Fourier Transform Infrared (FT-IR) spectroscopic imaging is a fast and label-free approach to obtain biochemical data sets of cells and tissues. Here, we demonstrate how to obtain high-definition FT-IR images of tissue sections towards improving disease diagnosis.
उच्च परिभाषा फूरियर इन्फ्रारेड (एफटी-आईआर) स्पेक्ट्रोस्कोपी इमेजिंग जैव रासायनिक जानकारी संबद्ध कर दिया है कि विस्तृत चित्र प्राप्त करने के लिए एक उभरती हुई दृष्टिकोण है रूपांतरण। ऊतक के फुट आईआर इमेजिंग मध्य अवरक्त के विभिन्न क्षेत्रों तो उपस्थिति और संरचना से संबंधित हो सकता है कि (जैसे, सी = हे, दर्पण, राष्ट्रीय राजमार्ग) कोशिकाओं या ऊतक के भीतर विभिन्न रासायनिक बांड द्वारा अवशोषित कर रहे हैं कि सिद्धांत पर आधारित है biomolecules के (जैसे, लिपिड, डीएनए, ग्लाइकोजन, प्रोटीन, मज्जा)। एक फुट आईआर छवि में, छवि के भीतर हर पिक्सेल तो सेल प्रकार या रोग-प्रकार वर्गीकरण के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है कि कोशिकाओं के जैव रासायनिक स्थिति के बारे में जानकारी दे सकते हैं कि एक पूरे इन्फ्रारेड (आईआर) स्पेक्ट्रम शामिल हैं। इस पत्र में, हम बताते हैं: एक फुट आईआर प्रणाली का उपयोग करते हुए मानव ऊतकों से आईआर छवियों को प्राप्त करने के लिए कैसे, उच्च परिभाषा इमेजिंग क्षमताओं के लिए अनुमति देते हैं, और कैसे फुट आईआर छवियों कल्पना करने के लिए मौजूदा इंस्ट्रूमेंटेशन संशोधित करने के लिए कैसे। हम तो फुट आईआर के कुछ अनुप्रयोगों पेशविकृति के लिए उदाहरण के रूप में जिगर और गुर्दे का उपयोग कर। एफटी-आईआर इमेजिंग रोग प्रक्रियाओं के हिस्से के रूप biomolecular के परिवर्तन में नए अंतर्दृष्टि देने की दिशा में एक पूरी तरह से लेबल से मुक्त गैर perturbing मार्ग में कोशिकाओं और ऊतकों से जैव रासायनिक जानकारी प्राप्त करने के लिए एक उपन्यास मार्ग प्रदान करने में रोमांचक अनुप्रयोगों रखती है। साथ ही, यह जैव रासायनिक जानकारी संभावित रोग निदान के कुछ पहलुओं के उद्देश्य और स्वचालित विश्लेषण के लिए अनुमति दे सकते हैं।
आईआर स्पेक्ट्रोस्कोपी 1930 के दशक के बाद से किसी न किसी रूप में उपलब्ध एक विश्लेषणात्मक उपकरण किया गया है; हालांकि, यह केवल फुट आईआर साथ ऊतक इमेजिंग के क्षेत्र में विस्फोट किया है कि पिछले एक दशक के भीतर किया गया है। कारण बड़े फोकल प्लेन ऐरे की उपलब्धता (FPA) आम तौर पर आईआर संवेदनशील डिटेक्टरों एक के हजारों है जो डिटेक्टरों के लिए डाटा अधिग्रहण का 1) वृद्धि की गति: ऊतक इमेजिंग के लिए फुट आईआर में प्रगति के तीन प्रमुख घटनाक्रम से एक बड़े हिस्से में संचालित किया गया है , उन्नत प्रसंस्करण एल्गोरिदम और बड़े hyperspectral डेटा को संभालने के लिए कम्प्यूटेशनल शक्ति के 2, 2) विकास 3 सेट, और फुट आईआर इमेजिंग सिस्टम के 3) मॉडलिंग स्थानिक संकल्प 4,5 अधिकतम करने के लिए। ऊतकों 17 से बिंदु स्पेक्ट्रा या नक्शे प्राप्त करने के लिए कदम है कि विवरण प्रकृति प्रोटोकॉल कागज के अलावा कई उच्च गुणवत्ता और हाल ही में 6-16 फुट आईआर स्पेक्ट्रोस्कोपी के क्षेत्र की समीक्षा करने के बहुत व्यापक लेख, किया गया है। इस पत्र में, हम prot पर ध्यान दिया जाएगाocol उच्च परिभाषा क्षमताओं के साथ एक संशोधित फुट आईआर प्रणाली में एक 128 x 128 FPA डिटेक्टर का उपयोग ऊतकों की छवियों को प्राप्त करने के लिए।
