Multimodaal optisch beeldvormingsplatform voor het bestuderen van cellulair metabolisme
6 juni 2025
Door gebruik te maken van een multimodaal platform dat labelvrije optische beeldvormingsmodaliteiten combineert, hebben we een protocol ontwikkeld voor het visualiseren en kwantificeren van cellulaire dynamiek en metabolisme. Door middel van beeldvorming via multifotonfluorescentie, tweede harmonische generatie en gestimuleerde Raman-verstrooiingsmicroscopie kunnen we een holistisch overzicht van de cellulaire en moleculaire omgeving genereren.
Ons onderzoek omvat het gebruik van onze multimodale microscoop om moleculaire en metabole verschillen in verschillende pathologieën te meten en hun ruimtelijke heterogeniteit te visualiseren. De multimodale benadering van optische beeldvorming stelt ons in staat om pathofysiologische veranderingen vanuit verschillende perspectieven te identificeren. De multimodale benadering van optische microscopie breidt zijn toepassingen voortdurend uit, met name in de klinische setting, waar de ontwikkeling van micro-endoscopen een weg heeft geopend voor klinische beeldvorming.
De huidige experimentele uitdagingen liggen in de complexiteit van het met elkaar integreren van alle hardware, wat een van de redenen is waarom we een op maat gemaakt microscoopsysteem gebruiken. Door het gebruik van ons multimodale optische beeldvormingsplatform hebben we aanzienlijke vooruitgang geboekt in labelvrij bioorthogonaal ziekteonderzoek, waaronder de classificatie van verschillende subtypes van borstkanker en de analyse van het lipidenmetabolisme in het brein van drosophila en muizen. Met behulp van onze labelvrije multimodale optische beeldvorming zijn we in staat om het metabolisme, de morfologie en de moleculaire samenstelling tegelijkertijd te visualiseren, wat een krachtig hulpmiddel is voor het onderzoeken van ziekten en het verouderingsproces.
Warm om te beginnen de laser op en wacht ongeveer 15 tot 20 minuten. Schakel de schakelkast in, gevolgd door de controller voor het aanraakscherm, de AC-adapter voor de hoofdlaserafstandsbediening en de AC-adapter voor de sublaserafstandsbediening, en schakel vervolgens de siliciumfotodiodedetector en lock-in in amplifier. Stel het lasersysteem in met een pompstraal die afstembaar is van 780 nanometer tot 990 nanometer, met een pulsbreedte van vijf tot zes picoseconden en een herhalingsfrequentie van 80 megahertz.
De stokes-laserstraal moet een vaste golflengte hebben van 1031 nanometer, met een puls van zes picoseconden en een herhalingsfrequentie van 80 megahertz. Zorg ervoor dat zowel de pomp als de stookstralen een laag vermogen hebben, ten minste 20 milliwatt om zichtbaar te zijn op de uitlijnplaat. Breng olie aan op de oliecondensor met hoge numerieke apertuur.
Monteer het microscoopglaasje op de oliecondensor en plaats een grote waterdruppel op het microscoopglaasje voor het 25X waterobjectief. Pas de Z-fase aan om de scherpstelling af te stemmen totdat het heldere helderveldbeeld van het biologische monster zichtbaar is onder het 25X waterobjectief. Begin het beeldvormingsproces in de juiste volgorde om fotobleken te voorkomen.
Om snel tussen MPF en SHG te schakelen, schakelt u over van de pompbalk naar de vaste stokes-balk. Selecteer de beeldresolutie als 512 bij 512 pixels. Stel de verblijftijd in op acht microseconden per pixel voor MPF en SHG, met een gemiddeld frame van meer dan drie.
Gebruik 40 microseconden per pixel met een gemiddeld frame van twee voor de SRS-modaliteit. Om autofluorescentie met MPF te verkrijgen, schakelt u de stokes-laserstraal uit. Stem de pomplaser af op 800 nanometer om NADH en flavine te exciteren.
