Multimodale beeldvorming en spectroscopie Fiber-bundel microendoscopy Platform voor niet-invasieve, In Vivo Tissue Analyse
17 oktober 2016
De assemblage en het gebruik van een multimodaal microendoscoop wordt beschreven, die oppervlakkige weefseldatagegevens kan co-registreren met fysiologische weefselparameters, waaronder hemoglobineconcentratie, melanineconcentratie en zuurstofverzadiging. Deze techniek kan nuttig zijn voor het evalueren van weefselstructuur en perfusie, en kan worden geoptimaliseerd voor individuele behoeften van de onderzoeker.
Het algemene doel van deze procedure is functionele karakterisering van in vivo weefsel door het combineren van hoogwaardige structurele informatie met kwantitatieve spectragegevens. Deze methode kan worden gebruikt om belangrijke vragen in het gebied van kankerbiologie te beantwoorden, zoals het kwantificeren van de effecten van therapie op weefselmicrostructuur en perfusie. Het grote voordeel van deze techniek is dat een enkele sonde kan worden gebruikt om zowel beeld- als spectroscopiegegevens op dezelfde locatie te verzamelen.
De implicaties van deze techniek strekken zich uit naar gastro-intestinale kankertherapie omdat de sonde compatibel is met conventionele endoscopietechnieken. Over het algemeen zullen personen die nieuw zijn met deze methode worstelen omdat kleine onregelmatigheden in sondeplaatsing de gegevensnauwkeurigheid aanzienlijk kunnen beïnvloeden. We kregen het idee voor deze methode toen we de belangrijkheid inzagen van het combineren van een hoge-resolutie beeldtechniek met een kwantitatieve spectroscopiemethode.
Visuele demonstratie van deze methode is cruciaal omdat de voorbereidingsstappen moeilijk te leren zijn vanwege de complexiteit van zowel de constructie als kalibratie. Om te beginnen met het assembleren van de hoogwaardige fluorescentiemicroscopie modaliteit van de multimodaal micro endoscoop, monteer een 470 nanometer dichroische spiegel in een 30 millimeter kooi kubus. Bevestig kooi montage staven aan de voorkant, rechter- en linkerkant van de kooi kubus.
Bevestig een spanningsvrije borgring aan een schroefdraad kooi plaat en schroef een lensbuis in de borgring. Bevestig een andere kooi plaat aan de lensbuis uitgelijnd met de eerste kooi plaat. Bevestig vervolgens een UV-verbeterde aluminium spiegel in een rechte hoek spiegel montage.
Bevestig vier staven aan de voorkant van de spiegel montage en twee staven diagonaal aan de rechterkant van de montage. Schuif de lensbuis montage op de linkerkant van de kooi kubus. Verbind de rechterkant van de spiegel montage met de lensbuis montage.
Schuif een Z-as translatie montage op de rechterkant van de montage. Bevestig een 10x achromatisch objectieflens aan de translatie montage. Bevestig vervolgens een vezel adapter plaat aan een XY-as translatie lens montage.
Schuif de montage op de montage voor de objectieflens. Gebruik borgringen om een geschikte excitatie filter en emissie filter in lensbuizen te bevestigen. Schroef de excitatie filter lensbuis in de voorkant van de kooi kubus.
En de emissie filter lensbuis in de voorkant van de rechte hoek spiegel montage. Gebruik epoxy om een 455 nanometer LED aan de kooi plaat te bevestigen voor de excitatie filter. Schuif een kooi plaat voor elke filter lensbuis.
Gebruik een borgring om een achromatisch dubbele lensbuis in een andere lensbuis te bevestigen zodat de pijl op de buitenkant van de lens naar de extern getande kant van de lensbuis wijst. Bevestig de buis lens aan de linker kooi plaat, plaats een andere kooi plaat voor de buis lens. Gebruik een spanningsvrije borgring om een USB monochrome camera aan de kooi plaat te bevestigen.
