Visualizzazione del micro

Jul 13, 2023

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 13375 (2022) Citare questo articolo

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Le tecniche di microscopia ottica sono una scelta popolare per la visualizzazione di microagenti. Generano immagini con una risoluzione spaziotemporale relativamente elevata ma non rivelano informazioni codificate per distinguere i microagenti e l'ambiente circostante. Questo studio presenta la microscopia a fluorescenza multicolore per il rendering dell'identificazione con codice colore di microagenti mobili e ambienti dinamici mediante dismiscelazione spettrale. Riportiamo le prestazioni della microscopia multicolore visualizzando l'attaccamento di microagenti singoli e a grappolo agli sferoidi tumorali formati con cellule HeLa come prova di concetto per la dimostrazione della somministrazione mirata di farmaci. È stato sviluppato un chip microfluidico per immobilizzare un singolo sferoide per l'attacco, fornire un ambiente stabile per la microscopia multicolore e creare un modello tumorale 3D. Per confermare che la microscopia multicolore è in grado di visualizzare microagenti in ambienti vascolarizzati, vengono utilizzati come modelli sperimentali una rete vascolare in vitro formata da cellule endoteliali e membrana corioallantoidea di pollo ex ovo. La visualizzazione completa dei nostri modelli si ottiene mediante l'eccitazione sequenziale dei fluorofori in modo round-robin e l'acquisizione sincrona di immagini individuali da tre diverse bande dello spettro. Dimostriamo sperimentalmente che la microscopia multicolore decompone spettralmente microagenti, corpi organici (sferoidi e vasi vascolari tumorali) e mezzi circostanti utilizzando fluorofori con caratteristiche di spettro ben separate e consente l'acquisizione di immagini con 1280 \(\times\) 1024 pixel fino a 15 fotogrammi al secondo. I nostri risultati mostrano che la microscopia multicolore in tempo reale fornisce una maggiore comprensione mediante la visualizzazione codificata a colori per quanto riguarda il tracciamento dei microagenti, la morfologia dei corpi organici e la chiara distinzione dei mezzi circostanti.

Il campo della microrobotica ha aperto nuove strade per varie applicazioni in medicina grazie ai progressi nelle tecnologie di micro/nanofabbricazione1,2,3. Una delle applicazioni più importanti è la somministrazione mirata di farmaci, una tecnica innovativa per aumentare il tasso di successo del trattamento, mitigare gli effetti collaterali dei farmaci e ridurre i tempi di recupero del paziente4,5. I microagenti, gli effettori finali dei sistemi microrobotici, vengono utilizzati come trasportatori per la somministrazione di farmaci tramite nanoparticelle e indirizzati verso il tessuto di interesse da stimoli esterni (ad esempio campi magnetici e onde acustiche)6. Vengono utilizzate tecniche di imaging per consentire ai microagenti di raggiungere il tessuto bersaglio poiché l'integrazione del sensore rimane una sfida a causa delle limitazioni dimensionali7,8. Le immagini acquisite possono essere considerate solo fonte di feedback per l'identificazione del target, la manipolazione dei microagenti e il rilascio dei farmaci nella posizione desiderata. Pertanto, una visualizzazione chiara gioca un ruolo cruciale nel processo di consegna.

La risonanza magnetica (MRI), la tomografia computerizzata (CT), la fluoroscopia, gli ultrasuoni e l'imaging fotoacustico vengono utilizzati per visualizzare i microagenti in condizioni in vitro e in vivo. La risonanza magnetica viene utilizzata per l'attivazione e la visualizzazione simultanee di microagenti con un elevato rapporto contrasto-rumore9,10,11. Inoltre, le immagini MRI contengono dettagli anatomici con un elevato rapporto contrasto-rumore per un controllo preciso dei microagenti. Tuttavia, la bassa velocità di acquisizione delle immagini della risonanza magnetica non la rende adatta per applicazioni con microagenti che richiedono la visualizzazione in tempo reale12. Similmente alla risonanza magnetica, la TC fornisce immagini ad alta risoluzione di microagenti ma ha uno spazio di lavoro limitato per l'integrazione di sistemi di attuazione e rilevamento13. La fluoroscopia è un metodo di imaging alternativo alla TC per ottenere uno spazio di lavoro più ampio e ottenere una maggiore velocità di acquisizione delle immagini14,15. Sia la TC che la fluoroscopia hanno effetti dannosi sia sui medici che sui pazienti a causa dell'esposizione alle radiazioni ionizzanti16. Tra le modalità di imaging, le tecniche basate sugli ultrasuoni non presentano effetti collaterali noti sulla salute e vengono utilizzate per la visualizzazione in tempo reale dei microagenti17,18,19,20,21. L'imaging ecografico fornisce un ampio spazio di lavoro per il posizionamento dei sistemi di attuazione poiché le immagini vengono acquisite utilizzando una piccola sonda portatile22,23,24. Tuttavia, le immagini ecografiche sono intrinsecamente rumorose e contengono artefatti che ostacolano il rilevamento dei microagenti. L'imaging fotoacustico supera la limitazione dell'imaging ecografico mediante il miglioramento del contrasto dei microagenti. L'assorbimento della luce riscalda i microagenti contenenti materiali metallici e le successive onde acustiche vengono generate dalla dilatazione termica25. Le onde acustiche generate fanno sì che i microagenti raggiungano un rapporto segnale-rumore più elevato rispetto all'imaging ecografico e vengano risolti dall'ambiente circostante26,27,28.