Photoacoustic signal characterization of cell morphology in microchannel flow

Abstract

Fotoakustik görüntüleme, bir hibrit görüntüleme modalitesi, hem optik görüntüle-me hem de ultrason görüntülemeyi birleştirerek biyolojik dokunun hem fonksiyonel hem de yapısal bilgisini sağlar. Biyolojik hücrelerin foto-akustik ölçümleri, hücre morfolojisini karakterize etmek ve çeşitli enzim aktivitelerinin in vivo ve in vitro olarak tespit edilmesine izin vermek için kullanılmaktadır. Bu bağlamda, kırmızı kan hücresi agregasyonunun saptanması için foto akustik taşıma modelinin genişletilmesi amaçlanmıştır. Teorik tahminleri doğrulamak için, kan hücreleri arasındaki etkileşim kuvveti optik cımbız deneyleri aracılığıyla ölçülerek ve kan süspansiyonlarından kaynaklanan foto akustik sinyaller elde edilerek gerçekleştirildi. Bu hibrit simülasyon yaklaşımı sadece kırmızı kan hücresi morfolojisinin karakterizasyonu değil, aynı zamanda mikrokanal akışındaki kanser hücresi çeşitleri için de geçerlidir. Kanser hücreleri-nin tanımlanması için yararlı olan Matriks metalloproteinaz ile aktive edilen prob ve hücrelerdeki melanin içeriği foto akustik mikroskop kullanılarak mikrokanalı taklit eden yeni bir tasarımında olan fantomlar içinde tespit edildi. Ayrıca, fotoakustik alanında kullanılan lazer kaynağı, darbe süresi, enerji , tekrarlama frekansı bağımsız olarak dalga boyu esnekliği açısından geliştirilmiştir. Bu lazerin bağımsız olarak ayarlanabilir özellikleri ile ilgili olarak, sinyal baloncuk yoluyla deneysel olarak geliştirilmiştir. Ayrıca lazer parametreleri de dahil olmak üzere analitik model yardımıy-la CW ışınlama altında oluşan baloncuk dinamiklerinin fotoakustik sinyal üzerindeki etkisi incelenmiştir. Sonuç olarak, PAM ve OT sistemi RBC kümelenmesini tespit etmek için kullanılabilir. Teorik simülasyonlarımız, fotoakustik ölçümlerinin RBC kümelenmesi düzeylerini ayırt etmek için kullanılabileceğini göstermektedir. Ayrıca, kanser hücrelerinde bulunan ve tümörün büyümesine, invazyon ve metastaza sebep olan enzimin seviyeleri, PAM, konfokal ve akustik mikroskop gibi çok modlu verilerin birleştirilmesiyle belirlenir

Photoacoustic (PA) imaging, a hybrid imaging modality, provides both functional and structural information of biological tissue by combining both optical imaging and ultrasound imaging. It takes advantages of high contrast and resolution, as well as deep tissue penetration. Photoacoustic measurements of biological cells have been used to characterize the cell morphology and allow for the detection of various enzymes activity in vivo and in vitro. In this thesis, I extend the photoacoustic transport model for the examination of detecting red blood cell (RBC) aggregation. To confirm the theoretical predictions, the experiments are conducted by measuring the interaction force between red blood cells via optic tweezers and obtaining photoacoustic signals originating from the blood suspensions. This hybrid simulation approach is for not only the characterization of red blood cell morphology but also for cancer cell lines in the microchannel flow. The activated probe by matrix metalloproteinase (MMP) and melanin-containing which are helpful for the identification of cancer cells are detected in a novel design of microchannels in vitro by using photoacoustic microscopy. Moreover, the laser source used in the field of photoacoustics is developed in terms of flexibility of adjusting pulse duration (5-10 ns), energy (up to 10 µJ), repetition frequency (up to 1 MHz) independently, and wavelength (from 450 to 1100 nm). Regarding the adjustable properties of the fiber laser, the photoacoustic signal is enhanced via bubble dynamics formed under CW irradiation with the help of an analytic model including laser parameters. As a result, the hybrid PAM and OT system can be used for detecting RBC aggregation. Our theoretical simulations show that PA measurements can be used to differentiate levels of RBC aggregation. Moreover, the expression levels of MMPs in cancer cell lines is determined by combining multi-modality data such as PAM, confocal, and acoustic microscopy.