Mikroskopia optyczna stała się główną techniką nieniszczącej wizualizacji dynamicznych procesów w żywych systemach biologicznych z rozdzielczością subkomórkową. Mikroskopia fluorescencyjna jest obecnie najpopularniejszym kontrastem obrazowym stosowanym w żywych komórkach ze względu na wysoką swoistość i czułość1. Pojawiła się szeroka paleta sond fluorescencyjnych (barwniki egzogenne, białka kodowane genetycznie, nanocząstki półprzewodnikowe). Rozwinęły się różne techniki fluorescencyjne oparte na oświetleniu próbek (takie jak mikroskopia konfokalna lub dwufotonowa) w celu wykonania obrazowania 3D i zmniejszenia głównej wady tej techniki, jaką jest fotowybielanie2. Inne ograniczenia obejmują wymóg znakowania fluoroforami, ponieważ większość gatunków molekularnych nie jest wewnętrznie fluorescencyjna, a zatem te fluorofory muszą być sztucznie wprowadzone do obrazowanej próbki. Ta sztuczna manipulacja może być uciążliwa, zwłaszcza w przypadku małych cząsteczek lub indukować potencjalną fototoksyczność. Powody te sprawiają, że mikroskopia fluorescencyjna nie nadaje się do obserwacji in vivo. Stąd stosowanie technik obrazowania optycznego o wysokiej czułości i specyficznych kontrastach molekularnych bez użycia cząsteczek fluorescencyjnych jest wysoce pożądane w naukach biomedycznych.
Pojawiło się kilka nieliniowych technik obrazowania optycznego bez etykietowania i barwienia, w tym generacja drugiej harmonicznej (SHG)3,4 i generacja trzeciej harmonicznej (THG)5. Mikroskopia SHG została wykorzystana do obrazowania układów strukturalnych na poziomie supramolekularnym, takich jak mikrotubule lub kolagen6. THG jest generowany z niejednorodności optycznych, takich jak granica faz między środowiskiem wodnym a lipidami7. Wykazano również, że THG obrazuje mielinę8,9. Obie techniki mogą być stosowane na dwufotonowym mikroskopie fluorescencyjnym i wymagają tylko jednej wiązki laserowej. Wymagają one jednak dużej intensywności lasera (zwykle 50 mW przy 860 nm dla SHG10, 25 - 50 mW przy 1 180 nm dla THG9), co jest szkodliwe dla żywych próbek i nie zapewnia specyficzności chemicznej, która jest wymagana do jednoznacznego obrazowania określonych struktur biologicznych.
Chemicznie selektywne obrazowanie można uzyskać z naturalnych sygnałów drgań molekularnych opartych na rozpraszaniu Ramana. Kiedy wiązka światła uderza w materię, fotony mogą być absorbowane i rozpraszane przez atomy lub cząsteczki. Większość rozproszonych fotonów będzie miała taką samą energię, tj. częstotliwość, jak fotony padające. Ten proces nazywa się rozpraszaniem Rayleigha. Jednak niewielka liczba fotonów zostanie rozproszona z częstotliwością optyczną inną niż częstotliwość padających fotonów, tj. w nieelastycznym procesie rozpraszania zwanym rozpraszaniem Ramana. Różnica w energii wynika ze wzbudzenia modów wibracyjnych w zależności od struktury molekularnej i środowiska. Dlatego spontaniczne rozpraszanie Ramana zapewnia chemicznie selektywne obrazowanie, ponieważ różne cząsteczki mają określone częstotliwości drgań. Jest jednak ograniczony ze względu na wyjątkowo słaby sygnał. Konfokalna mikroskopia Ramana została opracowana i zapewnia rozdzielczość przestrzenną 3D, ale wymaga wysokiej średniej mocy i długiego czasu akwizycji11. Aby przezwyciężyć te trudności, ostatnie postępy w technologii laserowej umożliwiły rozwój nieliniowej optycznej mikroskopii wibracyjnej, w szczególności koherentnego rozpraszania Ramana przeciwko Stokesowi (CARS)11,12,13.
