מאמר שיטה

מיקרוסקופ ראמאן קוהרנטי: ממכשור ליישומים

DOI:

10.3791/64882

20 בינואר 2023

במאמר זה

תקציר

Loading...
$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

מאמרים שנדונו:

Clark, M. G., Brasseale III, K. A., Gonzalez, G. A., Eakins, G., Zhang, C. השוואה ישירה של פיזור רמאן מגורה היפרספקטרלי ומיקרוסקופ פיזור קוהרנטי נגד סטוקס רמאן להדמיה כימית. כתב העת לניסויים חזותיים. (182), e63677 (2022)

De la Cadena, A. et al. הדמיה כימית מולטיפלקס המבוססת על פס רחב מגרה ראמאן

מיקרוסקופיה פיזור. כתב העת לניסויים חזותיים. (185), e63709 (2022).

Shi, L., Wei, M., Min, W. הדמיית רקמות מרובות מאוד עם צבעי ראמאן. כתב העת לניסויים חזותיים. (182), e63547 (2022).

Espinoza, R., Wong, B., Fu, D. בזמן אמת, הדמיית פיזור רמאן מגורה בשני צבעים של מוח העכבר לאבחון רקמות. כתב העת לניסויים חזותיים. (180), e63484 (2022).

Miao, K., Lin, L. E., Qian, C., Wei, L. הדמיה ברזולוציה גבוהה ללא תוויות המופעלת על ידי הדמיית רטט של רקמה נפוחה וניתוח. כתב העת לניסויים חזותיים. (183), e63824 (2022).

Yuan, Y., Lu, F. תא גמיש להדמיית תאים חיים בהילוך מהיר עם מיקרוסקופ פיזור ראמאן מגורה. כתב העת לניסויים חזותיים. (186), e64449 (2022).

Wu, W., Li, X., Qu, J. Y., He, S. הדמיה in vivo של רקמות ביולוגיות עם פלואורסצנטיות משולבת של שני פוטונים ומיקרוסקופ פיזור רמאן מגורה. כתב העת לניסויים חזותיים. (178), e63411 (2021).

מאמר מערכת

Loading...
$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

במהלך העשור האחרון, יש גל של עניין ביישום מיקרוסקופ ראמאן קוהרנטי (CRM) להדמיית תאים ורקמות 1,2. CRM היא טכניקת הדמיה כימית רבת עוצמה עם שתי גרסאות פופולריות: מיקרוסקופ קוהרנטי נגד פיזור רמאן סטוקס (CARS) ומיקרוסקופ פיזור רמאן מגורה (SRS). SRS פופולרי יותר ויותר בהשוואה ל-CARS מכיוון שהוא פחות מושפע מהפרעות רקע שאינן ראמאן ויש לו תלות ליניארית בריכוז3. CRM רוכש מידע רטט מולקולרי בדומה לספקטרוסקופיה של ראמאן, אך מציע מהירות רכישה משופרת משמעותית4. זה מושג על ידי עירור רטט קוהרנטי באמצעות זוג לייזרים פועמים בעוצמת שיא גבוהה. מכיוון ש-CRM מספק מיפוי כימי ברזולוציה מרחבית וזמנית גבוהה, הוא מצא יישומים חשובים באבחון סרטן, מטבוליזם של שומנים, חילוף חומרים של תאים, הובלת תרופות ועודרבים אחרים 5,6,7,8. עם זאת, צוואר בקבוק מרכזי אחד המעכב אימוץ נרחב של הטכניקה הוא המורכבות הטכנית שלה והיעדר פרוטוקולים סטנדרטיים. למרות שכבר קיימים לייזרים ומיקרוסקופים מסחריים, כמעט כל המערכות המשמשות כיום בתחום כרוכות ברמות שונות של התאמה אישית של לייזרים, אופטיקה, מיקרוסקופים וגלאים, מה שיוצר חסם משמעותי לחוקרים המעוניינים להיכנס לתחום או לאמץ טכנולוגיה זו. חוסר הגישה מעכב עוד יותר יישומים ביולוגיים. מטרת אוסף שיטות זה היא לספק דוגמאות מפורטות והדרכה לגבי מכשור, גישות הדמיה חדשות ויישומי הדמיית תאים או רקמות במבחנה/in vivo. כללנו שבעה פרסומים של מומחים בתחום המסוכמים כאן.