एफटी-आईआर इमेजिंग लंबा होने के कारण हर पिक्सेल जैव रासायनिक जानकारी का खजाना है, जिसमें छवियों को प्राप्त करने की क्षमता के लिए सेल और ऊतक इमेजिंग के लिए एक संभावित वांछनीय उपकरण होने के लिए सुझाव दिया गया है। एफटी-आईआर इमेजिंग एक नमूने में अलग जैवअणुओं मात्रात्मक मध्य अवरक्त के विभिन्न क्षेत्रों को अवशोषित करेंगे कि सिद्धांत पर आधारित है; यह एक 'जैव रासायनिक फिंगरप्रिंट' की व्युत्पत्ति के लिए अनुमति देता है। इस फिंगरप्रिंट विभिन्न प्रकार की कोशिकाओं और रोग राज्यों के बीच परिवर्तन करने के लिए कई अध्ययनों में दिखाया गया था। दाग और immunohistochemical मार्कर कल्पना और निदान और उपचार के विकल्प मार्गदर्शन करने के लिए उपयोग किया जाता है कि सेल प्रकार और ऊतक संरचनाओं की पहचान करने के लिए इस्तेमाल किया जा करने की जरूरत है, जहां पारंपरिक विकृति व्यवहार में विपरीत, फुट आईआर से छवियों ऊतक के निहित जैव रसायन के आधार पर बनते हैं। वर्तमान techniqनिदान के लिए धुंधला ऊतक के UE समय लेने वाली है, श्रमसाध्य, विनाशकारी है, और फुट आईआर यह प्रक्रिया तेजी से गैर विनाशकारी, अत्यधिक स्वचालित है, और अधिक उद्देश्य बनाने की क्षमता प्रदान करता है, जबकि रोगविज्ञानी के व्यक्तिपरक विशेषज्ञता की आवश्यकता है। इसके अलावा, फुट आईआर पारंपरिक धुंधला तकनीक का उपयोग करते हुए आसानी से सुलभ नहीं हो सकता है कि अतिरिक्त जैव रासायनिक जानकारी प्राप्त करने के लिए एक उपन्यास मार्ग प्रदान करता है।
हाल के वर्षों में सबसे रोमांचक अग्रिमों में से एक अब सेल प्रकार के और व्यापक रोग निदान के लिए महत्वपूर्ण हैं कि ऊतक संरचनाओं के दृश्य और लक्षण वर्णन के लिए अनुमति दे सकते हैं कि उच्च संकल्प इमेजिंग दृष्टिकोण की उपलब्धता के लिए किया गया है। इन तकनीकों में से एक कई बहुत ही रोमांचक पढ़ाई उसके आवेदन 19-25 दिखाने के साथ, उच्च संकल्प इमेजिंग 18 के लिए अनुमति देता है जो एक उच्च अपवर्तक सूचकांक का एक ठोस विसर्जन लेंस (एसआईएल) को शामिल किया गया है जो तनु कुल Reflectance (एटीआर) एफटी-आईआर है। इसके अलावा, यह Wके रूप में हाल ही में एटीआर इमेजिंग के साथ जुड़े वृद्धि हुई स्थानिक संकल्प endothelial और स्तन कैंसर के निदान के लिए 26 की एक प्रमुख घटक के रूप में है, जो स्तन के ऊतकों में myoepithelial कोशिकाओं के दृश्य और वर्गीकरण के लिए अनुमति दे सकते हैं कि प्रदर्शन किया। एटीआर इमेजिंग बहुत ही उपयोगी है, इस तकनीक फुट आईआर छवियों के लिए फार्म ऊतक के साथ संपर्क बनाने के लिए एसआईएल की आवश्यकता है; इसलिए, इसके उपयोग के लिए कुछ हद तक ऊतकों के बड़े क्षेत्रों जल्दी imaged किया जाना चाहिए जहां ऊतक विकृति के लिए सीमित है।
