Plataforma de imagen óptica multimodal para el estudio del metabolismo celular
6 de junio de 2025
Utilizando una plataforma multimodal que combina modalidades de imágenes ópticas sin etiquetas, hemos desarrollado un protocolo para visualizar y cuantificar la dinámica y el metabolismo celular. A través de imágenes a través de fluorescencia multifotónica, generación de segundos armónicos y microscopía de dispersión Raman estimulada, podemos generar una visión holística del entorno celular y molecular.
Nuestra investigación consiste en aprovechar nuestro microscopio multimodal para medir las diferencias moleculares y metabólicas en varias patologías y visualizar su heterogeneidad espacial. El enfoque multimodal de las imágenes ópticas nos permite identificar los cambios fisiopatológicos desde una variedad de perspectivas. El enfoque multimodal de la microscopía óptica está ampliando continuamente sus aplicaciones, especialmente en el entorno clínico, donde el desarrollo de microendoscopios ha abierto una vía para la obtención de imágenes clínicas.
Los desafíos experimentales actuales radican en la complejidad de incorporar todo el hardware entre sí, lo cual es parte de la razón por la que utilizamos un sistema de microscopio hecho a medida. Mediante el uso de nuestra plataforma de imágenes ópticas multimodales, hemos logrado avances significativos en el estudio de enfermedades bioortogonales sin marcaje, incluida la clasificación de diferentes subtipos de cáncer de mama y el análisis del metabolismo de los lípidos en el cerebro de Drosophila y ratón. Con nuestras imágenes ópticas multimodales sin etiquetas, podemos visualizar el metabolismo, la morfología y la composición molecular simultáneamente, lo cual es una herramienta poderosa para investigar enfermedades y el proceso de envejecimiento.
Para comenzar, caliente el láser y espere aproximadamente de 15 a 20 minutos. Encienda la caja de control, seguido del controlador del panel táctil, el adaptador de CA para el control remoto láser principal y el adaptador de CA para el control remoto subláser, luego encienda el detector de fotodiodos de silicio y el amplificador de bloqueo. Configure el sistema láser con un haz de bombeo sintonizable de 780 nanómetros a 990 nanómetros, con un ancho de pulso de cinco a seis picosegundos y una tasa de repetición de 80 megahercios.
El rayo láser stokes debe tener una longitud de onda fija de 1031 nanómetros, con un pulso de seis picosegundos y una tasa de repetición de 80 megahercios. Asegúrese de que tanto la bomba como los haces de avivamiento estén a baja potencia, al menos 20 milivatios para que sean visibles en la placa de alineación. Aplique aceite al condensador de aceite de alta apertura numérica.
Monte el portaobjetos del microscopio en el condensador de aceite y coloque una gota de agua grande en el portaobjetos del microscopio para el objetivo de agua 25X. Ajuste la etapa Z para ajustar el enfoque hasta que la imagen de campo claro brillante de la muestra biológica sea visible bajo el objetivo de agua 25X. Comience el proceso de imagen en la secuencia correcta para evitar el fotoblanqueo.
Para cambiar rápidamente entre MPF y SHG, cambie de la viga de la bomba a la viga de bombeo fija. Seleccione la resolución de la imagen de 512 por 512 píxeles. Establezca el tiempo de permanencia en ocho microsegundos por píxel para MPF y SHG, con un fotograma medio superior a tres.
Utilice 40 microsegundos por píxel con un fotograma medio de dos para la modalidad SRS. Para adquirir autofluorescencia con MPF, apague el rayo láser de avivamiento. Ajuste el láser de la bomba a 800 nanómetros para excitar el NADH y la flavina.
Adquiere la señal de la fibra de colágeno usando SHG. Apague el rayo láser de la bomba y solo use el rayo láser de avivamiento a una potencia de 500 milivatios. Obtener la distribución espacial de proteínas y lípidos mediante SRS.
Mantenga ambos rayos láser encendidos y ajuste la frecuencia del rayo láser para que coincida con el modo vibratorio específico para cada molécula. Para adquirir los conjuntos de datos de imágenes hiperespectrales SRS, seleccione el modo suite y establezca el rango de longitud de onda de 781,3 nanómetros a 806,5 nanómetros. Elija un número de pila de al menos 60 y capture la pila de imágenes hiperespectrales.
Guarde todas las imágenes de las mismas regiones de interés en la misma carpeta y asegúrese de que el formato de la imagen sea un archivo OIR de Olympus. Las imágenes de autofluorescencia y SRS capturaron con éxito información metabólica y estructural del tejido pulmonar humano. El análisis radiométrico de la relación redox óptica y la relación de insaturación de lípidos proporcionó distribuciones espaciales de la actividad metabólica y la composición molecular en el tejido pulmonar humano.
La comparación cuantitativa del estrés oxidativo y la insaturación de lípidos entre tejido sano y tumoral revela diferencias en los estados metabólicos.
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Descripción general
Este estudio presenta una plataforma de imagen óptica multimodal que permite la visualización y cuantificación de la dinámica y el metabolismo celulares. Mediante el uso de diversas técnicas de imagen, podemos obtener información sobre el entorno celular y molecular en diferentes patologías.
Componentes Clave del Estudio
Área de la ciencia
- Neurociencia
- Biología celular
- Imagen óptica
Antecedentes
- La microscopía multimodal permite la medición de diferencias moleculares y metabólicas.
- Proporciona una visión integral de los cambios fisiopatológicos.
