Mit Laser-Durchbrüchen beobachten Wissenschaftler Medikamente in Echtzeit im Gehirn

Unter bestimmten Bedingungen kann ein ungeordneter Laserstrahl sich selbst zu einem schmalen, scharf fokussierten „Bleistiftstrahl“ reorganisieren. Mit diesem Effekt erstellte das Team 3D-Bilder der Blut-Hirn-Schranke des Menschen etwa 25 Mal schneller als der derzeitige Goldstandard, bei gleichbleibender Bildqualität.

Die Methode ermöglicht es den Wissenschaftlern auch, einzelne Zellen zu beobachten, die Medikamente in Echtzeit aufnehmen. Diese Fähigkeit könnte Forschern helfen festzustellen, ob Behandlungen für neurodegenerative Erkrankungen wie Alzheimer oder ALS das Gehirn erfolgreich erreichen.

„Die allgemeine Annahme auf diesem Gebiet ist, dass das Licht unweigerlich chaotisch wird, wenn man die Leistung bei dieser Art öht. Aber wir haben bewiesen, dass dies nicht der Fall ist.

Wir folgten den Beweisen, nahmen die

Wir folgten den Beweisen, nahmen die Unsicherheit an und fanden einen Weg, das Licht zu lassen, sich zu einer neuartigen Lösung für die Biobildgebung zu organisieren“, sagt Sixian You, Assistenzprofessorin im Department of Electrical Engineering and Computer Science (EECS) des MIT, Mitglied des Research Laboratory for Electronics und Hauptautorin eines Artikels über diese Bildgebungstechnik.

Mit ihr verfasst den Artikel der Hauptautor Honghao Cao, ein EECS-Graduierte Student; die EECS-Graduierte Studenten Li-Yu Yu und Kunzan Liu; die Postdocs Sarah Spitz, Francesca Michela Pramotton und Federico Presutti; Zhengyu Zhang PhD '24; Subhash Kulkarni, ein Assistenzprofessor an der Harvard University und dem Beth Israel Deaconess Medical Center; und Roger Kamm, der Cecil and Ida Green Distinguished Professor of Biological and Mechanical Engineering am MIT.

Die Verffentlichung erfolgte am 27. April in Nature Methods.

Unerwartetes Laserverhalten stellt Annahmen in Frage

Unerwartetes Laserverhalten stellt Annahmen in Frage Die Entdeckung begann mit einer Beobachtung, die das Team zunchst verwunderte. Die Forscher hatten zuvor einen przisen Faserformer entwickelt, mit dem sie kontrollieren knnen, wie Laserlicht durch eine multimodale optische Faser wandert.

Diese Art . Cao erhhte die Laserleistung schrittweise, um zu testen, wie viel die Faser standhalten konnte.

Normalerweise fhrt eine hhere Leistung zu strkerer Streuung aufgrund , was dazu fhrt, dass der Strahl zunehmend ungeordnet wird.

Leistung und Energieausbeute

Stattdessen, als die Leistung sich dem Punkt nherte, an dem die Faser beschdigt werden knnte, konzentrierte sich das Licht pltzlich auf einen einzigen, extrem scharfen Strahl. Unordnung ist inhrent fr diese Fasern.

Die Lichttechnik, die man typischerweise betreiben muss, um diese Unordnung zu berwinden, besonders bei hoher Leistung, ist ein seit langem bestehendes rgernis. „Aber mit dieser Selbstorganisation kann man einen stabilen, ultraschnellen Bleistiftstrahl ohne die Notwendigkeit “, sagt er.

Schlüsselbedingungen für selbstorganisierendes Licht Um diesen Effekt zu reproduzieren, identifizierten die Forscher zwei wichtige Anforderungen. Erstens muss der Laser in einem perfekt ausgerichteten, nullgradigen Winkel in die Faser eintreten, was präziser ist als bei typischen Aufbauten.

Leistung und Energieausbeute

Zweitens muss die Leistung auf ein Niveau erhöht werden, bei dem das Licht beginnt, direkt mit dem Glas der Faser zu interagieren. „Bei dieser kritischen Leistung kann die Nichtlinearität die intrinsische Unordnung ausgleichen und ein Gleichgewicht schaffen, das den Eingangsstrahl in einen selbstorganisierten Bleistiftstrahl umwandelt“, erklärt Cao.

Diese Bedingungen werden nicht häufig untersucht. Forscher vermeiden oft hohe Leistungspegel, um Schäden an der Faser zu verhindern, und eine solch präzise Ausrichtung ist normalerweise nicht notwendig, da Multimode-Fasern bereits große Energiemengen übertragen.

