用于原 位 测量活组织辐射度的组织内辐射微探头
June 2nd, 2023
本文描述了一种原 位 测量活组织中辐射度的方法。这项工作包括用于不同辐射度和辐照度测量的微尺度探针的构造细节，为安装组织以表征辐射度提供了指导，并概述了分析结果数据的计算方法。
该协议意义重大，因为它简化并允许厚材料的辐射测量，使我们能够在研究生命系统时收集重要信息。该技术的主要优点是，它允许使用可以构建的设备和可以在现场实验室中进行的实验，在高吸收材料中进行空间分辨光谱测量。这种方法可以适应并应用于任何生命系统。
制作探针的技术是微妙的，但熟能生巧。根据被探测的材料调整测量技术，并进行更改，从而获得更安全的组织位置和更低的探头摩擦。开始使用 5.75 英寸巴斯德移液器构建玻璃套管。
使用可安装的鳄鱼夹，将玻璃移液器安装在宽端，使锥形端朝下朝向地板，并且移液器的方向垂直于地板。将电工胶带垫放在 50 克的塑料虎钳手柄上，以帮助防止打滑，并将虎钳手柄悬挂在移液器的锥形端。使用小型丁烷炬，按照手稿中的说明加热移液器的锥形端。
当移液器长度增加约五英寸时，立即移开火焰。接下来，使用小剪刀或玻璃切割器修剪移液器的拉端。使用碳化硅纸锉下修剪端的任何尖锐区域，并使用异丙醇和压缩空气冲洗掉任何微小的玻璃碎片或灰尘。
使用剃须刀片切断光纤并卸下 SMA 端接光纤的一个 SMA 连接器。确保切近其中一个 SMA 端接。然后取下以下五厘米的塑料和玻璃纤维护套，使裸露的光纤暴露出来并从整个组件的其余部分突出。
使用丁烷火炬烧掉玻璃纤维上的聚酰胺聚合物涂层。用异丙醇冲洗，然后用不起毛的擦拭布擦拭裸露的玻璃纤维。现在，将光纤的裸端直接安装在桌子或架子边缘的钳夹中，让光纤的SMA端向地板悬挂。
在距离裸光纤固定在钳夹中的位置大约四到六英寸处，使用光纤护套端上的两个小夹子添加用于拉动的重量。要拉动光纤，请从丁烷火炬火焰开始。按照手稿中的说明，将丁烷火炬与裸纤维保持一厘米。
并让纤维拉伸、拉动、分离并掉落到地板上。在显微镜下检查纤维，必要时用小解剖剪刀修剪纤维末端。使用泡沫不透明笔使光纤的侧面变暗并防止杂散光进入。
轻轻地将笔尖拉过纤维，只留下尖端的一小块区域。在体视显微镜下，小心地将锥形光纤插入改变的玻璃移液器的宽端，并推动光纤，直到大约一毫米的裸光纤从移液器的锥形端伸出。使用电工胶带将光纤的夹套端固定到移液器的宽端。
将一滴氰基丙烯酸酯粘合剂滴在小规格针头上。小心地将粘合剂滴接触拉移液器的切割边缘，避免拉动纤维的裸露端。要用散射球改性纤维尖端，请通过以等比例将一滴紫外线固化粘合剂与二氧化钛粉末混合来制造原材料。
将探头连接到带有安装杆支架的显微操纵器上，使探头处于水平方向。通过将金属丝或针的尖端浸入制备的混合物中，形成粘合剂液滴来制备散射材料的工作储液器。将带有液滴的电线或针头安装在水平探头尖端附近。
在探头尖端沉积一个散射球。使用显微操纵器将探头光纤的尖端缓慢而小心地推入准备好的混合物中。然后迅速将尖端从胶水中取出，并在显微镜下观察散射球。
重复直到所需尺寸的球形粘合剂液滴沉积在光纤尖端。准备培养皿以安装样品。使用丁烷炬加热巴斯德移液管的大端，以融化塑料培养皿底部直径为0.5厘米的孔。
用电工胶带或实验室胶带密封培养皿底部的孔。然后用液体明胶填充一个培养皿四分之一，第二个培养皿，让它冷却到室温，刚好没有凝胶化。在一个培养皿中，将活检放在培养皿底部孔中形成的粘性明胶垫中。
使用巴斯德移液管，在活检周围轻轻添加室温明胶，直到培养皿充满。对于空白样品，仅使用装满明胶的培养皿。将探头连接到垂直方向的支架上，使其指向光源，并用夹子、软管夹或胶带将探头固定在光学台柱上。
将探头光纤的SMA端接端连接到USB光纤光谱仪，并使用USB电缆将光谱仪连接到计算机。将探头和操纵器保持在将收集数据的精确对齐位置。使用棉签、细针或滴管小心地将少量硅润滑剂涂抹在将插入组织的探针部分，以降低探针两侧与组织样本之间的摩擦。
现在，取下覆盖样品培养皿孔的胶带并将其放在样品架中，确保通过摩擦将其牢固地固定到位。使用显微操纵器将样品降低到探针上，并允许探针通过培养皿底部的孔进入明胶。继续直到探头距离明胶层底部约 5 毫米。
打开光源。使用光谱仪软件，调整光谱仪积分时间，直到信号尽可能高，但不饱和。将平均扫描次数设置为 2 到 5，并将平滑像素的值设置为 6。
对于此基线，此阶段的可用积分时间可能在 1 到 15 毫秒之间变化。通过确保频谱既不会太嘈杂也不会饱和，验证积分时间是否适合测量。如有必要，更改积分时间。
使用显微操纵器将样品向下移动指定距离并进行测量。继续保存组织内每个垂直位置的光谱。可视化通过组织的探针的微观外观。
显示了相对于基线的不同组织深度处的光的百分比。要记住的最重要的事情是这些探头很脆弱，因此在继续之前，请花点时间并确保探头连接牢固。制作探头后，可以调整测量技术。
例如，在没有散射球的情况下，探头可用于测量从单个方向到达探测器的辐射。在开发这种探针后，研究人员能够使用我们的测量设备的变化来测量小鼠大脑和脂肪组织内的光。这有助于回答是否有足够的光来激活组织深处存在的光感受器的问题。
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概览
本文提出了一种在活体组织中原位测量辐射度的方法，为生物系统的研究提供了重要的见解。该技术允许在厚材料中进行空间分辨的光谱测量，可以适应各种活体系统。
关键研究组成部分
科学领域
- 神经科学
- 生物物理学
- 生物医学工程
背景
- 辐射度测量对于研究活体系统至关重要。
- 现有方法在厚或高度吸收材料中可能受到限制。
- 该技术简化了测量过程。
- 可以为野外实验室实验构建探针。
研究目的
- 开发一种在活体组织中有效测量辐射度的方法。
- 提供探针构建和组织安装的指导。
- 概述数据分析的计算方法。
使用的方法
- 使用玻璃套管构建微尺度探针。
- 根据材料特性调整测量技术。
- 提供固定组织位置和最小化探针摩擦的指导。
- 对收集的辐射度数据进行计算分析。
主要结果
- 该方法允许在厚材料中进行准确测量。
- 探针可以适应各种活体系统。
- 可以获得空间分辨的光谱数据。
- 使用构建的设备进行野外实验室实验是可行的。
结论
- 该技术增强了研究活体系统的能力。
- 它为该领域的研究人员提供了一种实用的方法。
- 未来的应用可能会扩展到多样的生物学背景。
常见问题
Executive Industry Relevance
Quantitative measurement of radiance within living tissue addresses a critical gap in understanding light propagation and bio-optical environments relevant to both discovery biology and translational research. This microprobe technology enables spatially resolved, in situ optical measurements in highly scattering and absorbing tissues, supporting mechanistic de-risking and predictive confidence for photoresponsive biological systems. Its adaptability and field-lab tractability position it as a reusable capability for early-stage R&D and cross-system comparative studies.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables direct interrogation of light availability for photoresponsive proteins in native tissue environments.
