Dengan menggunakan pendekatan ini, peneliti dapat memetakan bagaimana cahaya menyebar di lingkungan yang buram.
Menggunakan sensor MRI khusus, peneliti MIT telah menunjukkan bahwa mereka dapat mendeteksi cahaya jauh di dalam jaringan seperti otak. Pencitraan cahaya di jaringan dalam sangat sulit karena saat cahaya masuk ke jaringan, sebagian besar diserap atau dihamburkan. Tim MIT mengatasi kendala tersebut dengan merancang sebuah sensor yang mengubah cahaya menjadi sinyal magnetik yang dapat dideteksi oleh MRI (magnetic resonance imaging). Jenis sensor ini dapat digunakan untuk memetakan cahaya yang dipancarkan oleh serat optik yang ditanamkan di otak, seperti serat yang digunakan untuk merangsang neuron selama eksperimen optogenetik. Dengan pengembangan lebih lanjut, itu juga terbukti berguna untuk memantau pasien yang menerima terapi berbasis cahaya untuk kanker, kata para peneliti. “Kita dapat mencitrakan distribusi cahaya dalam jaringan, dan itu penting karena orang yang menggunakan cahaya untuk menstimulasi jaringan atau untuk mengukur dari jaringan seringkali tidak tahu ke mana arah cahaya, ke mana mereka menstimulasi, atau ke mana cahaya itu berada. berasal dari. Alat kami dapat digunakan untuk mengatasi hal-hal yang tidak diketahui itu, ”kata Alan Jasanoff, profesor teknik biologi, ilmu otak dan kognitif, serta ilmu dan teknik nuklir MIT. Jasanoff, yang juga seorang penyelidik rekanan di MIT's McGovern Institute for Brain Research, adalah penulis senior studi tersebut , yang muncul hari ini di Nature Biomedical Engineering . Jacob Simon PhD '21 dan pascadoktoral MIT Miriam Schwalm adalah penulis utama makalah ini, dan Johannes Morstein serta Dirk Trauner dari Universitas New York juga penulis makalah ini.

Sebuah probe peka cahaya

Para ilmuwan telah menggunakan cahaya untuk mempelajari sel-sel hidup selama ratusan tahun, sejak akhir tahun 1500-an, ketika mikroskop cahaya ditemukan. Jenis mikroskop ini memungkinkan peneliti untuk mengintip ke dalam sel dan irisan tipis jaringan, tetapi tidak jauh ke dalam organisme. “Salah satu masalah terus-menerus dalam menggunakan cahaya, terutama dalam ilmu kehidupan, adalah bahwa cahaya tidak bekerja dengan baik dalam menembus banyak bahan,” kata Jasanoff. “Bahan biologis menyerap cahaya dan menyebarkan cahaya, dan kombinasi dari hal-hal tersebut mencegah kita menggunakan sebagian besar jenis pencitraan optik untuk apa pun yang melibatkan pemfokusan pada jaringan dalam.” Untuk mengatasi keterbatasan tersebut, Jasanoff dan mahasiswanya memutuskan untuk merancang sebuah sensor yang dapat mengubah cahaya menjadi sinyal magnetik. “Kami ingin membuat sensor magnetik yang merespons cahaya secara lokal, dan karena itu tidak terkena absorbansi atau hamburan. Kemudian detektor cahaya ini dapat dicitrakan menggunakan MRI,” ujarnya.

Laboratorium Jasanoff sebelumnya telah mengembangkan probe MRI yang dapat berinteraksi dengan berbagai molekul di otak, termasuk dopamin dan kalsium. Saat probe ini berikatan dengan targetnya, ini memengaruhi interaksi magnetik sensor dengan jaringan di sekitarnya, meredupkan atau mencerahkan sinyal MRI. Untuk membuat probe MRI peka cahaya, para peneliti memutuskan untuk membungkus partikel magnetik dalam partikel nano yang disebut liposom. Liposom yang digunakan dalam penelitian ini dibuat dari lipid peka cahaya khusus yang dikembangkan Trauner sebelumnya. Ketika lipid ini terkena panjang gelombang cahaya tertentu, liposom menjadi lebih permeabel terhadap air, atau "bocor". Ini memungkinkan partikel magnetik di dalamnya berinteraksi dengan air dan menghasilkan sinyal yang dapat dideteksi oleh MRI.

Partikel, yang oleh para peneliti disebut liposomal nanoparticle reporter (LisNR), dapat berubah dari permeabel menjadi impermeabel tergantung pada jenis cahaya yang terpapar. Dalam studi ini, para peneliti menciptakan partikel yang menjadi bocor saat terkena sinar ultraviolet, dan kemudian menjadi kedap air lagi saat terkena sinar biru. Para peneliti juga menunjukkan bahwa partikel dapat merespon panjang gelombang cahaya lainnya. 

“Makalah ini menunjukkan sensor baru untuk mengaktifkan deteksi foton dengan MRI melalui otak. Pekerjaan mencerahkan ini memperkenalkan jalan baru untuk menjembatani foton dan studi neuroimaging berbasis proton, ”kata Xin Yu, asisten profesor radiologi di Harvard Medical School, yang tidak terlibat dalam penelitian ini.

Cahaya pemetaan

Para peneliti menguji sensor di otak tikus — khususnya, di bagian otak yang disebut striatum, yang terlibat dalam merencanakan gerakan dan merespons hadiah. Setelah menyuntikkan partikel ke seluruh striatum, para peneliti mampu memetakan distribusi cahaya dari serat optik yang ditanamkan di dekatnya. Serat yang mereka gunakan serupa dengan yang digunakan untuk stimulasi optogenetik, jadi jenis penginderaan ini dapat bermanfaat bagi peneliti yang melakukan eksperimen optogenetik di otak, kata Jasanoff. “Kami tidak berharap bahwa setiap orang yang melakukan optogenetika akan menggunakan ini untuk setiap percobaan — ini lebih merupakan sesuatu yang akan Anda lakukan sesekali, untuk melihat apakah paradigma yang Anda gunakan benar-benar menghasilkan profil cahaya yang Anda pikirkan. seharusnya,” kata Jasanoff. Kedepannya, sensor jenis ini juga dapat berguna untuk memantau pasien yang menerima perawatan yang melibatkan cahaya, seperti terapi fotodinamik, yang menggunakan cahaya dari laser atau LED untuk membunuh sel kanker.

Para peneliti sekarang sedang mengerjakan probe serupa yang dapat digunakan untuk mendeteksi cahaya yang dipancarkan oleh luciferases, keluarga protein bercahaya yang sering digunakan dalam percobaan biologi. Protein ini dapat digunakan untuk mengungkapkan apakah gen tertentu diaktifkan atau tidak, tetapi saat ini hanya dapat dicitrakan di jaringan superfisial atau sel yang ditumbuhkan di cawan laboratorium. Jasanoff juga berharap dapat menggunakan strategi yang digunakan untuk sensor LisNR untuk merancang probe MRI yang dapat mendeteksi rangsangan selain cahaya, seperti bahan kimia saraf atau molekul lain yang ditemukan di otak. “Menurut kami prinsip yang kami gunakan untuk membuat sensor ini cukup luas dan dapat digunakan untuk keperluan lain juga,” ujarnya. Penelitian ini didanai oleh National Institutes of Health, G. Harold dan Leila Y. Mathers Foundation, Friends of the McGovern Fellowship dari McGovern Institute for Brain Research, Program Pelatihan Rekayasa Neurobiologis MIT, dan Marie Curie Individual Fellowship dari Komisi Eropa.

sumber: https://news.mit.edu/2022/mri-light-detection-1222