1. СПЕЦКУРС
ОПТИЧЕСКИЙ БИОИМИДЖИНГ
лекция 5
Турчин Илья Викторович
ИПФ РАН, отдел радиофизических методов в медицине
НижГМА, научная лаборатория флуоресцентного биомиджинга НИИ БМТ
E-mail: ilya@ufp.appl.sci-nnov.ru
http://bioimaging.ru/
Тел.: 8(831)4368010
Нижний Новгород 2013

2. Исследование внутренней структуры биотканей оптическими методами
Зондирующее излучение
Спектральный
диапазон
Методы оптического
биоимиджинга
Микроскопия
(контраст - показатель преломления,
флуорофоры)
Глубина исследования
100 -200 микрон
Любой:
400-1200 нм
(от видимого до
ближнего ИК)
Оптическая когерентная томография
(контраст – показатель рассеяния)
1-2 мм
Оптоакустическая томография
2-20 мм
(контраст – показатель поглощения)
Оптическая
диффузионная томография
(контраст - показатели рассеяния и
поглощения),
От нескольких
миллиметров до 10 см
диффузионная флуоресцентная
томография
(контраст - флуорофоры),
глубина
600-1200 нм
(дальнекрасный
– ближний ИК
диапазоны)
700-950 нм
(минимальное
поглощение)

3. Исследование внутренней структуры биотканей оптическими методами
Зондирующее излучение
Спектральный
диапазон
Методы оптического
биоимиджинга
Микроскопия
(контраст - показатель преломления,
флуорофоры)
Глубина исследования
100 -200 микрон
Любой:
400-1200 нм
(от видимого до
ближнего ИК)
Оптическая когерентная томография
(контраст – показатель рассеяния)
1-2 мм
Оптоакустическая томография
2-20 мм
(контраст – показатель поглощения)
Оптическая диффузионная
томография/спектроскопия
(контраст - показатели рассеяния и
поглощения),
От нескольких
миллиметров до 10 см
диффузионная флуоресцентная
томография
(контраст - флуорофоры),
глубина
600-1200 нм
(дальнекрасный
– ближний ИК
диапазоны)
700-950 нм
(минимальное
поглощение)

4. Флуоресцентная визуализация,
в т.ч. флуоресцентная томография томография
Диапазон длин волн зависит от требуемой глубины визуализации
Экспериментальная онкология и медицинская диагностика
• Неинвазивность (при разумных дозах излучения)
•Высокое пространственное разрешение (различные виды
микроскопии)
• Возможность визуализации на глубине (оптическая томография)
• Возможность определения компонентного состава биологических
тканей (использование зондирующего излучения на нескольких
длинах волн)
• Возможность использования оптических контрастов
(специфическое окрашивание)

5. Флуоресцирующие белки (экспериментальная онкология)
Вектор
Изолированная
ДНК ФБ
Рекомбинантная
молекула
Опухолевая
клетка
Ген флуоресцирующего белка (ФБ)
встраивают в опухолевые клетки
человека
Трансформированная
опухолевая клетка
На животных – биомоделях проводится изучение
опухолевого роста, метастазирования, ангиогенеза, оценка
эффективности новых противоопухолевых средств
Зеленый флуоресцирующий белок (GFP):
Открытие – 1962
Клонирование – 1992
Первое приложение – 1994
Нобелевская премия – 2008
Hoffman R.M. Lab Animal V. 31, 2002

6. Исследования на лабораторных животных in vivo
• Наблюдение в отраженном свете (epi-illumination)
Хорошее разрешение для поверхностных опухолей
Высокая скорость, не требует реконструкции
• Метод проекций (Transillumination)
Визуализация глубоко расположенных и
поверхностных опухолей
Высокая скорость, не требует реконструкции
• Диффузионная флуоресцентная томография позволяет оценить 3D
распределение флуорофора в ткани
Низкая скорость,
Требуется реконструкция.
Diffuse pattern
V. Ntziachristos, et al., Nature Biotechnology 23, 2005

7. In vivo мониторинг роста опухоли
Опухолевые клетки, экспрессирующие флуоресцирующий белок
KillerRed (ex. 590, em. 610-790 nm)
9 день
14 день
Установка для исследования лабораторных
животных флуоресцентными методами
(ИПФ РАН):
- На отражение (epi-illumination)
- На просвет (transillumination)
25 день