Verkrijg het collageenvezelsignaal met behulp van SHG. Schakel de laserstraal van de pomp uit en gebruik de stokes-laserstraal alleen met een vermogen van 500 milliwatt. Verkrijg de ruimtelijke verdeling van eiwitten en lipiden met behulp van SRS.
Houd beide laserstralen aan en pas de frequentie van de laserstraal aan de specifieke trillingsmodus voor elk molecuul aan. Om de SRS hyperspectrale beelddatasets te verkrijgen, selecteert u de suite-modus en stelt u het golflengtebereik in van 781,3 nanometer tot 806,5 nanometer. Kies een stapelnummer van ten minste 60 en leg de hyperspectrale beeldstapel vast.
Sla alle afbeeldingen van dezelfde interessegebieden op in dezelfde map en zorg ervoor dat het afbeeldingsformaat een Olympus OIR-bestand is. Autofluorescentie en SRS-beeldvorming hebben met succes metabole en structurele informatie van menselijk longweefsel vastgelegd. Ratiometrische analyse van de optische redoxverhouding en de lipide-onverzadigingsverhouding leverde ruimtelijke verdelingen op van metabole activiteit en moleculaire samenstelling in menselijk longweefsel.
Kwantitatieve vergelijking van oxidatieve stress en lipide-onverzadiging tussen gezond en tumorweefsel onthult verschillen in metabole toestanden.
Bekijk het volledige transcript en krijg toegang tot duizenden wetenschappelijke video's
Overzicht
Deze studie presenteert een multimodaal optisch beeldingplatform waarmee cellulaire dynamiek en metabolisme gevisualiseerd en gekwantificeerd kunnen worden. Door gebruik te maken van diverse beeldtechnieken kunnen we inzicht verkrijgen in de cellulaire en moleculaire omgeving bij verschillende pathologieën.
Belangrijkste componenten van de studie
Wetenschappelijk vakgebied
- Neurowetenschappen
- Celbiologie
- Optische beeldvorming
Achtergrond
- Multimodale microscopie maakt de meting van moleculaire en metabole verschillen mogelijk.
- Het biedt een holistisch beeld van pathofysiologische veranderingen.
- De toepassingen breiden zich uit in klinische omgevingen, in het bijzonder met micro-endoscopen.
- Op maat gebouwde microscoopsystemen lossen experimentele uitdagingen op.
Doel van de studie
- Om het metabolisme, de morfologie en de moleculaire samenstelling gelijktijdig te visualiseren.
- Om ziekten en het verouderingsproces te onderzoeken.
- Om verschillende subtypes van borstkanker te classificeren.
Gebruikte methoden
- Multiphoton-fluorescentiemicroscopie
- Tweede-harmonische-generatie-microscopie
- Gestimuleerde Raman-verstrooiingsmicroscopie
- Labelvrije bio-orthogonale beeldvormingstechnieken
Belangrijkste resultaten
- Aanzienlijke vooruitgang in het begrijpen van het lipidemetabolisme in modelorganismen.
- Identificatie van ruimtelijke heterogeniteit in cellulaire dynamiek.
- Classificatie van borstkankersubtypen met behulp van beeldvormingstechnieken.
- Verbeterde visualisatie van metabole processen in de hersenen.
Conclusies
- De multimodale benadering is een krachtig instrument voor ziekteonderzoek.
- Labelvrije beeldtechnieken bieden uitgebreide inzichten in cellulaire omgevingen.
- Toekomstige toepassingen kunnen de klinische beeldvormingsmogelijkheden verder verbeteren.
Veelgestelde vragen
Industriële relevantie voor directie
Multimodale optische beeldvormingsplatforms die MPF-, SHG- en SRS-modaliteiten integreren, maken gelijktijdige, labelvrije kwantificering van het cellulaire metabolisme, de morfologie en de moleculaire samenstelling mogelijk met subcellulaire resolutie. Deze mogelijkheid voorziet in een kritieke behoefte aan hoog-inhoudelijke, ruimtelijk opgeloste metabole en structurele data in vroege ontdekkingsfasen en translationeel onderzoek, wat bijdraagt aan de voorspellende betrouwbaarheid bij ziektemodellering en mechanistische risicoreductie. Het vermogen van het platform om meerdere functionele read-outs uit dezelfde biologische regio te corregistreren, verbetert de besluitvorming over portfolio's en de risico-gecorrigeerde voortgang.
