Article de méthode

Microscopie Raman cohérente : de l’instrumentation aux applications

DOI :

10.3791/64882

20 janvier 2023

Dans cet article

Résumé

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ARTICLES DISCUTÉS :

Clark, M. G., Brasseale III, K. A., Gonzalez, G. A., Eakins, G., Zhang, C. Comparaison directe de la diffusion Raman stimulée hyperspectrale et de la microscopie à diffusion Raman anti-Stokes cohérente pour l’imagerie chimique. Journal des expériences visualisées. (182), e63677 (2022)

De la Cadena, A. et al. Imagerie chimique multiplex basée sur Raman stimulé à large bande

microscopie à diffusion. Journal des expériences visualisées. (185), E63709 (2022).

Shi, L., Wei, M., Min, W. Imagerie tissulaire hautement multiplexée avec des colorants Raman. Journal des expériences visualisées. (182), E63547 (2022).

Espinoza, R., Wong, B., Fu, D. Imagerie par diffusion Raman stimulée bicolore en temps réel du cerveau de souris pour le diagnostic tissulaire. Journal des expériences visualisées. (180), E63484 (2022).

Miao, K., Lin, L. E., Qian, C., Wei, L. Imagerie à super-résolution sans marquage rendue possible par l’imagerie vibrationnelle des tissus gonflés et l’analyse. Journal des expériences visualisées. (183), E63824 (2022).

Yuan, Y., Lu, F. Une chambre flexible pour l’imagerie de cellules vivantes en accéléré avec microscopie à diffusion Raman stimulée. Journal des expériences visualisées. (186), e64449 (2022).

Wu, W., Li, X., Qu, J. Y., He, S. Imagerie in vivo de tissus biologiques avec fluorescence à deux photons combinée et microscopie à diffusion Raman stimulée. Journal des expériences visualisées. (178), E63411 (2021).

Éditorial

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Au cours de la dernière décennie, l’application de la microscopie Raman cohérente (CRM) à l’imagerie cellulaire et tissulaire a suscité un regain d’intérêt 1,2. La CRM est une technique d’imagerie chimique puissante avec deux variantes populaires : la microscopie à diffusion Raman cohérente anti-Stokes (CARS) et la microscopie à diffusion Raman stimulée (SRS). L’ERNS est de plus en plus populaire par rapport aux CARS parce qu’elle est moins affectée par les interférences de fond non Raman et qu’elle dépend linéairement de la concentration3. La CRM acquiert des informations sur les vibrations moléculaires similaires à la spectroscopie Raman, mais offre une vitesse d’acquisition considérablement améliorée4. Ceci est réalisé par une excitation vibratoire cohérente à travers une paire de lasers pulsés à haute intensité de crête. Parce que la CRM fournit une cartographie chimique résolue spatialement à haute résolution spatiale et temporelle, elle a trouvé des applications importantes dans le diagnostic du cancer, le métabolisme des lipides, le métabolisme cellulaire, le transport de médicaments et bien d’autres 5,6,7,8. Cependant, l’un des principaux goulets d’étranglement qui entrave l’adoption généralisée de la technique est sa complexité technique et l’absence de protocoles standardisés. Bien que des lasers et des microscopes commerciaux soient déjà disponibles, presque tous les systèmes actuellement utilisés dans le domaine impliquent divers niveaux de personnalisation des lasers, des optiques, des microscopes et des détecteurs, ce qui crée un obstacle important pour les chercheurs intéressés à entrer dans le domaine ou à adopter cette technologie. Le manque d’accès entrave encore plus les applications biologiques. L’objectif de cette collection de méthodes est de fournir des exemples détaillés et des conseils sur l’instrumentation, les nouvelles approches d’imagerie et les applications d’imagerie cellulaire ou tissulaire in vitro/in vivo. Nous avons inclus sept publications d’experts dans le domaine qui sont résumées ici.

Clark et al. présentent une comparaison côte à côte de la SRS hyperspectrale et de la CARS en termes de sensibilité, de résolution spatiale et de résolution spectrale9. Les deux techniques sont mises en œuvre avec la focalisation spectrale des lasers femtosecondes, une approche couramment utilisée qui utilise les lasers femtosecondes à large bande spectralement déformée pour obtenir une résolution Raman à bande étroite. Une comparaison directe permet d’évaluer les différences de détection et de sélectionner de manière optimale la modalité pour différentes applications d’imagerie chimique.

De la Cadena et al. publient une nouvelle méthode de SRS multiplex qui permet d’acquérir rapidement des images SRS à large bande10. La technique est basée sur une détection d’amplificateur différentiel multicanal à verrouillage personnalisée, qui permet de détecter jusqu’à 32 canaux simultanément. De plus, une caractérisation détaillée du bruit est présentée et une méthode de détection équilibrée est démontrée pour éliminer le bruit laser. Ce protocole fournit des conseils pratiques aux utilisateurs intéressés par la construction de systèmes SRS multiplex.

