生物光子學(xué)中的偏振分辨成像

生物光子學(xué)的重要性

生物光子學(xué)涵蓋了醫(yī)學(xué)和生命科學(xué)中應(yīng)用的所有基于光的技術(shù)。光的控制使用已經(jīng)徹底改變了生活的各個方面。它是一種方便的工具，可以快速、可靠地探索細胞結(jié)構(gòu)和功能，具有高精度和靈敏度。

生物光子學(xué)通過光熱或光機械過程協(xié)助細胞功能的光化學(xué)修飾和組織去除。生物醫(yī)學(xué)和臨床應(yīng)用包括:

熱接觸:在這種應(yīng)用中，光的影響是光熱的，因為高能激光產(chǎn)生的熱量會破壞組織。在這里，通過激光的溫度升高的程度和組織中的含水量決定了目標(biāo)組織對激光的響應(yīng)。生物成像:這是一種非侵入性成像技術(shù)，有助于實時可視化生物過程。這種成像技術(shù)有助于量化分子過程中代謝物或離子的水平。熒光共振能量轉(zhuǎn)移顯微鏡(FRET)和雙光子激發(fā)熒光顯微鏡(TPEF)是最新的生物成像技術(shù)，廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。光生物刺激:這是使用激光輻射激活生物體或活細胞的過程。由于其低功率，用于光生物刺激的激光不會產(chǎn)生熱量或破壞生物組織。然而，它們穿透深層組織的能力促進了組織水平的植物化學(xué)固化。

光學(xué)相干斷層掃描(OCT):這是一種無標(biāo)簽、高分辨率的光學(xué)成像技術(shù)，通常用于通過光學(xué)活檢生成組織學(xué)切片圖像。OCT類似于超聲技術(shù)，在超聲成像中光被聲音取代。

光學(xué)與生物醫(yī)學(xué)中的偏振光

光的基本性質(zhì)包括光的強度、波長、相位和偏振。而前三個是標(biāo)量(只有大小而沒有方向)，極化是一個矢量，既有大小又有方向。因此，偏振的應(yīng)用涉及先進的光學(xué)和計算方法。偏振光學(xué)在基礎(chǔ)研究、材料表征、生物醫(yī)學(xué)研究和臨床應(yīng)用等諸多研究領(lǐng)域取得了長足的進步。

多次散射過程改變了入射光束的偏振程度和偏振狀態(tài)。雖然這種偏振的改變提供了關(guān)于生物醫(yī)學(xué)樣品(如細胞和組織)的深刻的結(jié)構(gòu)信息，但它也可能引入預(yù)期光子特性的不確定性，阻礙了生物醫(yī)學(xué)樣品的準(zhǔn)確信息分析。為此，偏振分辨成像技術(shù)可以提供更系統(tǒng)的信息。

生物材料偏振分辨成像

電磁波(光)與介質(zhì)(如細胞或組織)之間的相互作用取決于光的偏振軸與偶極振蕩軸之間的角度，即光波撞擊細胞或組織的角度。因此，偏振分辨光學(xué)成像允許研究非各向同性(不規(guī)則)組織，揭示細胞和組織中的分子取向。

光波在吸收過程中是隨機取向的，沒有明顯的偏振特征;因此，規(guī)則有序的分子結(jié)構(gòu)產(chǎn)生雙折射。這里，雙折射量化參數(shù)，稱為延遲，有助于量化有序分子結(jié)構(gòu)的存在。從疾病診斷到光學(xué)數(shù)據(jù)存儲，偏振分辨光學(xué)成像技術(shù)有著廣泛的應(yīng)用。

近期研究

膠原組織對維持細胞結(jié)構(gòu)完整性和決定組織功能至關(guān)重要。發(fā)表在《光:科學(xué)與應(yīng)用》雜志上的一篇文章強調(diào)了偏振敏感光學(xué)相干斷層掃描(PSOCT)的重要性，PSOCT是一種非侵入性三維成像工具，用于繪制體內(nèi)膠原組織。

PSOCT系統(tǒng)的多極化輸入有助于可視化深層組織中的膠原組織，而使用單極化輸入狀態(tài)時則無法完全顯示膠原組織。采用該方法在健康和梗死的嚙齒動物心臟上進行離體實驗，觀察深度分辨心肌結(jié)構(gòu)。

這項研究將有助于監(jiān)測在不同時間因損傷或心臟移植物重塑引起的梗死事件的愈合反應(yīng)。它還可以幫助理解許多重要的生理疾病，如心律失常的生物力學(xué)起源。

此外，該方法還被用于健康志愿者面部不同解剖位置皮膚張力線膠原蛋白的體內(nèi)結(jié)構(gòu)研究，表明無創(chuàng)PSOCT成像可與其他美容手術(shù)相結(jié)合，以提高對比和診斷能力。

另一項發(fā)表在《生物光子學(xué)雜志》上的研究使用雙光子激發(fā)熒光(TPEF)和二次諧波產(chǎn)生(SHG)對15天大、1個月大和21個月大的5 μm厚皮膚石蠟切片進行了研究，以研究膠原蛋白的生物光子特性，膠原蛋白是皮膚的主要成分，隨著年齡的增長而變化。

偏振分辨SHG (PSHG)圖像顯示大鼠膠原纖維隨年齡的變化，這與光鏡和電鏡結(jié)果一致。這項研究表明，由于氧化應(yīng)激等過程的損傷，膠原蛋白結(jié)構(gòu)的細微變化可以用這種技術(shù)檢測出來。

偏振分辨成像是生物光子學(xué)領(lǐng)域的一種變革性工具。這有助于解決以前未解決的生物組織的復(fù)雜性。它能夠根據(jù)光波與生物材料相互作用時的行為識別細微的結(jié)構(gòu)差異，這為生物醫(yī)學(xué)研究開辟了新的途徑。分析偏振光與生物材料相互作用時的特性，可以揭示大量的知識，闡明分子、組織和細胞的內(nèi)部機制。

偏振分辨成像通過幫助理解衰老過程中膠原纖維的微小變化和識別暗示疾病的微小變化，為早期和更精確的診斷提供了一條途徑。它實時揭示組織組成和分子取向的能力提高了我們對生物系統(tǒng)的理解，并為創(chuàng)造性治療方法創(chuàng)造了新的機會。

技術(shù)和方法的進一步進步無疑將增加偏振分辨成像的范圍和精度。將這項技術(shù)與其他模式相結(jié)合，可以徹底改變醫(yī)學(xué)成像，并有可能帶來更個性化和更有針對性的醫(yī)療解決方案。