Ultrasound-switchable fluorescence imaging
અલ્ટ્રાસાઉન્ડ-સ્વિચેબલ ફ્લોરોસન્સ (યુ. એસ. એફ.) ઇમેજિંગ એક ઊંડી ઓપ્ટિક્સ ઇમેજિંગ તકનીક છે. છેલ્લા કેટલાક દાયકાઓમાં, જૈવિક નમૂનાઓ અને જીવંત પેશીઓની છબી બનાવવા માટે ફ્લોરોસન્સ માઇક્રોસ્કોપી ખૂબ વિકસિત કરવામાં આવી છે. જો કે, પ્રકાશના સ્કેટરિંગને કારણે, ફ્લોરોસન્સ માઇક્રોસ્કોપી છીછરા પેશીઓ (લગભગ 1 મીમી) સુધી મર્યાદિત છે. ફ્લોરોસન્સ ઉચ્ચ વિપરીતતા, ઉચ્ચ સંવેદનશીલતા અને ઓછી કિંમત દ્વારા વર્ગીકૃત થયેલ હોવાથી, જે ઊંડા પેશીઓની માહિતીની તપાસ કરવા માટે નિર્ણાયક છે, ઉચ્ચ ઊંડાઈ-થી-રીઝોલ્યુશન ગુણોત્તર સાથે ફ્લોરોસન્સ ઇમેજિંગ તકનીક વિકસાવવી આશાસ્પદ રહેશે. તાજેતરમાં, છબીની ઊંડાઈનો ત્યાગ કર્યા વિના ઉચ્ચ સંકેત-થી-અવાજ ગુણોત્તર (એસ. એન. આર.) અને ઉચ્ચ અવકાશી રીઝોલ્યુશન ઇમેજિંગ પ્રાપ્ત કરવા માટે અલ્ટ્રાસાઉન્ડ-સ્વિચેબલ ફ્લોરોસન્સ ઇમેજિંગ વિકસાવવામાં આવ્યું છે. મૂળભૂત સિદ્ધાંત યુઆન દ્વારા સૌપ્રથમ 2009 માં સૈદ્ધાંતિક મોડેલની દરખાસ્ત કરવામાં આવી હતી, તેમણે ફ્લોરોફોર-ક્વેંચર-લેબલ માઇક્રો બબલ સિસ્ટમ પર આધારિત અલ્ટ્રાસાઉન્ડ-મોડ્યુલેટેડ ફ્લોરોસન્સ વિકસાવ્યું હતું જે અલ્ટ્રાસાઉન્ડ-ફોકલ ઝોનની અંદર ફ્લોરોસન્ટ ઉત્સર્જનને નિયંત્રિત કરી શકે છે જેથી અવકાશી રીઝોલ્યુશન અને ઇમેજિંગમાં એસએનઆર વધારી શકાય. યુ. એસ. એફ. ઇમેજિંગ સિદ્ધાંતની દ્રષ્ટિએ, અલ્ટ્રાસાઉન્ડ ફોકલ વોલ્યુમની બહાર ફ્લોરોસન્સને ટ્રિગર કર્યા વિના અલ્ટ્રાસાઉન્ડ ફોકલ વોલ્યુમની અંદર ફ્લોરોસન્ટ ઉત્સર્જનને સક્રિય કરવા માટે ટૂંકા અલ્ટ્રાસાઉન્ડ પલ્સ લાગુ કરવામાં આવે છે. આમ, અલ્ટ્રાસાઉન્ડ ફોકલ ઝોનમાં ફ્લોરોફોર્સ વિતરણને લક્ષ્યની તપાસ કરીને અલગ કરી શકાય છે અને છબી બનાવી શકાય છે. યુ. એસ. એફ. ઇમેજિંગ તકનીકમાં બે મૂળભૂત ઘટકો જરૂરી છે, પ્રથમ અનન્ય યુ. એસ. એફ. કોન્ટ્રાસ્ટ એજન્ટો છે જેમના ફ્લોરોસન્સ ઉત્સર્જનને કેન્દ્રિત અલ્ટ્રાસાઉન્ડ તરંગ દ્વારા નિયંત્રિત કરી શકાય છે. બીજું, સિગ્નલને શોધવા અને બેકગ્રાઉન્ડ અવાજને દબાવવા માટે સંવેદનશીલ યુ. એસ. એફ. ઇમેજિંગ સિસ્ટમ પણ જરૂરી છે. ઇમેજિંગ કોન્ટ્રાસ્ટ એજન્ટો હાલમાં, બે પ્રકારના કોન્ટ્રાસ્ટ એજન્ટો વિકસાવવામાં આવ્યા છે. ફ્લોરોફોર-ક્વેંચર-લેબલ માઇક્રો બબલ પ્રથમ પ્રકાર ફ્લોરોફોર-ક્વેંચર-લેબલ માઇક્રો બબલ છે, જેની શોધ યુઆન દ્વારા 2019માં કરવામાં આવી હતી અને લિયુ એટ અલ દ્વારા વિકસાવવામાં આવી હતી. 