Shi et al. démontrent l’utilisation de colorants Raman hautement multiplexés dans l’imagerie SRS11. Avec l’amélioration de la pré-résonance, ils démontrent que la SRS pourrait fournir une sensibilité comparable à l’immunofluorescence standard. Cette méthode contourne la limite des canaux spectralement résolvables dans l’immunofluorescence conventionnelle et permet de surveiller de nombreuses protéines simultanément et d’étudier leurs interactions. Des conseils détaillés sur le traitement des échantillons et la coloration à la teinture Raman sont fournis pour faciliter l’adoption de cette méthode puissante.

Miao et al. présentent l’imagerie vibrationnelle des tissus gonflés et l’analyse (VISTA), une technique d’imagerie à super-résolution qui combine la SRS avec la microscopie à expansion12. VISTA contourne les obstacles associés à l’imagerie fluorescente et réalise une imagerie volumétrique à super-résolution sans marquage dans des échantillons biologiques avec une résolution spatiale allant jusqu’à 78 nm. Ils exploitent en outre un algorithme d’apprentissage profond pour réaliser une segmentation à plusieurs composants, y compris des agrégats de protéines dans les cellules et les tissus cérébraux.

Espinoza et al. présentent l’utilisation de l’imagerie SRS bicolore en temps réel des protéines et des lipides pour des applications de diagnostic tissulaire13. L’imagerie SRS bicolore peut générer des images équivalentes à H&E pour les applications de pathologie. Ce protocole décrit les détails de la mise en œuvre d’une technique de modulation orthogonale et de focalisation spectrale pour l’imagerie SRS bicolore simultanée. La conversion d’images SRS bicolores en images pseudo-H&E est également démontrée avec du tissu cérébral de souris pour illustrer les applications de diagnostic tissulaire.

Yuan et al. publient un système de chambre flexible pour l’imagerie SRS à long terme de cellules vivantes14. La plupart des chambres d’observation de cellules vivantes existantes sont conçues pour l’imagerie en fond clair et en fluorescence. Ils sont incompatibles avec la détection SRS en raison de la nécessité d’un objectif à grande ouverture numérique et d’un condenseur. Les auteurs font la démonstration d’une imagerie SRS time-lapse de 24 h avec la chambre flexible, qui a maintenu une température, un CO2 et un taux d’humidité constants.

Enfin, Wu et al. démontrent simultanément la fluorescence à deux photons in vivo (TPEF) et l’imagerie SRS15. Deux systèmes laser distincts sont combinés pour obtenir une sensibilité optimale pour les deux modalités d’imagerie afin de fournir des informations complémentaires. In vivo L’imagerie SRS des tissus présente des défis uniques en raison de la nécessité d’épi-détection de la lumière dépolarisée et rétrodiffusée. Ce protocole traite des détails de la configuration optimale d’un microscope TPEF-SRS et de la manière dont il peut être utilisé pour l’imagerie in vivo de la moelle épinière de la souris.

Cette collection de publications représente l’état actuel de l’instrumentation CRM et les avancées techniques. Les chercheurs qui s’intéressent à la fois au développement de méthodes et aux applications trouveront cette collection utile pour comparer les configurations et établir des points de référence (sensibilité, résolution, etc.) pour la construction ou l’optimisation de leurs propres systèmes. Les lignes directrices et les pratiques exemplaires fournies dans ces protocoles éclaireront les applications in vitro et in vivo actuelles et futures. L’adoption à grande échelle de la technologie CRM attend encore des applications clés et innovantes et la commercialisation de solutions CRM complètes. Néanmoins, la normalisation des approches et des points de référence en matière d’imagerie est essentielle pour assurer la reproductibilité et la fiabilité et faciliter la mise en œuvre à plus grande échelle de la CRM16.

Le domaine du CRM se développe à une vitesse rapide. Les développements techniques repoussant les limites de la sensibilité, de la spécificité et de la résolution continuent de pousser la technologie vers de nouveaux territoires. Par exemple, la résolution spatiale de la SRS commence à dépasser la limite de diffraction 17,18. La sensibilité de la pré-résonance électronique SRS approche maintenant celle de la fluorescence19. Par rapport à la fluorescence, le CRM présente des avantages distincts. Par exemple, l’utilisation du traçage du deutérium a permis d’étudier in vivo la dynamique métabolique de petites molécules à une résolution subcellulaire pour la première fois20. Avec de petites balises, il est possible d’effectuer une détection Raman hautement multiplexée de 24 cibles marquées ou plus21. Les progrès de l’intelligence artificielle offrent de nouvelles capacités pour le CRM en tirant parti de son contenu d’information élevé et de ses caractéristiques spécifiques aux molécules pour segmenter et classer des objets présentant de subtiles différences de caractéristiques spatiales et spectrales22. Ensemble, ces avancées techniques en CRM sont sur le point d’accélérer et d’élargir les applications en imagerie biologique et biomédicale.