Om te beginnen met het assembleren van de sub-diffuse reflectie spectroscopie modaliteit, bevestig een schroefdraad kooi plaat aan de voorkant van een wolfraam halogeen lichtbron met epoxy. Plaats vier kooi montage staven in de kooi plaat en schuif een Z-as translatie montage op de staven. Schroef een 20x achromatisch objectieflens in de Z-as translatie montage.
Verbind een vezel adapter plaat aan een XY-as translatie montage en schuif de montage op de montage voor de objectieflens. Bevestig ten slotte beide assemblages op een optische tafel dicht bij elkaar met behulp van geschikte montage apparaten. Om te beginnen met het construeren van het bron detector scheidingswisselapparaat, schroef een extern getande SMA vezel adapter plaat in een aluminium motor arm.
Bevestig een motor arm adapter aan de achterkant van de motor arm. Schroef vervolgens een stapmotor in een aluminium motor behuizing. Draad de motor arm assemblage op de motor staaf en draai de borgschroef vast.
Schroef vervolgens drie vezel adapter platen in een optische schakelaar en schroef vervolgens de front plaat op de optische schakelaar. Draad de stapmotor staaf door het middelste gat van de optische schakelaar. Plaats een stapmotor driver over de middellijn van een sodderloos rood bord.
Verbind de driver met een geschikte voeding en de stapmotor. Bevestig de optische schakelaar aan de optische tafel. Bevestig een 550 micrometer 0.22 na patch kabel aan de motor arm.
Verbind het andere uiteinde met een USB spectrometer. Om de glasvezel sonde aan te sluiten, bevestig de centrale 1 millimeter beeld vezel kabel aan de hoogwaardige fluorescentiemicroscopie modaliteit assemblage. Bevestig de linker 200 micrometer multi-mode kabel aan de sub-diffuse reflectie spectroscopie modaliteit assemblage.
Ga verder vanaf de linkerkant en verbind de resterende multi-mode kabels in volgorde naar de linker-, middelste en rechteradapters van het optische schakelapparaat. Om te beginnen met kalibratie voor het experiment, sluit alle USB randapparaten aan op de computer. Zet alle instrumentatie aan en zorg ervoor dat de wolfraam halogeen lamp sluiter open staat.
Zet vervolgens de kamerverlichting uit en sluit andere bronnen van omgevingslicht. Open de data verwerving software. Laat de apparatuur 30 minuten draaien voordat u doorgaat naar kalibratie.
Plaats een 20% diffuse reflectie standaard in het onderste gedeelte van het kalibratieapparaat. Plaats de glasvezel sonde in de linker sleuf van het apparaat en stel de gemotoriseerde optische schakelaar naar links om de 374 micrometer als DS instelling te selecteren. Stel in de software de integratietijd in op 500 milliseconden.
Klik vervolgens op spectrum verwerven om de verwerving van RMAX voor deze SDS te starten. Wanneer de verwerving van RMAX is voltooid, sla het spectrum op in een aangewezen map. Sluit de wolfraam halogeen lamp sluiter en verwerf het R donker spectrum voor deze SDS.
Open de sluiter, verplaats de sonde naar de rechtersleuf in het kalibratieapparaat en stel de gemotoriseerde optische schakelaar in de middelste positie voor de 730 micrometer SDS instelling. Verwerf RMAX en RDARK voor deze SDS om de kalibratie te voltooien. Bepaal eerst het geschikte huidgebied voor gegevensverzameling.
Gebruik een gele marker als Pyranine bron en kleurt lichtjes het gekozen gebied. Om te beginnen met de
Bekijk het volledige transcript en krijg toegang tot duizenden wetenschappelijke video's
Overzicht
Dit artikel presenteert een multimodale glasvezel-microendoscopietechniek die hoge-resolutie fluorescentiebeeldvorming integreert met diffuse reflectantespectroscopie voor in vivo weefselanalyse. De gecombineerde aanpak maakt gelijktijdige visualisatie van de microarchitectuur van weefsels en kwantitatieve beoordeling van fysiologische parameters mogelijk, hier gedemonstreerd op de menselijke huid. Het protocol beschrijft in detail de constructie van de probe, de kalibratie en de gegevensverwerving, waardoor een uitgebreid instrument wordt geboden voor functionele weefselkarakterisering.