2014 માં. આ પ્રકારના કોન્ટ્રાસ્ટ એજન્ટનો મૂળભૂત સિદ્ધાંત માઇક્રો બબલ સપાટી પર ફ્લોરોફોરની સાંદ્રતામાં ફેરફાર કરવાનો છે. 2000 માં, મોર્ગન એટ અલ. એવું જાણવા મળ્યું છે કે નકારાત્મક અલ્ટ્રાસોલ્ડ તરંગ સૂક્ષ્મ પરપોટાને ઘણા ગણો મોટો બનાવી શકે છે. પરિણામે, સૂક્ષ્મ પરપોટાની સપાટી પર શમન કરનાર અને ફ્લોરોફોર વચ્ચેનું અંતર મોટું થઈ જાય છે (સપાટી પર ફ્લુરોફોરની સાંદ્રતામાં ઘટાડો થાય છે) જેનો અર્થ છે કે શમન કરવાની કાર્યક્ષમતામાં અત્યંત ઘટાડો થાય છે અને ફ્લોરોફોર ઉચ્ચ ઉત્સર્જન કાર્યક્ષમતા (ચાલુ સ્થિતિ) દર્શાવે છે. અલ્ટ્રાસાઉન્ડ ફોકલ ઝોનની બહારનો માઇક્રો બબલ સમગ્ર પ્રક્રિયા દરમિયાન સમાન નાનું કદ રાખે છે, તેથી ફ્લોરોફોર ઉત્સર્જન (બંધ સ્થિતિ) ને દબાવવા માટે શમન કાર્યક્ષમતા હંમેશા પૂરતી વધારે હોય છે. ફ્લોરોફોર-લેબલ થર્મોસેન્સિટિવ પોલિમર અથવા ફ્લોરોફોર-એન્કેપ્સ્યુલેટેડ નેનોપાર્ટિકલ્સ (એન. પી.) બીજા પ્રકારનાં કોન્ટ્રાસ્ટ એજન્ટ ફ્લોરોફોર-લેબલ થર્મોસેન્સિટિવ પોલિમર અથવા ફ્લોરોફોર-એન્કેપ્સ્યુલેટેડ નેનોપાર્ટિકલ્સ (એન. પી.) છે. આ પ્રકારના એજન્ટનો નિર્ણાયક ભાગ થર્મો-સેન્સિટિવ કેરિયર અને તેના પર લેબલ થયેલ પર્યાવરણ-સેન્સિટિવ (સામાન્ય રીતે ધ્રુવીયતા-સેન્સિટિવ) ફ્લોરોફોરનું સંયોજન છે. જ્યારે પર્યાવરણનું તાપમાન ચોક્કસ થ્રેશોલ્ડ (Tth1) હેઠળ હોય છે, ત્યારે વાહકની ધ્રુવીયતા જેના પર ફ્લોરોફોર ખૂબ ઓછી ઉત્સર્જન કાર્યક્ષમતા (બંધ સ્થિતિ) દર્શાવે છે. જ્યારે કેન્દ્રિત અલ્ટ્રાસાઉન્ડ લાગુ કરવામાં આવે છે, ત્યારે ફોકલ ઝોનને તાપમાન થ્રેશોલ્ડ (Tth2) થી ઉપર ગરમ કરવામાં આવે છે અને થર્મો-સેન્સિટિવ વાહકની રચનામાં ફેરફાર કરવામાં આવશે જે તેની ધ્રુવીયતામાં પણ ફેરફાર કરે છે, તેથી, ધ્રુવીયતા-સંવેદનશીલ ફ્લોરોફોર બંધ કરવામાં આવશે. સમગ્ર પ્રક્રિયા દરમિયાન, અલ્ટ્રાસાઉન્ડ ફોકલ ઝોનની બહારનો ફ્લોરોફોર બંધ રહે છે કારણ કે તાપમાન Tth1 કરતા ઓછું હોય છે. યુ. એસ. એફ. ઇમેજિંગ સિસ્ટમનો હેતુ યુ. એસ. એફ. સિગ્નલને સંવેદનશીલ રીતે શોધવાનો અને પૃષ્ઠભૂમિના અવાજને નાટકીય રીતે દબાવવાનો છે. ઇમેજ સિસ્ટમ પ્રથમ લોક-ઇન એમ્પ્લીફાયર અને કૂલ્ડ ફોટોમલ્ટીપ્લાયર ટ્યુબ (પીએમટી) અપનાવીને સિસ્ટમ સંવેદનશીલતામાં નાટ્યાત્મક રીતે વધારો કરે છે; પછી સિસ્ટમ યુ. એસ. એફ. સિગ્નલને બેકગ્રાઉન્ડ અવાજથી અલગ પાડવા માટે સહસંબંધ અલ્ગોરિધમનો ઉપયોગ કરે છે; ઉપરાંત, તે અલ્ટ્રાસાઉન્ડને કારણે થતા ફ્લોરોસન્સ સિગ્નલના ફેરફારને જ શોધી કાઢે છે, મોડ્યુલેટેડ-ફ્રિક્વન્સી ઉત્તેજના લેસર હંમેશાં ચાલતું રહે છે, અલ્ટ્રાસાઉન્ડ-પ્રેરિત તાપમાનમાં વધારો મોડ્યુલેટેડ આવર્તનમાં ફ્લોરોસન્સ સિગ્નલના કંપનવિસ્તારને બદલે છે. ફેઝ-લોક સંદર્ભ સંકેતમાં દખલ કર્યા પછી, લોક-ઇન એમ્પ્લીફાયર યુ. એસ. એફ. સંકેતની જાણ કરે છે; સિસ્ટમ કેટલાક ઉત્સર્જન ફિલ્ટરનો ઉપયોગ કરીને લેસર લિકેજને પણ ઘટાડી શકે છે. સિગ્નલ ટુ નોઇઝ રેશિયો યુ. એસ. એફ. ઇમેજિંગ પૃષ્ઠભૂમિ ફોટોનથી સિગ્નલ ફોટોનને અલગ કરીને એસ. એન. આર. માં વધારો કરી શકે છે. પૃષ્ઠભૂમિ ફોટોન ઓટોફ્લોરેસેન્સ, પ્રકાશ સ્કેટરિંગ, અપૂર્ણ કોન્ટ્રાસ્ટ એજન્ટો અને લેસર લિકેજમાંથી આવી શકે છે. ઓટોફ્લોરોસેન્સ ઘટાડવા માટે, એન. આઈ. આર. ફ્લોરોફોરને અપનાવી શકાય છે કારણ કે જૈવિક પેશી ઘટકો એન. આઈ. આર. પ્રદેશમાં ઓછામાં ઓછા ઓટોફ્લોરોસેન્સ ઉત્પન્ન કરે છે. રેલે થિયરી અનુસારઃ I (r, θ) = 1/λ4 મોટી તરંગલંબાઇ ધરાવતો પ્રકાશ ઓછો વિખેરાય છે, તેથી પ્રકાશનું વિખેરણ જે પૃષ્ઠભૂમિ અવાજના ભાગમાં પરિણમે છે તેને ઘટાડી શકાય છે. ઉપરાંત, ફ્લોરોસન્ટ ઉત્સર્જનને નિયંત્રિત કરવા માટે અલ્ટ્રાસાઉન્ડ અપનાવીને, સિગ્નલ ફ્લોરોફોરને સરળતાથી બેકગ્રાઉન્ડ ફ્લોરોફોરથી અલગ કરી શકાય છે. આપણે ઉપર ઉલ્લેખ કર્યો છે તેમ, ઉત્સર્જન ગાળકો દ્વારા લેસર લિકેજને ઘટાડી શકાય છે. અવકાશી રીઝોલ્યુશન જ્યારે બીજા પ્રકારના વિપરીત એજન્ટો (ફ્લોરોફોર-લેબલવાળા થર્મોસેન્સિટિવ એન. પી.) નો ઉપયોગ કરવામાં આવે છે, ત્યારે અવકાશી રીઝોલ્યુશનને બે પદ્ધતિઓના આધારે વધુ સુધારી શકાય છે. અવકાશી રીઝોલ્યુશનને વધારવા માટે બિનરેખીય