Imágenes químicas hiperespectrales no lineales multimodales mediante microscopía de generación de suma de frecuencia vibracional de barrido lineal
1 de diciembre de 2023
Se desarrolló un marco de imágenes hiperespectrales rápidas y multimodales para obtener imágenes de generación de suma de frecuencia vibracional (VSFG) de banda ancha, junto con modalidades de imágenes de generación de segundos armónicos (SHG) de campo claro. Debido a que la frecuencia infrarroja es resonante con las vibraciones moleculares, se revela el conocimiento microscópico estructural y de la morfología mesoscópica de las muestras permitidas por simetría.
Nuestro objetivo es estudiar muestras autoensambladas mesoscópicamente heterogéneas, como tejidos biológicos, para revelar su composición química y arreglos moleculares. Estamos explorando cómo la disposición microscópica y la morfología mesoscópica de estos materiales se relacionan con sus propiedades microscópicas. Con los avances en los objetivos de microscopio de alta apertura numérica y basados en la reflexión, nosotros, así como otros, hemos demostrado un microscopio de generación de suma de frecuencia vibracional con una resolución de micras cuadradas, que puede registrar simultáneamente imágenes de materiales blandos y también resolver espacialmente lo espectral, formando las llamadas imágenes hiperespectrales.
Las imágenes hiperespectrales registran datos experimentales en múltiples dimensiones, dos en espacios, uno en frecuencia y posiblemente uno en tiempo. Sin embargo, la recopilación, el almacenamiento y el análisis rápidos de estos grandes volúmenes de datos para maximizar la información siguen siendo un desafío. Muestrear la imagen solo para recopilar puntos de datos útiles también es un desafío.
Al desarrollar una tecnología de escaneo de líneas más rápida, pudimos acelerar el tiempo de adquisición de datos en 100 veces. Además, el microscopio es compatible con la generación de suma de frecuencias o SFG, la generación de segundos armónicos o SHG, así como con la obtención de imágenes de campo amplio. Las imágenes multimodales permiten la inspección rápida de las muestras mediante imágenes ópticas y la correlación de varias modalidades de imágenes.
La imagen SHG ayuda a la técnica óptica de nuestra técnica, pero sin el poder de resolución espectral, es ampliamente utilizada en biofísica. Nuestro microscopio SFG ahora podrá proporcionar información poderosa a nivel molecular que actualmente falta en los estudios biofísicos de tejidos blandos.
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Visión general
Este estudio presenta un marco multimodal de imágenes hiperespectrales diseñado para capturar imágenes de generación de frecuencia suma (VSFG) de banda ancha junto con modalidades de imagen de campo brillante y generación de armónicos de segundo orden (SHG). El marco tiene como objetivo mejorar la comprensión de las estructuras microscópicas y mesoscopicas en tejidos biológicos autoensamblados.
Componentes clave del estudio
Área de la ciencia
- Neurociencia
- Biofísica
- Técnicas de imagen
Antecedentes
- Las muestras autoensambladas exhiben heterogeneidad mesoscopica.
- Entender la composición química y los arreglos moleculares es crucial.
- Los avances en microscopía han mejorado la resolución y las capacidades de imagen.
- Las imágenes hiperespectrales capturan datos a través de múltiples dimensiones.
Propósito del estudio
- Investigar la relación entre la disposición microscópica y la morfología mesoscopica.
- Mejorar la imagen de materiales blandos a altas resoluciones.
- Abordar los desafíos en la recolección y análisis de datos en imágenes hiperespectrales.
Métodos utilizados
- Desarrollo de un marco de imagen multimodal.
- Utilización de microscopía de generación de frecuencia suma vibratoria.
- Registro simultáneo de múltiples modalidades de imagen.
- Técnicas de recolección y análisis de datos para imágenes hiperespectrales.
Resultados principales
- Adquisición exitosa de imágenes VSFG de banda ancha.
- Resolución mejorada en la imagen de tejidos biológicos autoensamblados.
- Conocer las características estructurales y morfológicas de las muestras.
- Identificación de desafíos en la gestión y análisis de datos.
Conclusiones
- El marco desarrollado avanza significativamente las capacidades de imagen.
- Proporciona valiosas percepciones sobre las propiedades de los tejidos biológicos.
- El trabajo futuro se centrará en mejorar las técnicas de procesamiento de datos.
Preguntas frecuentes
Executive Industry Relevance
Multimodal nonlinear hyperspectral chemical imaging using line-scanning VSFG microscopy enables high-resolution, label-free visualization of chemical and structural heterogeneity in biological tissues and self-assembled materials. This capability addresses a critical gap in resolving mesoscopic morphology and molecular arrangement, supporting predictive confidence in early discovery and target validation. The approach enhances portfolio decision-making by providing molecular-level insights that are not accessible with conventional imaging modalities.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables direct visualization of non-centrosymmetric and chiral structures relevant to biological targets.
- Supports functional target validation by correlating chemical composition with mesoscopic morphology.
- Improves predictive confidence in mechanistic studies of soft tissue and self-assembled systems.
Screening & Assay Development
- Facilitates preparation of validated biological systems for downstream screening workflows.
- Provides quantitative, spatially resolved chemical information for assay standardization.
- Enables reproducible imaging of heterogeneous samples, supporting reliable compound evaluation.
Translational & Preclinical Research
- Aligns imaging outputs with disease-relevant tissue structures for translational biomarker studies.
- Supports continuity from discovery through preclinical validation by resolving molecular arrangements in situ.
- Reduces biological risk by clarifying structure-function relationships in complex samples.
Pipeline & Workflow Integration
This imaging platform integrates from early discovery through preclinical research, bridging hypothesis testing, target validation, and translational studies.
- Discovery Biology: Provides high-content, label-free chemical imaging for hypothesis testing and pathway clarification.
- Screening: Delivers reproducible, quantitative outputs for assay readiness and compound triage.
- Analytics: Generates hyperspectral datasets enabling robust comparison of sample conditions and morphologies.
- Translational Research: Connects molecular imaging to disease-relevant tissue analysis, supporting biomarker alignment.
- Enterprise Reuse: Offers a scalable, multimodal imaging capability adaptable across diverse biological and material systems.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence and reduces mechanistic ambiguity in target validation.
- Operational Value: Accelerates data acquisition and standardizes imaging workflows for heterogeneous samples.
- Strategic Value: Informs go/no-go decisions and enhances capital efficiency by providing molecular-level insights early in the pipeline.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization and advancement of discovery and preclinical programs.
Implementation Considerations
- Requires expertise in nonlinear optical imaging and hyperspectral data analysis.
- Demands advanced instrumentation, including high numerical aperture objectives and line-scanning technology.
- Necessitates cross-team standardization for data acquisition and interpretation.
- Adaptable to a range of biological and material model systems with appropriate optimization.
- Data management and analysis infrastructure must address the challenges of large hyperspectral datasets.
