans lequel l'indice de réfraction des globules rouges est déterminé par l'hémoglobine (Hb) - la plus grande partie du contenu sec des érythrocytes en poids. Par conséquent, si le volume cellulaire a diminué en raison de conditions osmotiques variables, l'indice de réfraction a augmenté.
Conditions physiopathologiques telles que la drépanocytose, le paludisme et la septicémie sont souvent étroitement liés aux propriétés physiques des globules rouges, leur forme et leur taille. Les caractéristiques fondamentales des différents indices de réfraction et formes cellulaires permettent aux globules rouges de réagir aux changements dans différents environnements osmotiques, ce qui en fait des candidats idéaux pour étudier la diffusion de la lumière. Dans le travail present, Gautam et al. ont montré un auto-piégeage non linéaire de la lumière sur une distance de propagation centimétrique en diffusant des suspensions de globules rouges. Lorsqu'ils ont augmenté la puissance du faisceau laser, ils ont montré que le faisceau s'auto-focalise de manière spectaculaire dans les trois conditions osmotiques - un peu comme des solitons spatiaux optiques (paquets d'ondes non linéaires auto-piégés). Les forces optiques qui changent avec la densité et la morphologie cellulaires peuvent fournir des outils non invasifs pour trier diverses cellules, selon un stade précis d'une maladie donnée.
PANNEAU SUPÉRIEUR :Transmission normalisée et taille du faisceau de sortie en fonction de la puissance d'entrée. a Mesure de la transmission normalisée et b changement de la taille du faisceau de sortie dans des suspensions de GR frais de différentes solutions tampons. La courbe cyan (triangle) représente les résultats obtenus à partir de la solution de fond PBS sans RBC comme référence, ce qui n'indique pas d'auto-action appréciable du faisceau dans la solution tampon elle-même. Le bleu (cercle), carré rouge), et les courbes vertes (losange) montrent les données obtenues à partir de suspensions de globules rouges en hypertonique, isotonique, et solutions hypotoniques, respectivement, où les plages d'erreur en (b) sont indiquées par les régions ombrées. c Résultats correspondants du même échantillon de sang mais après conservation des globules rouges au réfrigérateur pendant deux semaines, où la focalisation non linéaire est considérablement améliorée dans les solutions hypotoniques. INFÉRIEUR :Forces de gradient optique sur les globules rouges dans différentes conditions osmotiques examinées avec des pincettes optiques. a–c Instantanés du mouvement des GR vers un faisceau laser de 960 nm (position marquée par un cercle vert en pointillés) en isotonique, hypotonique, et solutions hypertoniques, respectivement, comme observé au microscope. Les flèches rouges illustrent le mouvement directionnel de la cellule. d–f Analyses du spectre de puissance montrant la rigidité du piège κx d'un seul GR des trois suspensions conformément à (a–c), où les lignes pointillées verticales marquent la fréquence d'angle fc. L'encart en (f) illustre un seul RBC qui se déplace dans le piège sous l'action de la force de gradient. Crédit :Lumière :Science &Applications, doi:10.1038/s41377-019-0142-1.
Les scientifiques ont obtenu des échantillons de sang de donneurs anonymes pour les expériences. Dans la première série d'expériences, ils ont utilisé un faisceau laser à onde continue (CW) polarisé linéairement avec une longueur d'onde de 532 nm. Ils ont concentré la lumière dans une cuvette en verre de 3 cm de long remplie de suspensions de globules rouges dans diverses conditions osmotiques, comme décrit précédemment. Ils ont surveillé les sorties linéaires et non linéaires de l'échantillon à l'aide d'une caméra CCD et d'un détecteur de puissance, et mesuré les diamètres des faisceaux à l'aide du programme Beamview. Le faisceau s'est d'abord diffracté normalement à une faible puissance de 10 mW et a ensuite subi une forte diffusion en raison de la distribution aléatoire de globules rouges de forme non sphérique.
Gautam et al. ensuite mesuré la transmission laser normalisée (puissance de sortie/entrée) en fonction de la puissance du faisceau d'entrée. Dans les solutions hypotoniques, ils ont noté que les globules rouges étaient dans un état « gonflé » où l'indice de réfraction effectif des cellules diminuait à mesure que le rapport eau/Hb augmentait. En revanche, dans la solution hypertonique, les scientifiques ont observé que les globules rouges rétrécissaient, et leur indice effectif a augmenté en raison de la réduction du rapport eau/Hb. Dans une troisième solution isotonique, les cellules présentaient un état "normal", dans lequel les globules rouges ont montré un comportement intermédiaire. Lorsque les expériences ont été réalisées en utilisant les mêmes échantillons de sang deux semaines plus tard, les scientifiques ont observé des résultats notablement différents dans lesquels la mise au point non linéaire s'est considérablement améliorée pour la solution hypertonique.