8. Разделение флуорофоров по спектру флуоресценции
(spectral unmixing)
ИПФ РАН
Интенсивность, a.u
Флуоресценция белка
Спектр
возбуждения
белка
Фильтр 1 Фильтр 2
Автофлуоресценция
окружающих тканей
Длина волны, нм

9. Диффузионная флуоресцентная томография (ДФТ)
Ivis Spectrum (Caliper)
Исследования канцерогенеза и применения противоопухолевых
препаратов на лабораторных животных

10. Флуоресцентные агенты
Квантовые точки
(синтезированные
флуоресцирующие агенты)
Яркость флуоресценции, a.u.
Интенсивность, %
Относительная яркость
флуоресцирующих белков
Показатель
поглощения, 1/см
Длина волны, нм
Длина волны, нм
Длина волны, нм

11. Исследование внутренней структуры биотканей оптическими методами
Зондирующее излучение
Спектральный
диапазон
Методы оптического
биоимиджинга
Микроскопия
(контраст - показатель преломления,
флуорофоры)
Глубина исследования
100 -200 микрон
Любой:
400-1200 нм
(от видимого до
ближнего ИК)
Оптическая когерентная томография
(контраст – показатель рассеяния)
1-2 мм
Оптоакустическая томография
2-20 мм
(контраст – показатель поглощения)
Оптическая диффузионная
томография/спектроскопия
(контраст - показатели рассеяния и
поглощения),
От нескольких
миллиметров до 10 см
диффузионная флуоресцентная
томография
(контраст - флуорофоры),
глубина
600-1200 нм
(дальнекрасный
– ближний ИК
диапазоны)
700-950 нм
(минимальное
поглощение)

12. Оптоакустическая визуализация,
Диапазон длин волн зависит от требуемой глубины визуализации
Экспериментальная онкология и медицинская диагностика
• Неинвазивность (при разумных дозах излучения)
• Высокое пространственное разрешение
• Возможность визуализации на глубине (оптическая томография)
• Возможность определения компонентного состава биологических
тканей (использование зондирующего излучения на нескольких
длинах волн)
• Возможность использования оптических контрастов
(специфическое окрашивание)

13. Оптоакустическая диагностика биотканей
Лазерные импульсы [532…800] нм
Контактная жидкость
∆T~1мK, ∆P~1кПа
Окси/дезокси
гемоглобин
(HbO2, HbR)
+
возможность использования
контрастирующих агентов,
поглощающих свет селективно (на
определенных длинах волн)
Lihong V. Wang // Photoacoustic
tomography: in vivo imaging from
organelles to organs // Science. 2012.
Биоткань

14. Оптоакустическая (ОА) томография
Исследование функции мозга методом ОАТ
Поверхностное
флуоресцентное
изображение
In vivo ОАТ
Оптоакустическое исследование
позволяет получать изображения
внутренней структуры биотканей
с оптическим контрастом и
акустическим разрешением
Li et al.: Simultaneous Molecular and Hypoxia Imaging of
Brain Tumors In Vivo, Proceedings of the IEEE, 2008

15. ОА-томография
Молочн. железа
ОА-микроскопия
Мышиное ухо
засветка
1 см
Акустические
приемники
Лазер: 800 нм
Время сканирования:24 сек
Разреш.: 250 мкм, глубина: 40 мм
Число ант. элем.: 128, частота: 5 МГц
Kruger R. A at al.//Med. Phys.2010.37(6096).
Лазер: 570 нм
Время сканирования: 80 мин
Разрешение 3 мкм, глубина:
1.2 мм,
Число ант. элем. 1, частота:
50МГц
L.Wang et al.//Opt.Lett.2011.36(7).

16. Возможности коммерческого оптоакустического томографа
Vevo2100
1) Одновременная УЗИ+ОА
исследование
2) Молекулярный имиджинг:
(визуализация экзогенных
маркеров в оптическом
диапазоне 680…970 нм)
3) Функциональный имиджинг
-концентрация гемоглобина
-оксигенация тканей %

17. Институт прикладной физики РАН, лаборатория биофтоники –
разработка методов оптического биоимиджинга
микроскопия
Оптоакустика
Диффузионная флуоресцентная
томография
Диффузионная
спектроскопия
Ультрамикроскопия
(a)
50
40
30
20
10
0
0
0
10 20 30 40 50 60 70 80 90
90
(b)