Wenn diese Faktoren kombiniert werden, ermöglicht es dem System jedoch, einen stabilen Strahl ohne komplexe optische Anpassungen zu erzeugen. „Das ist der Reiz dieser Methode – Sie könnten das mit einem normalen optischen Aufbau und ohne viel Fachwissen tun“, sagt er.

Sauberer Strahl verbessert die Bildqualität Weitere

Sauberer Strahl verbessert die Bildqualität Weitere Tests zeigten, dass der Bleistrahler sowohl stabil als auch im Vergleich zu ähnlichen Strahlen hochauflösend ist. Viele herkömmliche Strahlen erzeugen „Seitenlappen“ – verschwommene Halos, die die Bildklarheit beeinträchtigen können.

Im Gegensatz dazu bleibt dieser Strahl sauber und eng fokussiert. Die Forscher wandten ihn dann auf die biomedizinische Bildgebung der Blut-Hirn-Schranke an.

Schnellere 3D-Bildgebung der Blut-Hirn-Schranke Die Blut-Hirn-Schranke ist eine dichte Zellschicht, die das Gehirn vor schädlichen Substanzen schützt und gleichzeitig viele Medikamente blockiert. Wissenschaftler möchten oft nachverfolgen, wie Medikamente durch diese Barriere gelangen und ob sie ihre Ziele im Hirngewebe erreichen.

Mit herkömmlichen optischen Techniken erfassen Forscher

Mit herkömmlichen optischen Techniken erfassen Forscher typischerweise einen 2D-Querschnitt nach dem anderen und wiederholen diesen Vorgang mehrmals, um ein vollständiges Bild zu erstellen, erklärt You. Mit dem neuen Ansatz generierte das Team ultraschnelle, hochpräzise Bilder und verfolgte gleichzeitig in Echtzeit, wie Zellen Proteine aufnehmen.

„Die pharmazeutische Industrie ist besonders daran interessiert, menschenbasierte Modelle zu nutzen, um Medikamente zu testen, die die Barriere effektiv überwinden, da Tiermodelle oft nicht vorhersagen können, was beim Menschen passiert. Dass diese neue Methode nicht erfordert, dass die Zellen einen Fluoreszenzmarker tragen, ist ein Wendepunkt.

Zum ersten Mal können wir nun die zeitabhängige Aufnahme sogar die Rate bestimmen, mit der spezifische Zelltypen das Medikament internalisieren“, sagt Kamm.

Leistung und Energieausbeute

„Wichtig ist jedoch, dass dieser Ansatz nicht auf die Blut-Hirn-Schranke beschränkt ist, sondern die zeitaufgelöste Verfolgung verschiedener Verbindungen und molekularer Ziele in künstlich erstellten Gewebemodellen ermöglicht und somit ein leistungsstarkes Werkzeug für das biologische Engineering darstellt“, fügt Spitz hinzu.

Die Forscher erstellten zelluläre 3D-Bilder mit höherer Qualität als andere Methoden und erreichten Geschwindigkeiten, die ungefähr 25 Mal schneller sind. „Normalerweise gibt es einen Kompromiss zwischen der Bildauflösung und der Schärfentiefe – man kann nur bis zu einer gewissen Tiefe untersuchen.

Mit unserer Methode können wir diesen Kompromiss jedoch überwinden, indem wir einen Bleistiftstrahl mit hoher Auflösung und großer Schärfentiefe erzeugen“, erklärt You. Zukünftige Forschung und Anwendungen Das Team plant, die zugrunde liegende Physik hinter diesem selbstorganisierenden Strahl weiter zu untersuchen und besser zu verstehen, wie er entsteht.

Moegliche Anwendungen

Sie wollen die Technik auch für andere Anwendungen nutzen, wie die Bildgebung , und Möglichkeiten zur Kommerzialisierung ausloten.

Reference: "Self-localized ultrafast pencil beam for volumetric multiphoton imaging" , Sarah Spitz, Li-Yu Yu, Kunzan Liu, Zhengyu Zhang, Federico Presutti, Francesca Michela Pramotton, Subhash Kulkarni, Roger D. Kamm und Sixian You, 27 April 2026, Nature Methods.

DOI: 10.1038/s41592-026-03067-0 Diese Arbeit wurde teilweise durch MIT startup funds, die National Science Foundation (NSF), die Silicon Valley Community Foundation, die Diacomp Foundation, das Harvard Digestive Disease Core, ein MathWorks Fellowship und den Claude E. Shannon Award finanziert.