CARS to nieliniowy proces optyczny trzeciego rzędu. Trzy wiązki laserowe, składające się z wiązki pompy o częstotliwości ωP, wiązki Stokesa o częstotliwości ωS i wiązki sondy (najczęściej będącej pompą) są skupiane w próbce i generują wiązkę anty-Stokesa o częstotliwości ωAS= (2ωP - ωS)14. Sygnał anty-Stokesa może być znacznie wzmocniony, gdy różnica częstotliwości między pompą a wiązkami Stokesa jest dostrojona do drgań molekularnych Ramana ΩR=(ωP - ωS). Sygnał CARS opiera się na oddziaływaniu wielu fotonów. Generuje zatem spójny sygnał o rzędy wielkości silniejszy niż spontaniczne rozpraszanie Ramana.
Mikroskopia CARS została po raz pierwszy eksperymentalnie zademonstrowana przez Duncana i wsp.15. Zumbusch i wsp. udoskonalili następnie technikę, stosując dwie skupione wiązki lasera femtosekundowego w bliskiej podczerwieni z soczewką obiektywową o dużej aperturze numerycznej, co pozwoliło na warunek dopasowania fazowego CARS i uniknięcie dwufotonowego tła nierezonansowego16. Mikroskopia CARS stała się zatem potężnym narzędziem do obrazowania żywych komórek i tkanek, poprzez chemiczne wykrywanie cząsteczek, takich jak lipidy (za pomocą wibracji rozciągających C-H)17,18, woda (za pomocą wibracji rozciągających O-H), białka, DNA w żywych komórkach19,20, ale także deuterowane związki chemiczne do zastosowań farmaceutycznych21 i kosmetycznych22.
Główne ograniczenie mikroskopii nieliniowej wynika ze złożoności i kosztu źródeł optycznych. System CARS wymaga dwóch laserów o regulowanej długości fali o krótkim czasie trwania impulsów oraz z czasowo i przestrzennie zsynchronizowanymi ciągami impulsów. Wczesne mikroskopy CARS opierały się na dwóch zsynchronizowanych pikosekundowych laserach Ti:sapphire20. Obrazowanie CARS uzyskano również za pomocą pojedynczego femtosekundowego lasera Ti:szafirowego generującego źródło światła superkontinuum23. Ostatnio źródła laserowe składające się z pojedynczego femtosekundowego lasera Ti:szafirowego pompującego przestrajalne optyczne oscylatory parametryczne (OPO) zostały wykorzystane w mikroskopii CARS. Taka konfiguracja umożliwia samoistnie zsynchronizowane czasowo wiązki z różnicą częstotliwości między pompą a wiązką Stokesa, obejmujące pełne spektrum drgań molekularnych24. Ponadto laserowe mikroskopy skaningowe oparte na laserze fs "pod klucz" i OPO, używane głównie do fluorescencji dwufotonowej (TPF), są obecnie dostępne dla osób niebędących fizykami. Potencjał takich zestawów można znacznie zwiększyć bez konieczności dodatkowych inwestycji poprzez włączenie innych nieliniowych metod obrazowania optycznego, ponieważ każda metoda obrazowania nieliniowego (NLO) jest wrażliwa na określone struktury lub cząsteczki. Multimodalne obrazowanie NLO wykorzystuje zatem potencjał mikroskopii NLO dla złożonych próbek biologicznych25. Sprzężenie tych technik pozwoliło na zbadanie wielu zagadnień biologicznych, w szczególności dotyczących metabolizmu lipidów, rozwoju skóry lub raka26, rozwoju mięśni szkieletowych27, zmian miażdżycowych28. Co więcej, implementacja skanowania wiązką laserową za pomocą CARS daje możliwość obrazowania o wysokiej szybkości, tj. atrakcyjnego narzędzia do badania procesów dynamicznych in vivo.
Celem tej pracy jest pokazanie każdego kroku do wdrożenia techniki CARS na standardowym wielofotonowym laserowym mikroskopie skaningowym. Mikroskop oparty jest na laserze fsec Ti:sapphire oraz OPO (pompowanym laserem Ti:sapphire) obsługiwanym przez oprogramowanie dla biologów. Integracja została zrealizowana poprzez dostosowanie długości jednej ze ścieżek wiązki laserowej w celu zsynchronizowania w czasie obu wiązek. Opisujemy krok po kroku implementację tej techniki, która wymaga jedynie podstawowego przygotowania w zakresie optyki eksperymentalnej. Ilustrujemy również obrazowanie CARS uzyskane na osłonkach mielinowych nerwu kulszowego gryzoni i pokazujemy, że obrazowanie to można wykonywać jednocześnie z innymi nieliniowymi obrazami optycznymi, takimi jak standardowa technika fluorescencji dwufotonowej i generacja drugiej harmonicznej.