多峰成像和光谱学纤维束显微内窥镜纲要非侵入性，在体内组织分析
October 17th, 2016
描述了多模态显微内窥镜的组装和使用，它可以将浅表组织图像数据与组织生理参数（包括血红蛋白浓度、黑色素浓度和氧饱和度）共同配准。该技术可用于评估组织结构和灌注，并且可以根据研究者的个体需求进行优化。
该程序的总体目标是通过将高分辨率结构信息与定量光谱数据相结合来表征体内组织的功能。该方法可用于回答癌症生物学领域的关键问题，例如量化治疗对组织微观结构和灌注的影响。该技术的主要优点是单个探头可用于从同一位置收集图像和光谱数据。
该技术的含义延伸到胃肠道癌症治疗，因为该探头与传统的内窥镜检查技术兼容。通常，刚接触这种方法的人会很挣扎，因为探针放置的微小不规则性会显着影响数据准确性。当我们意识到将高分辨率成像技术与定量光谱方法相结合的重要性时，我们首先想到了这种方法。
这种方法的视觉演示至关重要，因为由于结构和校准的复杂性，制备步骤很难学习。要开始组装多模态微型内窥镜的高分辨率荧光显微镜模式，请将 470 纳米二向色镜安装在 30 毫米笼状立方体中。将框架组件杆连接到框架立方体的前侧、右侧和左侧。
将无应力固定环连接到螺纹笼板上，然后将镜筒拧入固定环。将另一个笼板安装到与第一个笼板对齐的镜筒上。接下来，将紫外线增强铝镜固定在直角镜架中。
将四根杆连接到镜架的前部，将两根杆沿对角线连接到镜架的右侧。将镜筒组件滑到笼式立方体的左侧。将反光镜安装组件的右侧连接到镜筒组件。
将 Z 轴平移安装座滑到组件的右侧。将 10 倍消色差物镜安装到平移支架上。接下来，将光纤转接板固定到 XY 轴平移镜头支架上。
将支架滑到物镜前面的组件上。使用固定环，在镜筒中固定适当的激发滤光片和发射滤光片。将激发滤光片透镜管拧入笼式立方体的前部。
并将发射滤光片镜筒插入直角镜架的前部。使用环氧树脂，将 455 纳米 LED 连接到激发滤光片前面的笼式板上。将笼式板滑到每个滤光片镜头管的前面。
使用固定环将消色差双合管透镜固定到另一个镜筒中，使透镜外侧的箭头面向镜筒的外螺纹侧。将镜筒透镜连接到左侧笼板上，在镜筒透镜前面放置另一个笼板。使用无压力固定环，将 USB 单色相机连接到笼式板上。
要开始组装亚漫反射光谱模式，请将螺纹笼板连接到带有环氧树脂的卤钨光源的正面。将四个笼式组件杆插入笼式板，然后将 Z 轴平移架滑到杆上。将 20 倍消色差物镜拧入 Z 轴平移支架。
将光纤转接板连接到 XY 轴平移支架，然后将支架滑到物镜前面的组件上。最后，使用适当的安装设备将两个组件紧挨着固定到光学平台上。要开始构建源检测器分离开关设备，请将外部螺纹 SMA 光纤适配器板拧入铝制电机臂中。
将电机臂适配器连接到电机臂的背面。然后，将步进电机拧入铝制电机外壳中。将电机臂组件拧到电机杆上并拧紧锁定螺钉。
接下来，将三个光纤适配器板拧入光开关，然后将面板拧到光开关上。将步进电机杆穿过光开关的中心孔。将步进电机驱动器放在无 sodder 红板的中心线上。
将驱动器连接到适当的电源和步进电机。将光学开关固定到光学平台上。将 550 微米 0.22 na 跳线连接到电机臂。
将另一端连接到 USB 光谱仪。要连接光纤探头，请将中央 1 毫米图像光纤电缆连接到高分辨率荧光显微镜模态组件。将左侧的 200 微米多模电缆连接到亚漫反射光谱模态组件。
从左侧继续，将剩余的多模电缆依次连接到光纤交换设备的左、中、右适配器。要开始校准实验，请将所有 USB 外围设备连接到计算机。打开所有仪器并确保卤钨灯百叶窗打开。
然后，关闭房间灯并关闭其他环境光源。打开数据采集软件。在进行校准之前，让设备运行 30 分钟。
将 20% 漫反射标准液放入校准装置的底部。将光纤探头插入设备的左侧插槽，并将电动光学开关设置到左侧，以选择 374 微米作为 DS 设置。在软件中，将积分时间设置为 500 毫秒。
然后，单击 acquire spectrum 开始采集此 SDS 的 RMAX。RMAX 采集完成后，将频谱保存在指定的文件夹中。关闭卤钨灯快门并获取此 SDS 的 R 暗光谱。
打开快门，将探头移动到校准设备的右侧插槽，并将电动光学开关设置到 730 微米 SDS 设置的中间位置。获取此 SDS 的 RMAX 和 RDARK 以完成校准。首先，确定适合数据收集的皮肤区域。
使用黄色荧光笔作为吡喃源，对所选区域进行轻微染色。要开始高分辨率荧光显微镜检查，请打开 455 纳米 LED 并关闭卤钨灯的快门。将光纤探头与皮肤轻轻接触。
将探针穿过 Pyranine 染色的组织以显示根尖电流洞察结构。在软件中设置适当的曝光时间和增益，以避免图像饱和。然后单击 acquire image 以获取静态图像。
将探头保持在适当的位置以进行亚漫反射光谱。关闭 455 纳米 LED 并打开卤钨灯快门。然后，切换到左侧的 374 微米 SDS 设置。
单击 acquire spectra （获取光谱） 以获取此 SDS 的 R 组织光谱。然后，切换到中间位置并获取 730 微米 SDS R 组织光谱。打开后处理软件，然后单击 Run。
出现提示时，选择校准光谱、体内光谱和高分辨率荧光图像以获得组织图像。高分辨率荧光显微镜模式可提供组织部位的聚焦高分辨率图像。吡嘧啶染色显示单个角质形成细胞的轮廓。
后处理软件使用亚漫反射光谱数据来计算血红蛋白浓度、黑色素浓度和组织氧饱和度。使用这种多模态微内窥镜将良性黑色素细胞痣与邻近的正常皮肤组织进行比较。与正常组织相比，黑色素细胞痣的血红蛋白浓度略低，黑色素浓度略高。
一旦掌握，如果执行得当，这项技术可以在不到一个小时的时间内完成。在尝试此过程时，请务必让卤钨灯预热 15 分钟，并在数据收集之前使用反射标准校准仪器。在此程序之后，可以使用其他技术（如共聚焦显微镜或多光子显微镜）来探索蛋白质结构或代谢的亚细胞变化。
开发后，这项技术为研究人员探索组织灌注与响应化疗的微观结构之间的关系铺平了道路。看完这个视频，你应该对如何构建和使用混合微型内窥镜成像和光谱设备有很好的了解。
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概述
本文介绍了一种多模态显微内窥镜，它将组织图像数据与血红蛋白和黑色素浓度等生理参数进行共同注册。这种技术对于评估组织结构和灌注非常有价值，特别是在癌症生物学中。
研究的关键组成部分
科学领域
- 神经科学
- 生物学
- 癌症生物学
背景
- 该方法结合了高分辨率成像和定量光谱学。
- 它旨在表征体内组织功能。
- 它可以量化治疗对组织微结构的影响。
- 探头与常规内窥镜技术兼容。
研究目的
- 评估组织结构和灌注。
- 为个别研究人员的需求优化技术。
- 解决癌症生物学中的关键问题。
使用的方法
- 多模态显微内窥镜
- 图像和光谱数据的共同注册
- 体内组织表征
- 与内窥镜技术的兼容性
主要结果
- 单一探头可以收集图像和光谱数据。
- 探头放置的小不规则性会影响数据准确性。
- 技术可以为特定的研究需求进行优化。
- 对于评估胃肠道癌症治疗有用。
结论
- 该技术增强了对组织生理学的理解。
- 它为研究癌症生物学提供了全面的方法。
- 未来的应用可能改进治疗策略。
常见问题
Executive Industry Relevance
Integrating high-resolution fluorescence imaging with diffuse reflectance spectroscopy in a single fiber-bundle microendoscopy platform enables non-invasive, in vivo tissue analysis with both structural and quantitative physiological insights. This multimodal approach enhances predictive confidence in tissue characterization, supporting early discovery and translational research inflection points. The platform's compatibility with endoscopic workflows positions it as a reusable capability for functional tissue assessment across diverse organ systems.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables functional interrogation of tissue microstructure and perfusion in vivo.
