פלטפורמת הדמיה אופטית מולטי-מודאלית לחקר חילוף החומרים התאי
6 ביוני 2025
תוך שימוש בפלטפורמה רב-מודאלית המשלבת שיטות הדמיה אופטיות ללא תוויות, פיתחנו פרוטוקול להדמיה וכימות של דינמיקה תאית וחילוף חומרים. באמצעות הדמיה באמצעות פלואורסצנציה רב-פוטונית, דור הרמוני שני ומיקרוסקופ פיזור רמאן מגורה, אנו יכולים ליצור סקירה הוליסטית של הסביבה התאית והמולקולרית.
המחקר שלנו כולל מינוף המיקרוסקופ הרב-מודאלי שלנו כדי למדוד הבדלים מולקולריים ומטבוליים במספר פתולוגיות ולהמחיש את ההטרוגניות המרחבית שלהם. הגישה הרב-מודאלית להדמיה אופטית מאפשרת לנו לזהות שינויים פתופיזיולוגיים ממגוון נקודות מבט. הגישה הרב-מודאלית למיקרוסקופיה אופטית מרחיבה ללא הרף את יישומיה, במיוחד בסביבה הקלינית, שבה פיתוח מיקרו-אנדוסקופים פתח שדרה להדמיה קלינית.
אתגרי הניסוי הנוכחיים נעוצים במורכבות של שילוב כל החומרה זו עם זו, וזו חלק מהסיבה לכך שאנו משתמשים במערכת מיקרוסקופ מותאמת אישית. באמצעות השימוש בפלטפורמת ההדמיה האופטית הרב-מודאלית שלנו, עשינו צעדים משמעותיים במחקר מחלות ביו-אורתוגונליות ללא תוויות, כולל סיווג של תת-סוגים שונים של סרטן השד וניתוח חילוף החומרים של השומנים במוח הדרוזופילה והעכבר. באמצעות הדמיה אופטית רב-מודאלית ללא תוויות, אנו מסוגלים לדמיין את חילוף החומרים, המורפולוגיה וההרכב המולקולרי בו-זמנית, המהווה כלי רב עוצמה לחקירת מחלות ותהליך ההזדקנות.
כדי להתחיל, יש לחמם את הלייזר ולהמתין כ-15 עד 20 דקות. הפעל את תיבת הבקרה, ואחריה בקר לוח מגע, מתאם AC לשלט לייזר ראשי ומתאם AC לשלט לייזר משנה, ולאחר מכן הפעל את גלאי דיודות הצילום מסיליקון ומגבר נעילה. הגדר את מערכת הלייזר עם קרן משאבה הניתנת לכוונון מ-780 ננומטר ל-990 ננומטר, עם רוחב פולס של חמש עד שש פיקו-שניות וקצב חזרה של 80 מגה-הרץ.
קרן הלייזר של סטוקס צריכה להיות באורך גל קבוע של 1031 ננומטר, עם פולס של שש פיקו-שניות וקצב חזרה של 80 מגה-הרץ. ודא שגם קורות המשאבה וגם קורות הסטוקס נמצאות בהספק נמוך, לפחות 20 מילי-וואט כדי להיות גלויות על לוחית היישור. מרחו שמן על מעבה השמן בעל הצמצם המספרי הגבוה.
התקן את שקופית המיקרוסקופ על מעבה השמן, והנח טיפת מים גדולה על מגלשת המיקרוסקופ עבור מטרת המים פי 25. כוונן את Z stage כדי לכוונן את המיקוד עד שתמונת השדה הבהיר הבהירה של הדגימה הביולוגית נראית מתחת למטרת המים של 25X. התחל את תהליך ההדמיה ברצף הנכון כדי למנוע פוטוהלבנה.
כדי לעבור בין MPF ל-SHG במהירות, עבור מקרן המשאבה לקורת הסטוקס הקבועה. בחר ברזולוציית התמונה כ- 512 על 512 פיקסלים. הגדר את זמן ההשתהות לשמונה מיקרו-שניות לפיקסל עבור MPF ו-SHG, עם מסגרת ממוצעת מעל שלוש.
השתמש ב-40 מיקרו-שניות לפיקסל עם מסגרת ממוצעת של שתיים עבור שיטת ה-SRS. כדי לרכוש אוטופלואורסצנטיות עם MPF, כבה את קרן הלייזר של סטוקס. כוון את לייזר המשאבה ל-800 ננומטר כדי לעורר NADH ופלבין.