Strategische toepassingen in biofarmaceutisch R&D
Vroege Ontdekking & Targetvalidatie
- Maakt directe visualisatie en kwantificering van metabole activiteit en moleculaire heterogeniteit in ziekterelevante systemen mogelijk.
- Ondersteunt mechanistische risicoreductie door metabole toestanden te correleren met structurele en compositionele kenmerken.
- Faciliteert functionele targetvalidatie via labelvrije, gemultiplexte beeldvorming van levende cellen en weefsels.
Screening & assay-ontwikkeling
- Levert gevalideerde, reproduceerbare beelden voor de kwantitatieve beoordeling van metabole en structurele biomarkers.
- Ondersteunt de standaardisatie van assays door gelijktijdige acquisitie van meerdere modaliteiten uit hetzelfde monstergebied mogelijk te maken.
- Versnelt de screeningparaatheid door de behoefte aan exogene labels te verminderen en monsterperturbatie te minimaliseren.
Translationeel & Preklinisch Onderzoek
- Lijnt metabolische en moleculaire imaging-outputs uit met de ziekteprogressie en therapeutische respons in preklinische modellen.
- Maakt ruimtelijke mapping mogelijk van metabolische heterogeniteit die relevant is voor tumorbiologie en neurodegeneratie.
- Ondersteunt continuïteit van ontdekking tot preklinische validatie door het leveren van in situ, labelvrije readouts.
Integratie van Pipeline & Workflow
Dit multimodale imagingplatform slaat een brug tussen vroege ontdekking, lead-identificatie en preklinisch onderzoek door gemultiplexe, kwantitatieve gegevens uit intacte biologische systemen te leveren.
- Ontdekkingsbiologie: Integreert hypothesetoetsing en pathway-verduidelijking door het correleren van metabole, structurele en compositionele gegevens.
- Screening: Levert reproduceerbare, kwantitatieve imaging-outputs die geschikt zijn voor vergelijkende analyse tussen verschillende condities.
- Analytiek: Biedt ratiometrische en ruimtelijk opgeloste metingen van oxidatieve stress en lipidonverzadiging voor robuuste statistische analyse.
- Translationeel onderzoek: Maakt het mogelijk om imaging-biomarkers af te stemmen op ziektestadia en therapeutische uitkomsten in modelsystemen.
- Zakelijke herbruikbaarheid: Biedt een schaalbare, labelvrije imaging-capaciteit die aanpasbaar is voor diverse biologische modellen en ziektegebieden.
Operationele & Bedrijfsimpact
- Wetenschappelijke waarde: Verhoogt het voorspellend vertrouwen en vermindert mechanistische ambiguïteit bij de validatie van targets en pathways.
- Operationele waarde: Verbetert de standaardisatie, reproduceerbaarheid en schaalbaarheid van imaging-workflows.
- Strategische waarde: Verbetert de go/no-go besluitvorming en kapitaalefficiëntie door het leveren van high-content, gemultiplexte data.
- Impact op portfolio: Ondersteunt risico-gecorrigeerde prioritering en voortgang van discovery- en preklinische programma's.
Overwegingen bij de implementatie
- Vereist expertise in geavanceerde optische beeldvorming en multimodale hardware-integratie.
- Vereist gespecialiseerde instrumentatie, waaronder instelbare lasers en gesynchroniseerde detectiesystemen.
- Maakt cross-team standaardisatie van beeldvormingsprotocollen en datapijplijnen voor analyse noodzakelijk.
- Aanpassing aan verschillende modelsystemen kan optimalisatie van beeldvormingsparameters en monstervoorbereiding vereisen.
- De complexiteit van hardware-integratie en databeheer kan de doorvoer in sommige omgevingen beperken.