एक दूसरा दृष्टिकोण आईआर के एक उज्ज्वल स्रोत के रूप में एक सिंक्रोटॉन का उपयोग करता है कि एक मौजूदा फुट आईआर प्रणाली के लिए एक उच्च बढ़ाई उद्देश्य युग्मन के द्वारा प्रदर्शन किया गया था, यह पूरी तरह से 0.54 एक्स 0.54 माइक्रोन का एक प्रभावी पिक्सेल आकार के साथ एक FPA और छवि रोशन करने के लिए संभव है। हमें पारंपरिक फुट आईआर प्रणालियों 4 का उपयोग resolvable नहीं किया गया है कि स्तन और प्रोस्टेट ऊतकों में महत्वपूर्ण संरचनाओं कल्पना करने के लिए इस अनुमति दी। आईआर छवि स्थानिक resolutio में इन नाटकीय बढ़ जाती है जबकिएन इसके उपयोग के कारण एक सिंक्रोटॉन की आवश्यकता तक ही सीमित रह गए, रोमांचक थे। इसके बाद, एक इष्टतम प्रणाली को भी उच्च परिभाषा इमेजिंग एक सिंक्रोटॉन स्रोत की आवश्यकता के बिना एक 1.1 एक्स 1.1 माइक्रोन पिक्सेल आकार के साथ क्षमताओं बल्कि एक पारंपरिक globar आईआर स्रोत 5 उपयोग करने के लिए अनुमति दे सकता है कि डिजाइन किया गया था। इस अनुच्छेद में, हम कई आईआर उद्देश्यों (15x, 36x, और 74X) का उपयोग कर शोर अनुपात करने के लिए एक स्वीकार्य संकेत के साथ ऊतकों के विवर्तन सीमित आईआर इमेजिंग के लिए अनुमति देने के लिए एक मौजूदा वाणिज्यिक फुट आईआर इमेजिंग प्रणाली को संशोधित करने के लिए कैसे दिखा। तीन उद्देश्यों के साथ प्रभावी पिक्सेल आकार है 5.5 एक्स 5.5 माइक्रोन (15x), 2.2 एक्स 2.2 माइक्रोन (36x) और 1.1 एक्स 1.1 माइक्रोन (74X)। हम तो जिगर और गुर्दे की बायोप्सी 27 में बीमारी का पता लगाने के लिए स्थानिक संकल्प में लाभ के महत्व के कुछ उदाहरण दे।
एफटी-आईआर विकृति में निदान के मौजूदा मानक में सुधार लाने में एक महत्वपूर्ण भूमिका है करने की क्षमता के साथ, ऊतक वर्गों के लेबल से मुक्त जैव रासायनिक इमेजिंग के लिए एक उभरती हुई साधन है। विकृति के लिए वर्तमान सोने के मानक के ऊतकों, आयल में एम्बेडेड, formalin में तय, biopsied कई बार sectioned, और कई दाग के साथ दाग किए जाने की आवश्यकता है। एक उच्च प्रशिक्षित रोगविज्ञानी आत्मगत नेत्रहीन एक निदान का निर्धारण करने के लिए ऊतक संरचना और सेलुलर आकारिकी का आकलन करने के लिए है। यहाँ हम वर्गों का एक ही प्रकार से उच्च संकल्प आईआर छवियों को इकट्ठा करने और प्रकार की कोशिकाओं और रोग राज्यों के बीच रासायनिक मतभेद की जांच करने के कम्प्यूटेशनल दृष्टिकोण से कुछ पर चर्चा करने के लिए कैसे दिखा।
इस प्रोटोकॉल के भीतर महत्वपूर्ण कदम ऊतकों को बहुत सावधानी से ध्यान केंद्रित कर रहे हैं कि यह सुनिश्चित करने के लिए कर रहे हैं और प्रणाली है कि अच्छी तरह से बहुत ही उच्च गुणवत्ता स्पेक्ट्रोस्कोपी डेटा सुनिश्चित करने के लिए calibrated है। प्रणाली स्थापित करने के लिए जब देखभाल विशेष रूप से criti है काल उच्च बढ़ाई उद्देश्यों के साथ काम कर रहा है। समस्या निवारण करने में सहायता करने के लिए, निम्न सूची का सामना करना पड़ा संभावित कठिनाइयों के कुछ शामिल किया गया है;
समस्या: प्रतिबिंब में इमेजिंग जब कम आईआर तीव्रता। समाधान: चिंतनशील कोटिंग स्लाइड के गलत साइड पर हो सकता है के रूप में आईआर स्लाइड उन्मुखीकरण की जाँच करें।
समस्या: लांसर नियंत्रण में कम संकेत / लाल चेतावनी के संकेत। समाधान: LN2 साथ कूल डिटेक्टरों। तरल नाइट्रोजन से कार्य करने के लिए FPA डिटेक्टरों के लिए आवश्यक है और समय-समय पर सबसे ऊपर होने की आवश्यकता है।
समस्या: वेग त्रुटि / आंदोलन त्रुटियों। समाधान: स्पेक्ट्रोमीटर रीसेट और कंपन को कम। कंपन interferometer में चलती दर्पण परेशान करने के लिए प्रेरित करेगा।