קלארק ועמיתיו מציגים השוואה זו לצד זו של SRS היפרספקטרלי ו-CARS במונחים של רגישות, רזולוציה מרחבית ורזולוציה ספקטרלית9. שתי הטכניקות מיושמות עם מיקוד ספקטרלי של לייזרי פמטו-שניות, גישה נפוצה המשתמשת בלייזרי פמטו-שניות בפס רחב ציוץ ספקטרלי כדי להשיג רזולוציית רמאן צרת פס. השוואה ישירה מאפשרת הערכה של הבדלי זיהוי ובחירה אופטימלית של השיטה ליישומי הדמיה כימית שונים.

De la Cadena et al. מפרסמים שיטת SRS מולטיפלקס חדשה שיכולה לרכוש תמונות SRS בפס רחב במהירות10. הטכניקה מבוססת על זיהוי מגבר נעילה רב-ערוצי דיפרנציאלי מותאם אישית, המאפשר זיהוי של עד 32 ערוצים בו זמנית. בנוסף, מוצג אפיון רעש מפורט, ומודגמת שיטת זיהוי מאוזנת לביטול רעשי לייזר. פרוטוקול זה מספק הדרכה מעשית למשתמשים המעוניינים לבנות מערכות SRS מרובות.

שי ועמיתיו מדגימים את השימוש בצבעי ראמאן מרובים מאוד בהדמיית SRS11. עם שיפור קדם-תהודה, הם מדגימים ש-SRS יכול לספק רגישות הניתנת להשוואה לאימונופלואורסצנציה סטנדרטית. שיטה זו עוקפת את גבול הערוצים הניתנים לפתרון ספקטרלי באימונופלואורסצנציה קונבנציונלית ומאפשרת ניטור של חלבונים רבים בו זמנית ולימוד האינטראקציות ביניהם. הדרכה מפורטת על עיבוד הדגימה וצביעה בצבע רמאן ניתנת כדי להקל על אימוץ שיטה עוצמתית זו.

מיאו ועמיתיו מציגים הדמיית רטט של רקמה נפוחה וניתוח (VISTA), טכניקת הדמיה ברזולוציה גבוהה המשלבת SRS עם מיקרוסקופ הרחבה12. VISTA עוקף מכשולים הקשורים להדמיה פלואורסצנטית ומשיג הדמיה נפחית ברזולוציה גבוהה ללא תוויות בדגימות ביולוגיות ברזולוציה מרחבית של עד 78 ננומטר. הם מנצלים עוד אלגוריתם למידה עמוקה כדי להשיג פילוח רב-רכיבי, כולל אגרגטים של חלבונים בתאים וברקמות המוח.

אספינוזה ואחרים מציגים את השימוש בהדמיית SRS דו-צבעונית בזמן אמת של חלבונים ושומנים ליישומי אבחון רקמות13. הדמיית SRS בשני צבעים יכולה ליצור תמונות שוות ערך ל-H&E עבור יישומי פתולוגיה. פרוטוקול זה מתאר את הפרטים של יישום טכניקת אפנון אורתוגונלית ומיקוד ספקטרלי להדמיית SRS דו-צבעונית בו זמנית. המרה של תמונות SRS דו-צבעוניות לתמונות פסאודו-H&E מודגמת גם עם רקמת מוח של עכבר כדי להמחיש יישומי אבחון רקמות.

