Hücresel metabolizmayı incelemek için multimodal optik görüntüleme platformu
June 6th, 2025
Etiketsiz optik görüntüleme modalitelerini birleştiren çok modlu bir platform kullanarak, hücresel dinamikleri ve metabolizmayı görselleştirmek ve ölçmek için bir protokol geliştirdik. Çoklu foton floresansı, ikinci harmonik üretimi ve uyarılmış Raman saçılma mikroskobu yoluyla görüntüleme yoluyla, hücresel ve moleküler çevreye bütünsel bir genel bakış oluşturabiliriz.
Araştırmamız, çeşitli patolojilerdeki moleküler ve metabolik farklılıkları ölçmek ve mekansal heterojenliklerini görselleştirmek için multimodal mikroskobumuzda kullanılmasını içerir. Optik görüntülemeye multimodal yaklaşım, patofizyolojik değişiklikleri çeşitli perspektiflerden tanımlamamızı sağlar. Optik mikroskopiye multimodal yaklaşım, özellikle mikro endoskopların geliştirilmesinin klinik görüntüleme için bir yol açtığı klinik ortamda, uygulamalarını sürekli olarak genişletmektedir.
Mevcut deneysel zorluklar, tüm donanımı bir araya getirmenin karmaşıklığında yatmaktadır, bu da özel yapım bir mikroskop sistemi kullanmamızın nedeninin bir parçasıdır. Multimodal optik görüntüleme platformumuzun kullanımı sayesinde, farklı meme kanseri alt tiplerinin sınıflandırılması ve drosophila ve fare beynindeki lipid metabolizmasının analizi de dahil olmak üzere etiketsiz biyoortogonal hastalık çalışmasında önemli adımlar attık. Etiketsiz multimodal optik görüntülememizi kullanarak, hastalıkları ve yaşlanma sürecini araştırmak için güçlü bir araç olan metabolizmayı, morfolojiyi ve moleküler bileşimi aynı anda görselleştirebiliyoruz.
Başlamak için lazeri ısıtın ve yaklaşık 15 ila 20 dakika bekleyin. Kontrol kutusunu açın, ardından dokunmatik panel denetleyicisini, ana lazer uzaktan kumanda için AC adaptörünü ve alt lazer uzaktan kumanda için AC adaptörünü açın, ardından silikon foto diyot dedektörünü ve kilitli amplifikatörü açın. Lazer sistemini, 780 nanometreden 990 nanometreye ayarlanabilen, beş ila altı pikosaniye darbe genişliğine ve 80 megahertz tekrarlama oranına sahip bir pompa ışını ile kurun.
Stokes lazer ışını, altı pikosaniye darbe ve 80 megahertz tekrarlama oranı ile 1031 nanometre sabit bir dalga boyuna sahip olmalıdır. Hem pompa hem de stok kirişlerinin düşük güçte olduğundan, hizalama plakasında görünür olması için en az 20 miliwatt olduğundan emin olun. Yüksek sayısal açıklıklı yağ kondansatörüne yağ sürün.
Mikroskop slaytını yağ kondansatörüne monte edin ve 25X su hedefi için mikroskop lamına büyük bir su damlası yerleştirin. Biyolojik numunenin parlak parlak alan görüntüsü 25X su hedefinin altında görünene kadar odağı ayarlamak için Z aşamasını ayarlayın. Foto ağartmayı önlemek için görüntüleme işlemine doğru sırayla başlayın.
MPF ve SHG arasında hızlı bir şekilde geçiş yapmak için pompa kirişinden sabit stok kirişine geçin. Görüntü çözünürlüğünü 512 x 512 piksel olarak seçin. MPF ve SHG için bekleme süresini piksel başına sekiz mikrosaniye olarak ayarlayın ve ortalama kare üçün üzerindedir.
SRS modalitesi için ortalama iki kare ile piksel başına 40 mikrosaniye kullanın. MPF ile otofloresan elde etmek için stokes lazer ışınını kapatın. NADH ve flavin'i heyecanlandırmak için pompa lazerini 800 nanometreye ayarlayın.
SHG kullanarak kollajen lifi sinyalini elde edin. Pompa lazer ışınını kapatın ve yalnızca 500 miliwatt gücünde stokes lazer ışınını kullanın. SRS kullanarak proteinlerin ve lipitlerin uzamsal dağılımını elde edin.
Her iki lazer ışınını da açık tutun ve lazer ışını frekansını her molekül için belirli titreşim moduna uyacak şekilde ayarlayın. SRS hiper-spektral görüntü veri setlerini elde etmek için süit modunu seçin ve dalga boyu aralığını 781.3 nanometre ile 806.5 nanometre arasında ayarlayın. En az 60 yığın numarası seçin ve hiper spektral görüntü yığınını yakalayın.
Aynı ilgi alanlarının tüm görüntülerini aynı klasöre kaydedin ve görüntü formatının Olympus OIR dosyası olduğundan emin olun. Otofloresan ve SRS görüntüleme, insan akciğer dokusundan metabolik ve yapısal bilgileri başarıyla yakaladı. Optik redoks oranı ve lipid doymamışlık oranının oransal analizi, insan akciğer dokusundaki metabolik aktivitenin ve moleküler bileşimin mekansal dağılımlarını sağlamıştır.
