Multimodale niet-lineaire hyperspectrale chemische beeldvorming met behulp van lijnscanning Vibrationele somfrequentiegeneratiemicroscopie
1 december 2023
Er werd een multimodaal, snel hyperspectraal beeldvormingsraamwerk ontwikkeld om breedband vibrationele somfrequentiegeneratie (VSFG)-beelden te verkrijgen, samen met helderveld-, tweede harmonische generatie (SHG)-beeldvormingsmodaliteiten. Omdat de infraroodfrequentie resoneert met moleculaire trillingen, wordt microscopische structurele en mesoscopische morfologische kennis onthuld van symmetrie-toegestane monsters.
We willen mesoscopisch heterogene zelfgeassembleerde monsters, zoals biologische weefsels, bestuderen om hun chemische samenstelling en moleculaire rangschikking te onthullen. We onderzoeken hoe de microscopische rangschikking en mesoscopische morfologie van deze zelfmaterialen zich verhouden tot hun microscopische eigenschappen. Met de vooruitgang op het gebied van hoge numerieke apertuur en reflecterende microscoopobjectieven, hebben wij en anderen een microscoop voor het genereren van trillingssomfrequenties met een resolutie van één vierkante micron gedemonstreerd, die tegelijkertijd beelden van zachte materialen kan opnemen en ook het spectrale ook ruimtelijk kan oplossen, waardoor de zogenaamde hyperspectrale beelden worden gevormd.
Hyperspectrale beeldvorming registreert experimentele gegevens in meerdere dimensies, twee in ruimtes, één in frequentie en mogelijk één in tijd. Het snel verzamelen, opslaan en analyseren van dergelijke big data om informatie te maximaliseren blijft echter een uitdaging. Het is ook een uitdaging om de afbeelding alleen te bemonsteren om nuttige gegevenspunten te verzamelen.
Door een snellere lijnscantechnologie te ontwikkelen, konden we de data-acquisitietijd met een factor 100 versnellen. Bovendien is de microscoop compatibel met somfrequentiegeneratie of SFG, tweede harmonische generatie of SHG, evenals breedveldbeeldvorming. Multimodale beeldvorming maakt een snelle inspectie van monsters mogelijk met behulp van optische beeldvorming en het correleren van verschillende beeldmodaliteiten.
SHG-beeldvorming ondersteunt de optische techniek van onze techniek, maar zonder het spectrale oplossend vermogen, wordt veel gebruikt in de biofysica. Onze SFG-microscoop zal nu in staat zijn om krachtige inzichten op moleculair niveau te verschaffen die momenteel ontbreken in biofysische studies van zachte weefsels.
Bekijk het volledige transcript en krijg toegang tot duizenden wetenschappelijke video's
Overzicht
Deze studie presenteert een multimodaal hyperspectraal beeldvormingskader dat is ontworpen om breedbandige vibrationele som-frequentiegeneratie (VSFG) beelden tegelijkertijd met brightfield en tweede harmonische generatie (SHG) beeldvormingsmodaliteiten vast te leggen. Het kader heeft tot doel het begrip van microscopische en mesoscopische structuren in zelf-geassembleerde biologische weefsels te verbeteren.
Belangrijkste studiecomponenten
Wetenschapsgebied
- Neurowetenschap
- Biofysica
- Beeldvormingstechnieken
Achtergrond
- Zelf-geassembleerde monsters vertonen mesoscopische heterogeniteit.
- Begrip van chemische samenstelling en moleculaire arrangementen is cruciaal.
- Vorderingen in microscopie hebben de resolutie en beeldvormingscapaciteiten verbeterd.
- Hyperspectraal beeldvorming vangt gegevens op over meerdere dimensies.
Doel van de studie
- Om de relatie tussen microscopische rangschikking en mesoscopische morfologie te onderzoeken.
- Om de beeldvorming van zachte materialen met hoge resoluties te verbeteren.
- Om uitdagingen in dataverzameling en -analyse in hyperspectraal beeldvorming aan te pakken.
Gebruikte methoden
- Ontwikkeling van een multimodaal beeldvormingskader.
- Gebruik van vibrationele som-frequentiegeneratie microscopie.
- Gelijktijdige registratie van meerdere beeldvormingsmodaliteiten.
- Gegevensverzameling en -analysetechnieken voor hyperspectraal beelden.
Belangrijkste resultaten
- Succesvolle verwerving van breedbandige VSFG beelden.
- Verbeterde resolutie in beeldvorming van zelf-geassembleerde biologische weefsels.
- Inzichten in de structurele en morfologische kenmerken van monsters.
- Identificatie van uitdagingen in databeheer en -analyse.
Conclusies
- Het ontwikkelde kader brengt de beeldvormingscapaciteiten aanzienlijk vooruit.
- Het biedt waardevolle inzichten in de eigenschappen van biologische weefsels.
- Toekomstig werk zal zich richten op het verbeteren van dataverwerkingstechnieken.
Veelgestelde vragen
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.