- Las aplicaciones se están expandiendo en entornos clínicos, particularmente con microendoscopios.
- Los sistemas de microscopio personalizados abordan desafíos experimentales.
Objetivo del estudio
- Visualizar simultáneamente el metabolismo, la morfología y la composición molecular.
- Investigar enfermedades y el proceso de envejecimiento.
- Clasificar diferentes subtipos de cáncer de mama.
Métodos Utilizados
- Microscopía de fluorescencia multiphotónica
- Microscopía de generación de segundo armónico
- Microscopía de dispersión Raman estimulada
- Técnicas de imagen bioortogonal sin marcadores
Resultados Principales
- Avances significativos en la comprensión del metabolismo de lípidos en organismos modelo.
- Identificación de la heterogeneidad espacial en la dinámica celular.
- Clasificación de subtipos de cáncer de mama mediante técnicas de imagen.
- Visualización mejorada de los procesos metabólicos en el cerebro.
Conclusiones
- El enfoque multimodal es una herramienta poderosa para la investigación de enfermedades.
- Las técnicas de imagen sin marcado proporcionan información integral sobre los entornos celulares.
- Las aplicaciones futuras podrían mejorar aún más las capacidades de imagen clínica.
Preguntas frecuentes
Relevancia Ejecutiva para la Industria
Las plataformas de imagen óptica multimodal que integran las modalidades de MPF, SHG y SRS permiten la cuantificación simultánea y sin etiquetas del metabolismo celular, la morfología y la composición molecular con resolución subcelular. Esta capacidad satisface una necesidad crítica de datos metabólicos y estructurales con alto contenido y resolución espacial en investigaciones de descubrimiento temprano y traslacionales, lo que respalda la confianza predictiva en la modelización de enfermedades y la reducción de riesgos mecanicistas. La capacidad de la plataforma para coregistrar múltiples lecturas funcionales de la misma región biológica mejora la toma de decisiones en carteras y el avance ajustado al riesgo.
Aplicaciones Estratégicas en I+D de Biotecnología Farmacéutica
Descubrimiento Temprano y Validación de Blancos
- Permite la visualización directa y la cuantificación de la actividad metabólica y la heterogeneidad molecular en sistemas relevantes para enfermedades.
- Apoya la reducción de riesgos mecanicistas mediante la correlación de estados metabólicos con características estructurales y composicionales.
- Facilita la validación funcional de dianas mediante imágenes multiplexadas sin marcado de células y tejidos vivos.
Desarrollo de Cribado y Ensayos
- Proporciona resultados de imágenes validados y reproducibles para la evaluación cuantitativa de biomarcadores metabólicos y estructurales.
- Facilita la estandarización de ensayos al permitir la adquisición simultánea de múltiples modalidades desde la misma región de la muestra.
- Acelera la preparación para cribado al reducir la necesidad de etiquetas exógenas y minimizar la perturbación de la muestra.
Investigación Traductacional y Preclínica
- Correlaciona los resultados del metabolismo y de la imagen molecular con la progresión de la enfermedad y la respuesta terapéutica en modelos preclínicos.
- Permite la cartografía espacial de la heterogeneidad metabólica relevante para la biología tumoral y la neurodegeneración.
- Facilita la continuidad desde el descubrimiento hasta la validación preclínica al proporcionar lecturas in situ y sin marcadores.
Integración de la tubería y flujo de trabajo
Esta plataforma de imagen multimodal conecta el descubrimiento temprano, la identificación de compuestos activos y la investigación preclínica al proporcionar datos cuantitativos multiplexados provenientes de sistemas biológicos intactos.
- Biología del Descubrimiento: Integra la prueba de hipótesis y la aclaración de vías mediante la correlación de datos metabólicos, estructurales y composicionales.
- Selección: Proporciona resultados cuantitativos de imágenes reproducibles, adecuados para análisis comparativos entre diferentes condiciones.
- Análisis: Ofrece mediciones ratiométricas y resueltas espacialmente del estrés oxidativo y de la insaturación lipídica para un análisis estadístico robusto.
- Investigación Traducional: Permite vincular biomarcadores de imágenes con estados patológicos y resultados terapéuticos en sistemas modelo.
- Reutilización Empresarial: Ofrece una capacidad de imagen escalable y sin marcadores, adaptable a diversos modelos biológicos y áreas de enfermedades.
Impacto Operativo y Empresarial
- Valor científico: Aumenta la confianza predictiva y reduce la ambigüedad mecanicista en la validación de dianas y vías.
- Valor operativo: Mejora la estandarización, reproducibilidad y escalabilidad de los flujos de trabajo de imagen.
- Valor estratégico: Mejora la toma de decisiones de avance o interrupción y la eficiencia del capital al proporcionar datos multiplexados de alto contenido.
- Impacto en la cartera: Apoya la priorización ajustada al riesgo y el avance de programas de descubrimiento y preclínicos.
Consideraciones de Implementación
- Requiere experiencia en imágenes ópticas avanzadas y en la integración de hardware multimodal.
- Exige instrumentación especializada, incluyendo láseres ajustables y sistemas de detección sincronizados.
- Necesita la estandarización entre equipos de los protocolos de imagen y las vías de análisis de datos.
- La adaptación entre diferentes sistemas modelo puede requerir la optimización de los parámetros de imagen y la preparación de muestras.
- La complejidad de la integración del hardware y la gestión de datos puede limitar el rendimiento en algunos entornos.