Belangrijkste studiecomponenten
Wetenschappelijk gebied
- Biomedische technologie
- Optische beeldvorming
- Spectroscopie
- Kankerbiologie
Achtergrond
- Traditionele vezelbundel-microendoscopie maakt niet-invasieve in vivo weefselanalyse mogelijk met behulp van beeldvorming of spectroscopie.
- Fluorescentie-microendoscopie met hoge resolutie visualiseert de microarchitectuur van weefsels en kan in realtime neoplastisch weefsel onderscheiden van niet-neoplastisch weefsel.
- Diffuse reflectanspectroscopie kwantificeert fysiologische parameters zoals hemoglobine, melanine en zuurstofverzadiging.
- Het combineren van deze modaliteiten in een enkele probe biedt een meer uitgebreide beoordeling van de weefselgezondheid.
Doel van de studie
- Om een hybride optische probe te ontwikkelen en te demonstreren die hoge-resolutie fluorescentie-imaging en diffuse reflectancespectroscopie integreert.
- Om co-geregistreerde structurele en functionele analyse van in vivo weefsel mogelijk te maken.
- Om een protocol te bieden voor het construeren, kalibreren en gebruiken van de multimodale probe.
Gebruikte Methoden
- Constructie van een glasvezelsonde die fluorescentie-microendoscopie en diffuse reflectantespectroscopie combineert.
- Assemblage van optische componenten, waaronder dichroïsche spiegels, objectieflensen, filters, LED's en spectrometers.
- Kalibratie met behulp van diffuse reflectantiestandaarden en softwaregebaseerde gegevensverwerving.
- In vivo demonstratie op de menselijke huid met Pyranine-kleuring voor fluorescentiebeeldvorming en spectrale analyse van fysiologische parameters.
Belangrijkste resultaten
- De probe heeft succesvol resolutiebeelden van apicale huidkeratinocyten verkregen en deze gecoregistreerd met kwantitatieve spectrale gegevens.
- Hemoglobineconcentratie, melanineconcentratie en zuurstofsaturatie werden uit dezelfde weefselplaats geëxtraheerd.
- Een vergelijking tussen een goedaardige melanocytaire nevus en normale huid toonde een lagere hemoglobine- en een hogere melanineconcentratie in de nevus.
- De techniek kan, zodra deze beheerst is, in minder dan een uur worden uitgevoerd en is compatibel met endoscopische procedures.
Conclusies
- De multimodale probe maakt uitgebreide, gecoregistreerde structurele en functionele weefselanalyse in vivo mogelijk.
- Deze is aanpasbaar voor handmatig of endoscopisch gebruik in diverse organsystemen.
- Verder klinisch onderzoek is nodig om de bruikbaarheid bij verschillende epitheliale ziektebeelden te valideren.
Veelgestelde vragen
Industriële Relevantie voor Managers
De integratie van fluorescentiebeeldvorming met hoge resolutie en diffuse reflectantespectroscopie in één enkel micro-endoscopieplatform met vezelbundels maakt niet-invasieve in vivo weefselanalyse mogelijk met zowel structurele als kwantitatieve fysiologische inzichten. Deze multimodale aanpak vergroot de voorspellende betrouwbaarheid bij weefselkarakterisering, wat vroege ontdekking en translationele onderzoeksturning points ondersteunt. De compatibiliteit van het platform met endoscopische workflows maakt het tot een herbruikbare mogelijkheid voor functionele weefselbeoordeling in diverse orgaansystemen.
Strategische toepassingen in BioPharma R&D
Vroege ontdekking & targetvalidatie
- Maakt functionele analyse van de weefselmicrostructuur en perfusie in vivo mogelijk.
- Ondersteunt biologische risicoreductie door co-registratie van micro-architecturale en fysiologische gegevens.