समस्या: डेटा में जल वाष्प के spikes। समाधान: सिस्टम पर शुद्ध बढ़ाने के लिए और हवा से नमूना की रक्षा करना।
समस्या: अमान्य centerburst। समाधान: फिर centerburst का पता लगाएं।
e_content "> समस्या:। संचरण में कम फ्लक्स अंतर है, ध्यान केंद्रित भले ही समाधान:। आईआर प्रकाश नमूना पर एक बिंदु पर ध्यान केंद्रित किया जा रहा है के रूप में नीचे कंडेनसर समायोजित यह घटित होगा।इस पत्र में, हम संचरण या transflectance मोड में या तो ऊतकों के उच्च परिभाषा आईआर छवियों को प्राप्त करने के तरीके पर ध्यान केंद्रित किया है। एफटी-आईआर इमेजिंग की प्रकृति, ऐसे सब्सट्रेट के प्रकार, निर्धारण तकनीक, नमूना मोटाई, वर्णक्रमीय संकल्प, interferometer दर्पण गति आदि इन मानकों का प्रभाव है, के रूप में डाटा अधिग्रहण करने के लिए किया जा सकता है कि कई संशोधनों, यह है कि वहाँ है हाल ही में 4,5,17,51 व्यापक विस्तार से चर्चा की गई।
एटीआर मोड 10,24,26 में इमेजिंग सहित और उच्च संकल्प आईआर इमेजिंग के लिए अनुमति देने के लिए, nanoscale थर्मल दृष्टिकोण 52,53 का उपयोग कर इमेजिंग प्रणाली के लिए किया जा सकता है कि संशोधनों के एक नंबर रहे हैं। उच्च संकल्प आईआर इमेजिंग के साथ मुख्य सीमा तिवारी यह है किssues (आमतौर पर चार माइक्रोन मोटाई) के माध्यम से पारित करने के लिए सावधानी से तैयार और आईआर के लिए काफी पतली होना चाहिए। इसके अलावा, पारेषण और reflectance फुट आईआर इमेजिंग के कारण पानी से आईआर के absorbance के लिए सूखी हो नमूने की आवश्यकता है। हालांकि, फुट आईआर इमेजिंग कि में, अन्य तकनीकों से अधिक महत्वपूर्ण लाभ है यह कर सकते हैं ऊतक के बहुत तेजी से छवि बड़े क्षेत्रों अमीर और विस्तृत जैव रासायनिक जानकारी पाने जबकि। एक लेबल से मुक्त फैशन में जैव रासायनिक जानकारी प्राप्त कि अन्य इसी तरह की तकनीक रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी, हालांकि डाटा अधिग्रहण के समय छवियों को प्राप्त करने के लिए बहुत धीमी है शामिल हैं। नई रमन इमेजिंग दृष्टिकोण प्रेरित रमन प्रकीर्णन (एसआरएस) और सुसंगत Antistokes रमन प्रकीर्णन (कार) सहित उभर रहे हैं; हालांकि, वे पहुँच सीमित वर्णक्रमीय रेंज या एकल आवृत्ति इमेजिंग है।
डाटा अधिग्रहण, स्थानिक संकल्प, और कम्प्यूटेशनल दृष्टिकोण की उपलब्धता की गति में प्रगति फुट आईआर imag बनाने में जबरदस्त मूल्य की गई हैपैथोलॉजी में एक नई इमेजिंग उपकरण के रूप में अनुवाद के लिए एक और अधिक व्यावहारिक दृष्टिकोण आईएनजी। स्थानिक संकल्प में हाल के अग्रिमों के कारण पारंपरिक फुट आईआर इमेजिंग सिस्टम का उपयोग कर ढूढने नहीं किया जा रहा कुंजी प्रकार की कोशिकाओं के लिए ऊतक विकृति के लिए विशेष रूप से महत्वपूर्ण हो गया है। रेड्डी एट अल द्वारा हाल ही में कागज। एक फुट आईआर इमेजिंग प्रणाली 5 का इष्टतम स्थानिक संकल्प प्राप्त करने के लिए एक आदर्श व्यवस्था करने के लिए मॉडल दिखाया है कि कैसे। इस अखबार में प्रस्तुत गुर्दे ऊतक उदाहरण केशिकागुच्छीय संरचनाओं (चित्रा 3 और चित्रा 5) से जैव रासायनिक जानकारी निकालने के क्रम में उच्च स्थानिक संकल्प के महत्व को दर्शाता है। भविष्य में, क्वांटम झरना लेजर के रूप में बहुत उज्ज्वल आईआर प्रकाश स्रोतों में नए अग्रिमों 54-57, 3 डी वर्णक्रमीय इमेजिंग 58, और nanoscale आईआर प्रौद्योगिकी के क्षेत्र में सफलताओं 52,53,59,60 हो सकता है कि अनुसंधान के रोमांचक नए रास्ते पकड़ ऊतक इमेजिंग के भविष्य में बहुत बड़ा प्रभाव।
