Et skjult univers eksisterer under grensen for det menneskelige øye – cellenes og vevenes verden. For å avdekke hemmelighetene deres, er forskere avhengige av avanserte optiske teknologier som mikroskopi og tomografi. Disse verktøyene fungerer som portaler inn i mikrokosmos, hvor det usynlige forvandles til noe synlig og målbart. Fra de tidligste enkle mikroskopene til dagens høyoppløselige bildesystemer har optiske metoder gjort det mulig for forskere å utforske livets intrikate strukturer og prosesser med stadig økende detaljrikdom. Ved å avsløre cellenes indre virkemåte gir de avgjørende kunnskap om hvordan sykdommer utvikler seg, hvordan behandlinger virker, og hvor nye legemiddelmål kan finnes. Innen hjerte- og karsykdommer kan avansert avbildning for eksempel vise hvordan hjertets vev vokser, fungerer og svikter – og dermed legge grunnlaget for bedre behandling og diagnostikk.
Likevel er utforskningen av dette mikroskopiske grenselandet langt fra enkel. Biologiske prøver er ofte tykke og sterkt spredende, noe som gjør at lyset diffunderes og forvrenges før det når detektoren. Denne spredningen gjør bildet uklart, begrenser oppløsningen og hindrer et tydelig innblikk i cellenes dynamikk. For å overvinne disse barrierene trengs nye teknologier som kan presse grensene for oppløsning, dybde og hastighet.
Ved UiT Norges arktiske universitet leder Dr. Azeem Ahmad et banebrytende arbeid for å møte disse utfordringene gjennom utviklingen av en ny bildeteknologi kalt 5D-QUIP – en forkortelse for Quantitative Microscopy in Five Dimensions. I motsetning til konvensjonelle mikroskoper, som kun fanger statiske 3D-bilder, kombinerer 5D-QUIP flere dimensjoner av informasjon: tre romlige dimensjoner, tid og bølgelengde. Denne kombinasjonen muliggjør ikke bare strukturell avbildning, men også dynamisk og spektroskopisk analyse av levende prøver. I praksis betyr det at man kan se hvordan biologiske prosesser utfolder seg i sanntid, dypt inne i tykke vev, og på tvers av flere optiske bølgelengder.
Et hovedfokus for prosjektet er studiet av konstruert hjertemuskelvev (EHT), en lovende plattform for modellering av hjerte- og karsykdommer og for testing av nye legemidler. Ved å fange femdimensjonale bilder av disse vevene mens de slår, har 5D-QUIP som mål å gi en hittil usett detaljrikdom. Dette kan hjelpe forskere med å oppdage subtile endringer på cellenivå, identifisere nye legemiddelmål og forbedre behandlinger av hjertesykdom.
Prosjektet har allerede gjort betydelige fremskritt mot denne visjonen. En viktig milepæl er modelleringen og optimaliseringen av et diffraktivt optisk element (DOE), en kritisk komponent som oversetter lysets bølgelengder til dybdedata. Denne innovasjonen muliggjør spektroskopisk dybdeoppløst avbildning, og teamet har allerede bestilt det ferdigproduserte elementet, som snart er ventet levert. En annen milepæl er utviklingen og vellykket testing av en kvantitativ differensiell interferenskontrastenhet (QDIC). Denne enheten har vist evnen til å undertrykke multiple spredninger i tykke biologiske prøver. Eksperimenter på 300 mikrometer tykke organoider har vist at tilnærmingen forbedrer tredimensjonal brytningsindeksavbildning (RI), og gir klarere og mer pålitelige data. Resultatene er så lovende at de er sendt inn som en vitenskapelig artikkel, som nå er under fagfellevurdering.
Vi har også sendt inn en patentsøknad (United Kingdom Patent Application No. 2513325.7) for å beskytte det nye konseptet med QDIC-enheten. Dette sikrer immaterielle rettigheter for denne innovative bildemetoden. QDIC-metoden introduserer en kraftfull måte å undertrykke multiple spredninger på og muliggjør kvantitativ fase- og RI-avbildning i tykke biologiske prøver, noe som representerer et betydelig fremskritt sammenlignet med konvensjonelle tomografiteknikker. Å sikre dette patentet beskytter ikke bare ideens originalitet, men åpner også for framtidig oversettelse til praktiske biomedisinske verktøy og mulige kommersialiseringsmuligheter.
Parallelt med maskinvareutviklingen går prosjektet også videre på den beregningsmessige siden. Rekonstruksjonsalgoritmer, som transformerer rå optiske data til høyoppløselige kvantitative bilder, blir kontinuerlig forbedret for å gi større nøyaktighet og hastighet. Disse algoritmene er avgjørende for å realisere hele potensialet i 5D-QUIP, ved å sikre at de store datamengdene omdannes til meningsfulle biologiske innsikter. I tillegg er maskinvarekomponenter for spektroskopisk dybdeoppløst avbildning (SDRI) allerede mottatt, og systemintegrasjonen er i gang – et nytt viktig steg fremover.
Samlet viser disse fremskrittene hvordan 5D-QUIP gradvis beveger seg fra idé til virkelighet. Hver milepæl bringer prosjektet nærmere å levere et transformativt verktøy for biomedisinsk forskning. Ved å kombinere innovativ optikk, avansert beregning og biologiske anvendelser, viser prosjektet hvordan fysikk og teknologi sammen kan drive fremgang i helseforskning.
Fluorescence-based advanced optical microscopy, despite its increasing popularity, faces limitations due to intrusive labeling processes. Photobleaching hinders prolonged imaging of living cells, and the photochemical toxicity of fluorescence disrupts the delicate biology being studied, limiting its true impact. These challenges are aggravated in thick tissues. The longstanding goal of microscopy and life science communities is to "decode life in its natural state". This underscores the necessity for imaging tools that can visualize and study delicate biological systems in an unperturbed state with minimal interference, driving rapid development in the field of label-free optical microscopy.
To date significant progress has been made in 3D label-free imaging, allowing researchers to observe complex structures with more detail. However, the current state-of-the-art techniques for imaging thick tissue samples have pros and cons in terms of either temporal and spatial resolution (in the case of medical imaging) or imaging depth (in the case of microscopy imaging). This creates a technology gap for high-speed and high-resolution quantitative imaging of thick tissue specimens. We propose a novel technique and coined it as 5D quantitative microscopy (5D-QUIP) which aims to bridge the gap between label-free microscopy techniques and medical imaging techniques providing high-temporal and spatial resolution with larger imaging depth. This will enable high-speed time-lapse imaging, allowing observation of dynamic processes over time with unprecedented details inside thick samples, such as beating in engineered heart tissue (EHT), the targeted application of this project.