Déclarations de divulgation

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L’auteur n’a rien à divulguer.

Remerciements

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L’auteur remercie le National Institute of Health (NIH R35 GM133435) et le Eli Lilly Young Investigator Award.

Références

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  1. Cheng, J. -X., Xie, X. S. Vibrational spectroscopic imaging of living systems: An emerging platform for biology and medicine. Science. 350 (6264), (2015).
  2. Hill, A. H., Fu, D. Cellular imaging using stimulated Raman scattering microscopy. Analytical Chemistry. 91 (15), 9333-9342 (2019).
  3. Min, W., Freudiger, C. W., Lu, S., Xie, X. S. Coherent nonlinear optical imaging: Beyond fluorescence microscopy. Annual Review of Physical Chemistry. 62 (1), 507-530 (2011).
  4. Freudiger, C. W., et al. Label-Free biomedical imaging with high sensitivity by stimulated Raman scattering microscopy. Science. 322 (5909), 1857-1861 (2008).
  5. Hollon, T. C., et al. Near real-time intraoperative brain tumor diagnosis using stimulated Raman histology and deep neural networks. Nature Medicine. 26 (1), 52-58 (2020).
  6. Yue, S., et al. Cholesteryl ester accumulation induced by PTEN loss and PI3K/AKT activation underlies human prostate cancer aggressiveness. Cell Metabolism. 19 (3), 393-406 (2014).
  7. Fu, D., et al. In vivo metabolic fingerprinting of neutral lipids with hyperspectral stimulated Raman scattering microscopy. Journal of the American Chemical Society. 136 (24), 8820-8828 (2014).
  8. Fu, D., et al. Imaging the intracellular distribution of tyrosine kinase inhibitors in living cells with quantitative hyperspectral stimulated Raman scattering. Nature Chemistry. 6 (7), 614-622 (2014).
  9. Clark, M. G., Brasseale, K. A., Gonzalez, G. A., Eakins, G., Zhang, C. Direct comparison of hyperspectral stimulated Raman scattering and coherent anti-Stokes Raman scattering microscopy for chemical imaging. Journal of Visualized Experiments. (182), e63677(2022).
  10. Dela Cadena, A., et al. Multiplex chemical imaging based on broadband stimulated Raman scattering microscopy. Journal of Visualized Experiments. (185), e63709(2022).
  11. Shi, L., Wei, M., Min, W. Highly-Multiplexed tissue imaging with Raman dyes. Journal of Visualized Experiments. (182), e63547(2022).
  12. Miao, K., Lin, L. E., Qian, C., Wei, L. Label-Free super-resolution imaging enabled by vibrational imaging of swelled tissue and analysis. Journal of Visualized Experiments. (183), e63824(2022).
  13. Espinoza, R., Wong, B., Fu, D. Real-Time, two-color stimulated Raman scattering imaging of mouse brain for tissue diagnosis. Journal of Visualized Experiments. (180), e63484(2022).
  14. Yuan, Y., Lu, F. A flexible chamber for time-lapse live-cell imaging with stimulated Raman scattering microscopy. Journal of Visualized Experiments. (186), e64449(2022).
  15. Wu, W., Li, X., Qu, J. Y., He, S. In vivo imaging of biological tissues with combined two-photon fluorescence and stimulated Raman scattering microscopy. Journal of Visualized Experiments. (178), e63411(2021).
  16. Manifold, B., Fu, D. Quantitative stimulated Raman scattering microscopy: Promises and pitfalls. Annual Review of Analytical Chemistry. 15 (1), 269-289 (2022).
  17. Qian, C., et al. Super-resolution label-free volumetric vibrational imaging. Nature Communications. 12 (1), 3648(2021).
  18. Graefe, C. T., et al. Far-Field super-resolution vibrational spectroscopy. Analytical Chemistry. 91 (14), 8723-8731 (2019).
  19. Wei, L., Min, W. Electronic preresonance stimulated Raman scattering microscopy. The Journal of Physical Chemistry Letters. 9 (15), 4294-4301 (2018).
  20. Zhang, L., et al. Spectral tracing of deuterium for imaging glucose metabolism. Nature Biomedical Engineering. 3 (5), 402-413 (2019).
  21. Wei, L., et al. Super-multiplex vibrational imaging. Nature. 544 (7651), 465-470 (2017).
  22. Manifold, B., Men, S., Hu, R., Fu, D. A versatile deep learning architecture for classification and label-free prediction of hyperspectral images. Nature Machine Intelligence. 3, 306-315 (2021).

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Mots-clés

Hyperspectral Stimulated Raman ScatteringCoherent Anti Stokes Raman ScatteringChemical ImagingMultiplex Chemical ImagingStimulated Raman Scattering MicroscopyTissue ImagingVibrational ImagingLive cell ImagingIn Vivo ImagingReal time ImagingSuper resolution Imaging

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