Simulations de la dynamique de faisceau non linéaire induite par la force optique dans des suspensions de type RBC. a–c Variation de la taille du faisceau (FWHM) en fonction du gradient et des forces de diffusion obtenues via des simulations numériques utilisant une puissance d'entrée de 350 mW et en négligeant les effets de diffusion aléatoire, où l'on observe le changement de taille du faisceau lorsque le gradient ou la force de diffusion est « désactivé ». ré, f Vue latérale de la propagation du faisceau et e, g modèles d'intensité transversale de sortie correspondants après propagation à travers un milieu de diffusion aléatoire de type RBC à faible (d, e) et élevé (f, g) la puissance du faisceau. Les vues latérales du faisceau et les modèles d'intensité de sortie sont normalisés par rapport à leurs puissances d'entrée maximales respectives. Crédit :Lumière :Science &Applications, doi:10.1038/s41377-019-0142-1.
Dans une deuxième série d'expériences, les scientifiques ont utilisé un système de pince à épiler optique maison pour mesurer la force du gradient optique sur les globules rouges. Gautam et al. collecté la lumière diffusée vers l'avant des cellules piégées avec une lentille de condenseur et ensuite focalisée sur un détecteur sensible à la position (PSD). Ils ont calculé la rigidité et la force de gradient dans les trois solutions distinctes. Pour simplifier les mesures, Gautam et al. traité les globules rouges hypotoniques et hypertoniques comme des objets en forme de disque. Ils ont utilisé une caméra CCD pour enregistrer les mouvements cellulaires des trois solutions différentes ainsi qu'un microscope à deux objectifs, où la configuration a été pilotée à l'aide d'un faisceau laser de 960 nm. Les résultats ont illustré le mouvement des cellules contre le mouvement brownien sous l'action de forces optiques basées sur les conditions de la cellule (forme, taille) et leur capacité de piégeage du faisceau. Gautam et al. a estimé la force de piégeage en utilisant l'équation de Langevin et a informé que la force a suivi une tendance hypertonique> isotonique> états hypotoniques.
Les scientifiques ont ensuite développé un modèle pour simuler la propagation non linéaire du faisceau dans la matière molle biologique afin de comprendre la physique de la non-linéarité médiée par la force optique. Ils ont modélisé l'évolution temporelle de la distribution de la concentration des particules à l'aide d'une équation de diffusion-advection et ont considéré la présence d'une force de diffusion vers l'avant pour pousser les particules le long de la direction de propagation du faisceau, parallèlement à la force de gradient optique. Gautam et al. ont calculé le changement de taille du faisceau pour les différents paramètres de gradient et de force de diffusion afin de simuler les effets d'auto-focalisation non linéaire dans différentes conditions de tampon. Ils ont enregistré la taille changeante, les indices de volume et de réfraction des globules rouges dans diverses conditions osmotiques qui étaient responsables de l'amplitude variable des forces optiques qui modifiaient la non-linéarité optique. Les résultats simulés étaient qualitativement cohérents avec les observations expérimentales.
Réponse optique non linéaire des globules rouges lysés (hémoglobine libre) dans l'eau. a Taille du faisceau de sortie en fonction de la puissance d'entrée à travers les solutions d'Hb pour quatre concentrations différentes. Les concentrations de GR pour les quatre courbes (Hb1-Hb4) sont de 2,4, 5.1, 8.6, et 15,0 millions de cellules par ml. L'auto-focalisation non linéaire du faisceau se produit à ~100 mW pour des concentrations élevées de Hb, mais il se dilate ensuite en anneaux de défocalisation thermique à haute puissance. b–e Diagrammes d'intensité transversale de sortie typiques pris pour le faisceau autopiégé (b, d) et poutre expansée thermiquement (c, e) pour faible (d, e) et élevé (b, c) concentration. Crédit :Lumière :Science &Applications, doi:10.1038/s41377-019-0142-1
De cette façon, Gautam et al. ont étudié la propagation non linéaire du faisceau dans des globules rouges humains suspendus dans trois solutions tampons différentes. Ils ont découvert que les globules rouges présentaient une forte non-linéarité d'auto-focalisation qui pouvait être contrôlée chimiquement en fonction de la solution tampon. Ils proposent donc de régler la non-linéarité optique via l'osmose et l'augmentation de la pression osmotique, à l'extérieur des cellules dans les échantillons de sang frais. Lorsque les échantillons ont vieilli, l'hémoglobine libre des globules rouges lysés a joué un rôle actif dans la non-linéarité optique observée et a amélioré la réponse non linéaire dans des conditions hypotoniques.
En utilisant la microscopie vidéo directe et les mesures optiques à la pince à épiler, les scientifiques ont montré que la force de piégeage du faisceau était la plus élevée pour les globules rouges dans les conditions hypertoniques et la plus faible pour les solutions hypotoniques. Les scientifiques ont introduit un modèle théorique pour valider les effets expérimentaux observés. Le travail introduira une nouvelle perspective dans le développement d'outils de diagnostic car les résultats sont très prometteurs pour le développement de thérapies de traitement au laser pour les maladies liées au sang.
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