એકોસ્ટિક અસર એકોસ્ટિક વિવર્તન એ મુખ્ય અવરોધ છે. અલ્ટ્રાસાઉન્ડ એક્સપોઝર પાવરને નિયંત્રિત કરીને, બિનરેખીય એકોસ્ટિક અસર થઈ શકે છે, પરિણામે, મૂળભૂત આવર્તન પર એકોસ્ટિક ઊર્જાનો એક ભાગ ફોકલ વોલ્યુમમાં ઉચ્ચ હાર્મોનિક આવર્તન ઘટકોમાં સ્થાનાંતરિત થઈ શકે છે જે વધુ કડક રીતે કેન્દ્રિત થઈ શકે છે. આ મુખ્ય કારણ છે કે બિનરેખીય ધ્વનિ અસર અલ્ટ્રાસાઉન્ડ-પ્રેરિત તાપમાનના કેન્દ્રીય કદને ઘટાડી શકે છે. થર્મલ કન્ફિનમેન્ટ યુ. એસ. એફ. તકનીકનું અવકાશી રીઝોલ્યુશન તે પ્રદેશના કદ દ્વારા નક્કી કરવામાં આવે છે જ્યાં ફ્લોરોફોર્સને ચાલુ કરી શકાય છે. માત્ર તાપમાન થ્રેશોલ્ડથી ઉપર હોય છે, ફ્લોરફોર ચાલુ કરી શકાય છે. જો કે, થર્મલ પ્રસરણ અથવા વહનને કારણે, અલ્ટ્રાસાઉન્ડ-પ્રેરિત થર્મલ ઊર્જાને અલ્ટ્રાસાઉન્ડ એક્સપોઝર સમયને નિયંત્રિત કરીને ફોકલ વોલ્યુમ કદની અંદર મર્યાદિત રાખવાની જરૂર છે, તેથી ફ્લોરોફોર્સને ચાલુ કરી શકાય છે જે સામાન્ય રીતે અલ્ટ્રાસાઉન્ડના વાસ્તવિક ફોકલ કદ કરતા નાનું હોય છે. યુ. એસ. એફ. તકનીકને પ્રકાશ-પલ્સ-વિલંબ તકનીક અને ફોટોન ગણતરી તકનીક સાથે જોડી શકાય છે જેથી ઊંડા અશાંત માધ્યમમાં ઉચ્ચ-રીઝોલ્યુશન ઇમેજિંગ પ્રાપ્ત કરી શકાય. 2016 માં, ચેંગ એટ અલ. ઉચ્ચ એસ. એન. આર. અને ઉચ્ચ સંવેદનશીલતા સાથે સેન્ટીમીટર-ઊંડા પેશી ફેન્ટોમ્સમાં ઉચ્ચ-રીઝોલ્યુશન ફ્લોરોસન્સ ઇમેજિંગ પ્રાપ્ત કર્યું, તેઓએ એન. આઈ. આર. અત્યંત પર્યાવરણ-સંવેદનશીલ ફ્લોરોફોર, એ. ડી. પી. (સી. એ.) 2, અને આ રંગ પર આધારિત યુ. એસ. એફ. કોન્ટ્રાસ્ટ એજન્ટોના પરિવારનું સંશ્લેષણ અને લાક્ષણિકતા દર્શાવી. 2019 માં તાજેતરના અભ્યાસમાં, યાઓ એટ અલ. પ્રથમ ઉચ્ચ રીઝોલ્યુશનવાળા ઉંદરમાં વિવો અલ્ટ્રાસાઉન્ડ-સ્વિચેબલ ફ્લોરોસન્સ ઇમેજિંગમાં પ્રાપ્ત થયું. આઇસીજી-એન્કેપ્સ્યુલેટેડ પીએનઆઇપીએએમ નેનોપાર્ટિકલ્સને કોન્ટ્રાસ્ટ એજન્ટ તરીકે અપનાવવામાં આવ્યા હતા જે જૈવિક વાતાવરણમાં એકદમ સ્થિર છે. સીટી ઇમેજિંગ પરિણામોની તુલનામાં, તેમને જાણવા મળ્યું કે યુ. એસ. એફ. ઇમેજિંગ ઊંડા પેશીઓમાં ઉચ્ચ સંવેદનશીલતા અને વિશિષ્ટતા જાળવી રાખે છે. સંદર્ભો અલ્ટ્રાસાઉન્ડ ઓપ્ટિકલ માઇક્રોસ્કોપી તકનીકો ફ્લોરોસન્સ