רכשו את אות סיבי הקולגן באמצעות SHG. כבה את קרן הלייזר של המשאבה והשתמש רק בקרן הלייזר של סטוקס בהספק של 500 מילי-וואט. השג את ההתפלגות המרחבית של חלבונים ושומנים באמצעות SRS.
השאר את שתי קרני הלייזר דולקות והתאם את תדר קרן הלייזר כך שיתאים למצב הרטט הספציפי עבור כל מולקולה. כדי לרכוש את מערכי נתוני התמונה ההיפר-ספקטרלית של SRS, בחר מצב חבילה והגדר את טווח אורכי הגל מ-781.3 ננומטר ל-806.5 ננומטר. בחר מספר אוסף של 60 לפחות וצלם את אוסף התמונות ההיפר-ספקטרלי.
שמור את כל התמונות מאותם אזורי עניין באותה תיקייה, וודא שפורמט התמונה הוא קובץ Olympus OIR. הדמיית אוטופלואורסצנציה ו-SRS לכדו בהצלחה מידע מטבולי ומבני מרקמת ריאה אנושית. ניתוח רציומטרי של יחס החמצון החיזור האופטי ויחס אי הרוויה של השומנים סיפק התפלגויות מרחביות של פעילות מטבולית והרכב מולקולרי ברקמת הריאה האנושית.
השוואה כמותית של מתח חמצוני ואי רוויה בשומנים בין רקמה בריאה לגידול מגלה הבדלים במצבים מטבוליים.
צפו בתמליל המלא וקבלו גישה לאלפי סרטונים מדעיים
סקירה כללית
מחקר זה מציג פלטפורמה לדמיון אופטי מולטי-מודאלי המאפשרת ויזואליזציה וכימות של דינמיקה ותהליכי מטבוליזם תאיים. באמצעות שימוש בטכניקות דימות שונות, ניתן לקבל תובנות לגבי הסביבה התאית והמולקולרית במגוון פתולוגיות.
מרכיבי מפתח של המחקר
תחום המדע
- מדעי המוח
- ביולוגיה של התא
- דימות אופטי
רקע
- מיקרוסקופיה רב-מודאלית מאפשרת מדידה של הבדלים מולקולריים ומטבוליים.
- היא מספקת מבט הוליסטי על שינויים פתופיזיולוגיים.
- היישומים מתרחבים במסגרות קליניות, במיוחד באמצעות מיקרו-אנדוסקופים.
- מערכות מיקרוסקופ שנבנו בהתאמה אישית נותנות מענה לאתגרים ניסיוניים.
מטרת המחקר
- להדמיה בו-זמנית של מטבוליזם, מורפולוגיה והרכב מולקולרי.
- לחקר מחלות ותהליכי הזדקנות.
- לסיווג של תתי-סוגים שונים של סרטן השד.
שיטות שנעשה בהן שימוש
- מיקרוסקופיית פלואורסצנציה רב-פוטונית
- מיקרוסקופיית יצירת הרמוניה שנייה
- מיקרוסקופיית פיזור רמן מעורר
- טכניקות דימות ביו-אורתוגונליות ללא סימון
תוצאות עיקריות
- התקדמות משמעותית בהבנת מטבוליזם של ליפידים באורגניזמי מודל.
- זיהוי של הטרוגניות מרחבית בדינמיקה תאית.
- סיווג של תת-סוגי סרטן השד באמצעות טכניקות דימות.
- שיפור של הוויזואליזציה של תהליכים מטבוליים במוח.
מסקנות
- הגישה הרב-מודאלית היא כלי רב עוצמה לחקר מחלות.
- טכניקות דימות ללא סימון (Label-free) מספקות תובנות מקיפות לגבי סביבות תאיות.
- יישומים עתידיים עשויים לשפר עוד יותר את יכולות הדימות הקליני.
שאלות נפוצות
רלוונטיות תעשייתית למנהלים
פלטפורמות דימות אופטי רב-מודאליות המשלבות את המודליות MPF, SHG ו-SRS מאפשרות כימות סימולטני וללא סימון של מטבוליזם תאי, מורפולוגיה והרכב מולקולרי ברזולוציה סוב-תאית. יכולת זו נותנת מענה לצורך קריטי בנתונים מטבוליים ומבניים בעלי תוכן גבוה ורזולוציה מרחבית בשלבי גילוי מוקדמים ובמחקר תרגומי, ובכך תומכת בביטחון חיזויי במידול מחלות ובצמצום סיכונים מכניסטיים. יכולתה של הפלטפורמה לבצע רישום משותף (coregister) של מספר מדדים תפקודיים מאותו אזור ביולוגי משפרת את קבלת ההחלטות לגבי תיק הפיתוח ואת הקידום המותאם לסיכון.