Sağlıklı ve tümör dokusu arasındaki oksidatif stres ve lipid doymamışlığının kantitatif olarak karşılaştırılması, metabolik durumlardaki farklılıkları ortaya koymaktadır.
View the full transcript and gain access to thousands of scientific videos
Genel Bakış
Bu çalışma, hücresel dinamiklerin ve metabolizmasının görselleştirilmesi ve kantitasyonunu sağlayan multimodal optik görüntüleme platformu sunmaktadır. Çeşitli görüntüleme tekniklerini kullanarak, farklı patolojilerde hücresel ve moleküler ortam hakkında bilgiler edinebiliriz.
Çalışmanın Temel Bileşenleri
Bilim Alanı
- Sinirbilim
- Hücre Biyolojisi
- Optik Görüntüleme
Arka Plan
- Multimodal mikroskopi, moleküler ve metabolik farklılıkların ölçülmesini sağlar.
- Patofizyolojik değişiklikler hakkında bütünsel bir görüş sağlar.
- Uygulamalar, özellikle mikro endoskoplarla klinik ortamlarda genişlemektedir.
- Özel yapılmış mikroskopik sistemler, deneysel zorlukları ele alır.
Çalışmanın Amacı
- Metabolizma, morfoloji ve moleküler bileşimi eş zamanlı olarak görselleştirmek.
- Hastalıkları ve yaşlanma sürecini araştırmak.
- Farklı meme kanseri alt tiplerini sınıflandırmak.
Kullanılan Yöntemler
- Multifoton floresan mikroskobu
- İkinci harmonik üretimi mikroskobu
- Uyarılmış Raman saçılma mikroskobu
- Etiket gerektirmeyen biyoortogonal görüntüleme teknikleri
Ana Sonuçlar
- Model organizmalarda lipit metabolizmasını anlama konusunda önemli gelişmeler.
- Hücresel dinamiklerdeki mekansal heterojenliğin tanımlanması.
- Görüntüleme teknikleri kullanılarak meme kanseri alt tiplerinin sınıflandırılması.
- Beyindeki metabolik süreçlerin geliştirilmiş görselleştirilmesi.
Sonuçlar
- Multimodal yaklaşım, hastalık araştırması için güçlü bir araçtır.
- Etiket gerektirmeyen görüntüleme teknikleri, hücresel ortam hakkında kapsamlı bilgiler sağlar.
- Gelecekteki uygulamalar, klinik görüntüleme yeteneklerini daha da artırabilir.
Sıkça Sorulan Sorular
Executive Industry Relevance
Multimodal optical imaging platforms that integrate MPF, SHG, and SRS modalities enable simultaneous, label-free quantification of cellular metabolism, morphology, and molecular composition at subcellular resolution. This capability addresses a critical need for high-content, spatially resolved metabolic and structural data in early discovery and translational research, supporting predictive confidence in disease modeling and mechanistic de-risking. The platform's ability to coregister multiple functional readouts from the same biological region enhances portfolio decision-making and risk-adjusted advancement.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables direct visualization and quantification of metabolic activity and molecular heterogeneity in disease-relevant systems.
- Supports mechanistic de-risking by correlating metabolic states with structural and compositional features.
- Facilitates functional target validation through label-free, multiplexed imaging of live cells and tissues.
Screening & Assay Development
- Provides validated, reproducible imaging outputs for quantitative assessment of metabolic and structural biomarkers.
- Supports assay standardization by enabling simultaneous acquisition of multiple modalities from the same sample region.
- Accelerates screening readiness by reducing the need for exogenous labels and minimizing sample perturbation.
Translational & Preclinical Research
- Aligns metabolic and molecular imaging outputs with disease progression and therapeutic response in preclinical models.
- Enables spatial mapping of metabolic heterogeneity relevant to tumor biology and neurodegeneration.
- Supports continuity from discovery through preclinical validation by providing in situ, label-free readouts.
Pipeline & Workflow Integration
This multimodal imaging platform bridges early discovery, lead identification, and preclinical research by delivering multiplexed, quantitative data from intact biological systems.
- Discovery Biology: Integrates hypothesis testing and pathway clarification by correlating metabolic, structural, and compositional data.
- Screening: Delivers reproducible, quantitative imaging outputs suitable for comparative analysis across conditions.
- Analytics: Provides ratiometric and spatially resolved measurements of oxidative stress and lipid unsaturation for robust statistical analysis.
- Translational Research: Enables alignment of imaging biomarkers with disease states and therapeutic outcomes in model systems.
- Enterprise Reuse: Offers a scalable, label-free imaging capability adaptable across diverse biological models and disease areas.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence and reduces mechanistic ambiguity in target and pathway validation.
- Operational Value: Enhances standardization, reproducibility, and scalability of imaging workflows.
- Strategic Value: Improves go/no-go decision-making and capital efficiency by providing high-content, multiplexed data.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization and advancement of discovery and preclinical programs.
Implementation Considerations
- Requires expertise in advanced optical imaging and multimodal hardware integration.
- Demands specialized instrumentation, including tunable lasers and synchronized detection systems.
- Necessitates cross-team standardization of imaging protocols and data analysis pipelines.
- Adaptation across model systems may require optimization of imaging parameters and sample preparation.
- Complexity of hardware integration and data management may limit throughput in some settings.