- Supports mechanistic de-risking by quantifying optical microenvironments affecting target function.
- Facilitates hypothesis testing regarding tissue-specific light penetration and opsin activation.
Screening & Assay Development
- Provides validated, quantitative optical measurements for assay standardization in optogenetic and photobiology workflows.
- Enables reproducible assessment of light delivery and distribution in tissue-mimetic systems.
- Supports platform readiness for compound evaluation where light-dependent mechanisms are relevant.
Translational & Preclinical Research
- Aligns in situ radiance data with disease-relevant tissue models for translational continuity.
- Informs risk-adjusted advancement decisions by clarifying optical constraints in preclinical models.
- Supports biomarker development for light-responsive pathways when applicable.
Pipeline & Workflow Integration
This microprobe method integrates from early discovery through preclinical research, enabling direct measurement of tissue radiance for hypothesis testing, assay development, and translational studies.
- Discovery Biology: Quantifies in situ light environments to clarify pathway activation and biological feasibility.
- Screening: Delivers reproducible, quantitative optical data for assay validation and system benchmarking.
- Analytics: Provides spectral and spatial radiance outputs to compare tissue conditions and experimental variables.
- Translational Research: Bridges discovery findings to preclinical models by measuring light at relevant tissue depths.
- Enterprise Reuse: Adaptable probe design supports deployment across diverse biological systems and research settings.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence and reduces mechanistic ambiguity in light-dependent biological research.
- Operational Value: Standardizes optical measurement protocols for reproducibility and scalability.
- Strategic Value: Improves go/no-go decisions by clarifying physical constraints on target activation.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization of light-responsive targets and pathways.
Implementation Considerations
- Requires expertise in optical probe fabrication and tissue handling.
- Needs access to spectrometers, micromanipulators, and field-adaptable lab infrastructure.
- Demands cross-team standardization for probe construction and measurement protocols.
- Probe design and measurement technique must be adapted for different tissue types and experimental models.
- Fragility of probes and tissue compatibility are practical limitations to consider.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:05
Introduction
0:53
Building the Optical Micro‐Probe
5:09
Preparing and Mounting the Tissue for Optical Measurements
6:03
Measurement Setup for Tissue Biopsies and Data Collection
8:07
Results: Measurement of Radiance Using the Intra‐Tissue Radiometry Probe
8:23
Conclusion