יישומים אסטרטגיים במחקר ופיתוח בביופארמה
גילוי מוקדם ותיקוף מטרה
- מאפשר ויזואליזציה ישירה וכימות של פעילות מטבוליים והטרוגניות מולקולרית במערכות הרלוונטיות למחלה.
- תומך בהפחתת סיכונים מכניסטיים באמצעות מתאם בין מצבים מטבוליים למאפיינים מבניים והרכביים.
- מסייע בתיקוף פונקציונלי של מטרות באמצעות דימוי רב-ערוצי (multiplexed) ללא סימון של תאים ורקמות חיים.
סריקה ופיתוח בדיקה
- מספק פלטי דימות מתוקתקים וניתנים לשחזור להערכה כמותית של סמנים ביולוגיים מטבוליים ומבניים.
- תומך בסטנדרטיזציה של הבדיקה על ידי מתן אפשרות לרכישה סימולטנית של מודאליות מרובות מאותו אזור דגימה.
- מאיץ את המוכנות לסריקה על ידי הפחתת הצורך בסימונים חיצוניים ומינימום הפרעה לדגימה.
מחקר תרגומי ופרה-קליני
- מתאים את תוצרי הדימות המטבולי והמולקולרי להתקדמות המחלה ולתגובה טיפולית במודלים פרה-קליניים.
- מאפשר מיפוי מרחבי של הטרוגניות מטבולית הרלוונטית לביולוגיה של גידולים ולניוון עצבי.
- תומך ברצף מהשלב הגילוי ועד לתיקוף פרה-קליני על ידי אספקת קריאות in situ ללא סימון (label-free).
שילוב תהליכי עבודה וצינורות עיבוד
פלטפורמת הדימות הרב-מודאלית הזו מגשרת בין שלבי הגילוי המוקדמים, זיהוי המולקולות המובילות (lead identification) ומחקר פרה-קליני, על ידי אספקת נתונים כמותיים ומרובי-מרכיבים (multiplexed) ממערכות ביולוגיות שלמות.
- ביולוגיה של גילוי: משלבת בדיקת השערות והבהרת מסלולים על ידי קורלציה בין נתונים מטבוליים, מבניים והרכביים.
- סריקה: מספקת תוצרי דימוי כמותיים וניתנים לשחזור המתאימים לניתוח השוואתי בין תנאים שונים.
- אנליטיקה: מספקת מדידות רציומטריות ובעלות רזולוציה מרחבית של עקה חמצונית וחוסר רוויה של ליפידים לצורך ניתוח סטטיסטי חסון.
- מחקר תרגומי: מאפשרת התאמה של סממנים ביולוגיים של דימוי עם מצבי מחלה ותוצאות טיפוליות במערכות מודל.
- שימוש חוזר ארגוני: מציעה יכולת דימוי ניתנת להרחבה וללא סימון (label-free), הניתנת להתאמה למגוון מודלים ביולוגיים ותחומי מחלה.
השפעה תפעולית וארגונית
- ערך מדעי: מגביר את הביטחון החזוי ומפחית עמימות מנגנונית באימות של מטרות ומסלולים.
- ערך תפעולי: משפר את הסטנדרטיזציה, השחזוריות והיכולת להרחבה של תהליכי עבודה בדימות.
- ערך אסטרטגי: משפר את קבלת ההחלטות לגבי המשך או הפסקת הפרויקט (go/no-go) ואת יעילות ההון באמצעות אספקת נתונים מרובי תוכן ומרובי פרמטרים (multiplexed).
- השפעה על הפורטפוליו: תומך בתעדוף מותאם סיכונים ובקידום של תוכניות גילוי ומחקרים פרה-קליניים.
שיקולי יישום
- נדרשת מומחיות בדימות אופטי מתקדם ובאינטגרציה של חומרה רב-מודאלית.
- דורש מכשור ייעודי, הכולל לייזרים בעלי אורך גל可 điều chỉnh (tunable lasers) ומערכות גילוי מסונכרנות.
- מחייב סטנדרטיזציה בין-צוותית של פרוטוקולי דימות ושל תהליכי (pipelines) ניתוח נתונים.
- התאמה למערכות מודל שונות עשויה לדרוש אופטימיזציה של פרמטרי הדימות והכנת הדגימות.
- מורכבות אינטגרציית החומרה וניהול הנתונים עלולה להגביל את התפוקה (throughput) במספר הגדרות ניסוייות.