- Supports biological de-risking by co-registering micro-architectural and physiological data.
- Facilitates predictive confidence in distinguishing neoplastic from non-neoplastic tissue.
- Provides a foundation for mechanistic studies of therapy effects on tissue biology.
Screening & Assay Development
- Prepares validated tissue models for downstream compound evaluation by integrating imaging and spectroscopy outputs.
- Standardizes acquisition of quantitative physiological parameters such as hemoglobin and melanin concentration.
- Enables reproducible, site-matched data collection for assay development and screening readiness.
- Supports platform scalability for multi-organ or multi-site analysis.
Translational & Preclinical Research
- Aligns micro-architectural imaging with physiological biomarker quantification for disease-relevant models.
- Enables continuity from discovery through preclinical validation by supporting functional tissue assessment in vivo.
- Provides risk-adjusted data for advancement decisions in translational research pipelines.
- Facilitates exploration of tissue response to therapeutic interventions in preclinical models.
Pipeline & Workflow Integration
This multimodal platform bridges early discovery, lead identification, and preclinical research by enabling co-registered structural and functional tissue analysis in vivo.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing and pathway clarification by quantifying therapy effects on tissue microstructure and perfusion.
- Screening: Delivers reproducible, quantitative outputs for assay standardization and compound evaluation.
- Analytics: Provides integrated imaging and spectral readouts for robust comparison of tissue conditions.
- Translational Research: Aligns with biomarker-driven studies and supports preclinical model validation.
- Enterprise Reuse: Offers a flexible, endoscopically-compatible platform adaptable to multiple organ systems and research needs.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence and reduces mechanistic ambiguity in tissue analysis.
- Operational Value: Enhances standardization, reproducibility, and scalability of in vivo tissue characterization.
- Strategic Value: Improves go/no-go decision-making and capital efficiency by providing comprehensive tissue data early in the pipeline.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization and advancement of discovery and translational programs.
Implementation Considerations
- Requires expertise in optical imaging, spectroscopy, and probe calibration.
- Demands access to specialized instrumentation and analytical infrastructure.
- Necessitates rigorous cross-team standardization for data acquisition and analysis.
- Adaptable across tissue types and organ systems with appropriate calibration and validation.
- Probe placement precision and calibration are critical for data accuracy and reproducibility.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:05
Title
1:14
Construction of the Fluorescence Microscopy and Reflectance Spectroscopy Modalities
4:16
Construction of the Multimodal Microendoscope
5:53
Sub-diffuse Reflectance Spectroscopy Modality Calibration
7:23
In Vivo Data Acquisition from Human Skin
8:52
Results: Co-registered Tissue Structural and Physiological Parameter Data
9:38
Conclusion