<p clनैदानिक मूल्य का हो सकता है कि अतिरिक्त जैव रासायनिक जानकारी के लिए एक की जरूरत है, जहां गधा = "jove_content"> हम जिगर और गुर्दे की बीमारी में आवेदन के उदाहरण प्रस्तुत किया है। शिकागो में इलिनोइस विश्वविद्यालय में पैथोलॉजी विभाग में स्पेक्ट्रल पैथोलॉजी लैब रोग निदान में सुधार लाने की दिशा में आईआर इमेजिंग तकनीकों के अनुवाद पर ध्यान केंद्रित किया है और रोगी परिणाम की भविष्यवाणी सुधार हुआ है। एफटी-आईआर इमेजिंग मात्रात्मक और उद्देश्य के बारे में जानकारी की आवश्यकता है, जहां विकृति व्यवहार में वर्तमान सीमाओं से कुछ दूर हो सकता है। विशेष रूप से, भविष्य के काम के वर्तमान तकनीकों पर्याप्त नैदानिक संवेदनशीलता प्रदान करने या सीमित जानकारी उपलब्ध कराने में विफल जहां वर्तमान विकृति व्यवहार में क्षेत्रों की पहचान करने पर ध्यान केंद्रित कर रहा है। एक स्पष्ट की जरूरत विकृति की वर्तमान अभ्यास में सुधार करने में और उच्च परिभाषा फुट आईआर इमेजिंग का उपयोग कर प्राप्त किया जा सकता है जो एक रोगी के रोग की स्थिति के बारे में पैथोलॉजिस्ट, के लिए और अधिक जानकारी देने की दिशा में मौजूद है।The authors have nothing to disclose.
We would like to acknowledge the Department of Pathology at the University of Illinois at Chicago for financial support. Histology and visible imaging services were provided by the Research Resources Center – Research Histology and Tissue Imaging Core at the University of Illinois at Chicago established with the support of the Vice Chancellor of Research, in particular we would like to thank Ryan Deaton and Andy Hall for their expertise. We would also like to thank Agilent Technologies, in particular Frank Weston for support and loaning of additional IR lens.
Cary 600 Series FT-IR system | Agilent | Multiple configurations | Alternate FT-IR imaging systems exist |
Adjustable ReflX Objective 74X/0.65NA IR | Edmund Optics | 66-592 | |
Adjustable ReflX Objective 36X/0.5NA IR | Edmund Optics | 66-586 | |
MirrIR slide | Kevley Technologies | CFR | For FT-IR reflection-mode measurements |
Barium Fluoride slides | International Crystal Laboratories | Multiple sizes | For FT-IR transmission-mode measurements |
Calcium Fluoride slides | International Crystal Laboratories | Multiple sizes | For FT-IR transmission-mode measurements |
Dry Nitrogen/Dry Air gas | Multiple gas suppliers | Multiple sizes | |
Hexane | Sigma Aldrich | Multiple sizes | For deparafinizing tissue |
Liquid Nitrogen | Multiple cryogenic liquid suppliers | Multiple sizes | |
ENVI-IDL software | Exelis-Vis | Other software packages available | |
Whole slide Imager | Scanscope (Aperio) or Nanozoomer (Hamamatsu) | To image stained slides |