- Vergemakkelijkt voorspellende zekerheid bij het onderscheid tussen neoplastisch en niet-neoplastisch weefsel.
- Biedt een basis voor mechanistische studies naar de effecten van therapie op de weefselbiologie.
Screening & Assayontwikkeling
- Bereidt gevalideerde weefselmodellen voor op downstream evaluatie van verbindingen door imaging- en spectroscopie-outputs te integreren.
- Standaardiseert de acquisitie van kwantitatieve fysiologische parameters, zoals hemoglobinen- en melanineconcentraties.
- Maakt reproduceerbare, locatie-gematchte datacollectie mogelijk voor assay-ontwikkeling en screening-gereedheid.
- Ondersteunt de schaalbaarheid van het platform voor multi-orgaan- of multi-site-analyse.
Translationeel & Preklinisch Onderzoek
- Lijnt microarchitecturale beeldvorming uit met de kwantificering van fysiologische biomarkers voor ziekterelevante modellen.
- Maakt continuïteit mogelijk van ontdekking tot preklinische validatie door functionele weefselbeoordeling in vivo te ondersteunen.
- Levert risico-gecorrigeerde gegevens voor beslissingen over verdere ontwikkeling in translationele onderzoekspijplijnen.
- Faciliteert het onderzoek naar de weefselrespons op therapeutische interventies in preklinische modellen.
Integratie van Pipeline & Workflow
Dit multimodale platform slaat een brug tussen vroege ontdekking, lead-identificatie en preklinisch onderzoek door co-geregistreerde structurele en functionele weefselanalyse in vivo mogelijk te maken.
- Ontdekkingsbiologie: Ondersteunt hypothesetoetsing en pathway-verduidelijking door de effecten van therapie op weefselmicrostructuur en perfusie te kwantificeren.
- Screening: Levert reproduceerbare, kwantitatieve output voor assay-standaardisatie en evaluatie van verbindingen.
- Analytiek: Biedt geïntegreerde imaging- en spectrale readouts voor een robuuste vergelijking van weefselcondities.
- Translationeel onderzoek: Sluit aan bij biomarker-gestuurde studies en ondersteunt de validatie van preklinische modellen.
- Bedrijfsbrede herbruikbaarheid: Biedt een flexibel, endoscopisch compatibel platform dat aanpasbaar is aan meerdere organsystemen en onderzoeksbehoeften.
Operationele & Bedrijfsimpact
- Wetenschappelijke waarde: Verhoogt het voorspellende vertrouwen en vermindert mechanistische ambiguïteit bij weefselanalyse.
- Operationele waarde: Verbetert de standaardisatie, reproduceerbaarheid en schaalbaarheid van in vivo weefselkarakterisering.
- Strategische waarde: Verbetert de go/no-go besluitvorming en kapitaalefficiëntie door vroeg in de pipeline uitgebreide weefselgegevens te leveren.
- Impact op portfolio: Maakt risico-gecorrigeerde prioritering en versnelling van discovery- en translationele programma's mogelijk.
Overwegingen bij de implementatie
- Vereist expertise in optische beeldvorming, spectroscopie en sondekalibratie.
- Vereist toegang tot gespecialiseerde instrumentatie en analytische infrastructuur.
- Noodzaakt tot strikte standaardisatie tussen teams voor gegevensverwerving en -analyse.
- Aanpasbaar voor verschillende weefseltypen en orgaansystemen met passende kalibratie en validatie.
- Precisie bij de plaatsing van de sonde en de kalibratie zijn cruciaal voor de nauwkeurigheid en reproduceerbaarheid van de gegevens.
Veelgestelde vragen over Biofarmaceutica
Chapters in this video
0:05
Title
1:14
Construction of the Fluorescence Microscopy and Reflectance Spectroscopy Modalities
4:16
Construction of the Multimodal Microendoscope
5:53
Sub-diffuse Reflectance Spectroscopy Modality Calibration
7:23
In Vivo Data Acquisition from Human Skin
8:52
Results: Co-registered Tissue Structural and Physiological Parameter Data
9:38
Conclusion
