Imaging chimico iperspettrale non lineare multimodale mediante microscopia a scansione lineare con generazione di somma-frequenza vibrazionale
1 dicembre 2023
È stato sviluppato un quadro di imaging iperspettrale rapido e multimodale per ottenere immagini di generazione di somma e frequenza vibrazionale a banda larga (VSFG), insieme a modalità di imaging in campo chiaro, generazione di seconda armonica (SHG). A causa della risonanza della frequenza infrarossa con le vibrazioni molecolari, viene rivelata la conoscenza della morfologia strutturale e mesoscopica microscopica dei campioni consentiti dalla simmetria.
Il nostro obiettivo è quello di studiare campioni autoassemblati mesoscopicamente eterogenei, come i tessuti biologici, per rivelarne la composizione chimica e le disposizioni molecolari. Stiamo esplorando come la disposizione microscopica e la morfologia mesoscopica di questi materiali self si relazionano con le loro proprietà microscopiche. Con i progressi nell'alta apertura numerica e negli obiettivi del microscopio riflettente, noi e altri abbiamo dimostrato un microscopio per la generazione di somma-frequenza vibrazionale con una risoluzione di un micron quadrato, in grado di registrare simultaneamente immagini di materiali morbidi e anche di risolvere spazialmente lo spettro, formando le cosiddette immagini iperspettrali.
L'imaging iperspettrale registra i dati sperimentali in più dimensioni, due negli spazi, uno in frequenza e possibilmente uno nel tempo. Tuttavia, la raccolta, l'archiviazione e l'analisi rapide di tali big data per massimizzare le informazioni rimangono una sfida. Anche il campionamento dell'immagine solo per raccogliere dati utili è impegnativo.
Sviluppando una tecnologia di scansione lineare più veloce, abbiamo potuto accelerare il tempo di acquisizione dei dati di 100 volte. Inoltre, il microscopio è compatibile con la generazione di frequenza sommaria o SFG, la generazione di seconda armonica o SHG, nonché l'imaging ad ampio campo. L'imaging multimodale consente una rapida ispezione dei campioni utilizzando l'imaging ottico e correlando varie modalità di immagine.
L'imaging SHG assiste la tecnica ottica della nostra tecnica, ma senza il potere risolutivo spettrale, è ampiamente utilizzato in biofisica. Il nostro microscopio SFG sarà ora in grado di fornire potenti informazioni a livello molecolare che attualmente mancano negli studi biofisici dei tessuti molli.
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Panoramica
Questo studio presenta un framework di imaging iperspettico multimodale progettato per catturare immagini di generazione di frequenza somma vibrazionale a banda larga (VSFG) insieme a modalità di imaging a campo luminoso e di generazione di armonica seconda (SHG). Il framework mira a migliorare la comprensione delle strutture microscopiche e mesoscopiche nei tessuti biologici autoassemblati.
Componenti chiave dello studio
Area di Scienza
- Neuroscienze
- Biofisica
- Tecniche di Imaging
Contesto
- I campioni autoassemblati mostrano eterogeneità mesoscopica.
- Comprendere la composizione chimica e gli arrangiamenti molecolari è cruciale.
- I progressi nella microscopia hanno migliorato la risoluzione e le capacità di imaging.
- L'imaging iperspettico cattura dati attraverso molteplici dimensioni.
Obiettivo dello studio
- Investigare la relazione tra disposizione microscopica e morfologia mesoscopica.
- Migliorare l'imaging dei materiali morbidi ad alte risoluzioni.
- Affrontare le sfide nella raccolta e nell'analisi dei dati nell'imaging iperspettico.
Metodi utilizzati
- Sviluppo di un framework di imaging multimodale.
- Utilizzo della microscopia di generazione di frequenza somma vibrazionale.
- Registrazione simultanea di molteplici modalità di imaging.
- Tecniche di raccolta e analisi dei dati per immagini iperspettiche.
Risultati principali
- Acquisizione di successo di immagini VSFG a banda larga.
- Risoluzione migliorata nell'imaging dei tessuti biologici autoassemblati.
- Approfondimenti sulle caratteristiche strutturali e morfologiche dei campioni.
- Identificazione delle sfide nella gestione e nell'analisi dei dati.
Conclusoni
- Il framework sviluppato migliora significativamente le capacità di imaging.
- Fornisce preziose informazioni sulle proprietà dei tessuti biologici.
- Il lavoro futuro si concentrerà sul miglioramento delle tecniche di elaborazione dei dati.
Domande Frequenti
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.
