Imagerie chimique hyperspectrale non linéaire multimodale à l’aide de la microscopie à génération de somme et de fréquence vibrationnelle à balayage linéaire
1 décembre 2023
Un cadre d’imagerie hyperspectrale multimodale rapide a été développé pour obtenir des images de génération de somme de fréquence vibratoire (VSFG) à large bande, ainsi que des modalités d’imagerie de génération de deuxième harmonique (SHG) en fond clair. En raison de la fréquence infrarouge en résonance avec les vibrations moléculaires, des connaissances microscopiques structurelles et morphologiques mésoscopiques sont révélées à partir d’échantillons autorisés par symétrie.
Notre objectif est d’étudier des échantillons auto-assemblés mésoscopiquement hétérogènes, tels que des tissus biologiques, afin de révéler leur composition chimique et leurs arrangements moléculaires. Nous explorons comment l’arrangement microscopique et la morphologie mésoscopique de ces matériaux sont liés à leurs propriétés microscopiques. Avec les progrès réalisés dans le domaine des objectifs de microscope à haute ouverture numérique et à réflexion par réflexion, nous avons démontré, ainsi que d’autres, un microscope à génération de somme de fréquence vibrationnelle avec une résolution d’un micron carré, qui peut simultanément enregistrer des images de matériaux mous et également résoudre spatialement le spectre, formant ce que l’on appelle des images hyperspectrales.
L’imagerie hyperspectrale enregistre des données expérimentales en plusieurs dimensions, deux dans les espaces, une en fréquence et éventuellement une dans le temps. Cependant, la collecte, le stockage et l’analyse rapides de ces mégadonnées pour maximiser l’information restent un défi. Il est également difficile d’échantillonner l’image uniquement pour collecter des points de données utiles.
En développant une technologie de balayage linéaire plus rapide, nous pourrions accélérer le temps d’acquisition des données de 100 fois. De plus, le microscope est compatible avec la génération de somme de fréquence ou SFG, la génération de deuxième harmonique ou SHG, ainsi qu’avec l’imagerie à grand champ. L’imagerie multimodale permet d’inspecter rapidement les échantillons à l’aide de l’imagerie optique et de corréler diverses modalités d’imagerie.
L’imagerie SHG assiste la technique optique de notre technique, mais sans le pouvoir de résolution spectrale, elle est largement utilisée en biophysique. Notre microscope SFG sera désormais en mesure de fournir des informations puissantes au niveau moléculaire qui font actuellement défaut dans les études biophysiques des tissus mous.
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Aperçu
Cette étude présente un cadre d'imagerie hyperspectrale multimodale conçu pour capturer des images de génération de fréquence de somme vibrationnelle à large bande (VSFG) aux côtés de modalités d'imagerie en champ clair et de génération d'harmonique de second ordre (SHG). Le cadre vise à améliorer la compréhension des structures microscopiques et mésoscopiques dans les tissus biologiques auto-assemblés.
Composantes clés de l'étude
Domaine scientifique
- Neuroscience
- Biophysique
- Techniques d'imagerie
Contexte
- Les échantillons auto-assemblés présentent une hétérogénéité mésoscopique.
- Comprendre la composition chimique et les arrangements moléculaires est crucial.
- Les progrès en microscopie ont amélioré la résolution et les capacités d'imagerie.
- L'imagerie hyperspectrale capture des données à travers plusieurs dimensions.
Objectif de l'étude
- Investiguer la relation entre l'arrangement microscopique et la morphologie mésoscopique.
- Améliorer l'imagerie des matériaux mous à hautes résolutions.
- Aborder les défis de la collecte et de l'analyse des données en imagerie hyperspectrale.
Méthodes utilisées
- Développement d'un cadre d'imagerie multimodale.
- Utilisation de la microscopie de génération de fréquence de somme vibrationnelle.
- Enregistrement simultané de multiples modalités d'imagerie.
- Techniques de collecte et d'analyse de données pour les images hyperspectrales.
Résultats principaux
- Acquisition réussie d'images VSFG à large bande.
- Résolution améliorée dans l'imagerie des tissus biologiques auto-assemblés.
- Aperçus sur les caractéristiques structurelles et morphologiques des échantillons.
- Identification des défis dans la gestion et l'analyse des données.
Conclusions
- Le cadre développé améliore significativement les capacités d'imagerie.
- Il fournit des aperçus précieux sur les propriétés des tissus biologiques.
- Les travaux futurs se concentreront sur l'amélioration des techniques de traitement des données.
Questions fréquemment posées
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.