יואן ועמיתיו מפרסמים מערכת תא גמישה להדמיית SRS ארוכת טווח של תאים חיים14. רוב תאי התצפית הקיימים של תאים חיים מיועדים להדמיית שדה בהיר ופלואורסצנטי. הם אינם תואמים לזיהוי SRS בגלל הדרישה למטרה ומעבה NA גבוהים. המחברים מדגימים הדמיית SRS של 24 שעות עם התא הגמיש, ששמר על טמפרטורה קבועה, CO2 ולחות.

לבסוף, וו ואחרים מדגימים בו זמנית פלואורסצנציה דו-פוטונית in vivo (TPEF) והדמיית SRS15. שתי מערכות לייזר נפרדות משולבות כדי להשיג רגישות אופטימלית לשתי שיטות ההדמיה כדי לספק מידע משלים. in vivo להדמיית SRS של רקמות יש אתגרים ייחודיים בגלל הצורך בזיהוי אפי של אור מפוזר לאחור. פרוטוקול זה דן בפרטים של ההגדרה האופטימלית של מיקרוסקופ TPEF-SRS וכיצד ניתן להשתמש בו להדמיה in vivo של חוט השדרה של העכבר.

אוסף פרסומים זה מייצג את המצב המתקדם ביותר במכשור CRM והתקדמות טכנית. חוקרים המתעניינים הן בפיתוח שיטות והן ביישומים ימצאו אוסף זה שימושי להשוואת הגדרות ולקביעת אמות מידה (רגישות, רזולוציה וכו') לבנייה או אופטימיזציה של מערכות משלהם. ההנחיות ושיטות העבודה המומלצות הניתנות בפרוטוקולים אלה יודיעו על יישומי המבחנה והיישומים הקיימים והעתידיים. האימוץ בקנה מידה גדול של טכנולוגיית ה-CRM עדיין ממתין ליישומים מרכזיים וחדשניים ולמסחור של פתרונות CRM מלאים. עם זאת, סטנדרטיזציה של גישות הדמיה ומדדים חיונית כדי להבטיח שחזור ואמינות ולהקל על יישום רחב יותר של CRM16.

תחום ה- CRM צומח במהירות מהירה. ההתפתחויות הטכניות הדוחפות את מגבלת הרגישות, הספציפיות והרזולוציה ממשיכות להניע את הטכנולוגיה לטריטוריות חדשות. לדוגמה, הרזולוציה המרחבית של SRS מתחילה לעלות על גבול העקיפה17,18. הרגישות של SRS קדם-תהודה אלקטרונית מתקרבת כעת לזו של פלואורסצנטיות19. בהשוואה לפלואורסצנטיות, ל-CRM יתרונות ברורים. לדוגמה, השימוש במעקב אחר דאוטריום איפשר לראשונה מחקר in vivo של דינמיקה מטבולית של מולקולות קטנות ברזולוציה תת-תאית20. עם תגים קטנים, ניתן לבצע זיהוי Raman מרובה מאוד של 24 או יותר מטרות מסומנות21. ההתקדמות בבינה מלאכותית מאפשרת יכולות חדשות ל-CRM על ידי מינוף תוכן המידע הגבוה והתכונות הספציפיות למולקולריות כדי לפלח ולסווג אובייקטים עם הבדלי תכונות מרחביים וספקטרליים עדינים22. יחד, ההתקדמות הטכנית הללו ב-CRM עומדת להאיץ ולהרחיב יישומים בהדמיה ביולוגית וביו-רפואית כאחד.

גילויים

Loading...
$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

למחבר אין מה לחשוף.

תודות

Loading...
$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

המחבר מכיר בתמיכה כספית מהמכון הלאומי לבריאות (NIH R35 GM133435) ובפרס החוקר הצעיר של אלי לילי.

מקורות

Loading...
$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  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).

הדפסות חוזרות והרשאות

בקש הרשאה לשימוש חוזר בטקסט או באיורים של מאמר JoVE זה

בקש הרשאה

תגיות

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

מאמרים קשורים