Hücresel metabolizmayı incelemek için multimodal optik görüntüleme platformu
6 Haziran 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.
Tam transkripti görüntüleyin ve binlerce bilimsel videoya erişin
Genel Bakış
Bu çalışma, hücresel dinamiklerin ve metabolizmanın görselleştirilmesine ve nicelendirilmesine olanak tanıyan çok modlu bir optik görüntüleme platformu sunmaktadır. Çeşitli görüntüleme teknikleri kullanarak, farklı patolojilerdeki hücresel ve moleküler çevre hakkında derinlemesine bilgi edinebiliriz.
Çalışmanın Temel Bileşenleri
Bilim Alanı
- Sinirbilim
- Hücre Biyolojisi
- Optik Görüntüleme
Arka Plan
- Multimodal mikroskopi, moleküler ve metabolik farkların ölçülmesine olanak tanır.
- Patofizyolojik değişikliklerin bütüncül bir görünümünü sağlar.
- Özellikle mikro endoskoplarla, klinik ortamlardaki uygulamalar genişlemektedir.
- Özel yapım mikroskop sistemleri, deneysel zorlukları gidermektedir.
Çalışmanın Amacı
- Metabolizmayı, morfolojiyi ve moleküler kompozisyonu eş zamanlı olarak görselleştirmek.
- Hastalıkları ve yaşlanma sürecini incelemek.
- Farklı meme kanseri alt tiplerini sınıflandırmak.
Kullanılan Yöntemler
- Çok fotonlu floresan mikroskobu
- İkinci harmonik üretimi mikroskobu
- Uyarılmış Raman saçılım mikroskobu
- İşaretlemesiz biyortogonal görüntüleme teknikleri
Temel Sonuçlar
- Model organizmalarda lipid metabolizmasının anlaşılmasında kaydedilen önemli ilerlemeler.
- Hücresel dinamiklerdeki uzamsal heterojenliğin tanımlanması.
- Görüntüleme teknikleri kullanılarak meme kanseri alt tiplerinin sınıflandırılması.
- Beyindeki metabolik süreçlerin geliştirilmiş görselleştirmesi.
Sonuçlar
- Multimodal yaklaşım, hastalık araştırmaları için güçlü bir araçtır.
- Etiketsiz görüntüleme teknikleri, hücresel ortamlar hakkında kapsamlı bilgiler sunar.
- Gelecekteki uygulamalar, klinik görüntüleme yeteneklerini daha da geliştirebilir.
Sıkça Sorulan Sorular
Sektörel Uygulama ve Önem
MPF, SHG ve SRS modalitelerini entegre eden multimodal optik görüntüleme platformları; hücresel metabolizmanın, morfolojinin ve moleküler bileşimin hücre altı çözünürlükte, etiketsiz ve eş zamanlı olarak kantifikasyonuna olanak tanır. Bu yetkinlik, erken keşif ve translasyonel araştırmalarda yüksek içerikli, mekansal olarak çözümlenmiş metabolik ve yapısal verilere olan kritik ihtiyacı karşılayarak, hastalık modellemede öngörüsel güveni ve mekanistik risk azaltmayı destekler. Platformun, aynı biyolojik bölgeden birden fazla fonksiyonel okumayı birlikte kaydedebilme özelliği, portföy karar verme sürecini ve riskle uyumlu ilerlemeyi iyileştirir.
Biyofarma Ar-Ge'sinde Stratejik Uygulamalar
Erken Keşif ve Hedef Doğrulama
- Hastalıkla ilişkili sistemlerde metabolik aktivitenin ve moleküler heterojenliğin doğrudan görselleştirilmesini ve nicelendirilmesini sağlar.
- Metabolik durumları yapısal ve bileşimsel özelliklerle ilişkilendirerek mekanistik risk azaltmayı destekler.
- Canlı hücrelerin ve dokuların etiketsiz, multipleks görüntülemesi aracılığıyla fonksiyonel hedef validasyonunu kolaylaştırır.
Tarama ve Deney Geliştirme
- Metabolik ve yapısal biyobelirteçlerin kantitatif değerlendirmesi için valide edilmiş, tekrarlanabilir görüntüleme çıktıları sağlar.
- Aynı örnek bölgesinden birden fazla modalitenin eş zamanlı olarak elde edilmesine olanak tanıyarak analiz standardizasyonunu destekler.
- Ekzojen etiketleme ihtiyacını azaltarak ve örnek pertürbasyonunu minimize ederek tarama hazırlık sürecini hızlandırır.
Translasyonel ve Preklinik Araştırmalar
- Preklinik modellerde metabolik ve moleküler görüntüleme çıktılarını, hastalık seyri ve terapötik yanıt ile ilişkilendirir.
- Tümör biyolojisi ve nörodejenerasyonla ilgili metabolik heterojenliğin mekansal haritalamasını sağlar.
- In situ, etiketsiz okumalar sağlayarak keşif aşamasından preklinik doğrulamaya kadar olan sürekliliği destekler.
Boru Hattı ve İş Akışı Entegrasyonu
Bu multimodal görüntüleme platformu, sağlam biyolojik sistemlerden çoklu ve kantitatif veriler sağlayarak erken keşif, öncü bileşik tanımlama ve preklinik araştırma aşyları arasında köprü kurmaktadır.
- Keşif Biyolojisi: Metabolik, yapısal ve kompozisyonel verileri ilişkilendirerek hipotez testlerini ve yolak aydınlatmasını entegre eder.
- Tarama: Farklı koşullar arasında karşılaştırmalı analize uygun, tekrarlanabilir ve kantitatif görüntüleme çıktıları sağlar.
- Analitik: Güçlü istatistiksel analizler için oksidatif stres ve lipid doymamlığının rasyometrik ve mekansal olarak çözünür ölçümlerini sunar.
- Translasyonel Araştırma: Model sistemlerde görüntüleme biyobelirteçlerinin hastalık durumları ve terapötik sonuçlarla uyumlu hale getirilmesine olanak tanır.
- Kurumsal Yeniden Kullanım: Çeşitli biyolojik modeller ve hastalık alanlarına uyarlanabilen, ölçeklenebilir ve etiketsiz bir görüntüleme kapasitesi sunar.
Operasyonel ve Kurumsal Etki
- Bilimsel Değer: Hedef ve yolak doğrulamada öngörü güvenini artırır ve mekanistik belirsizliği azaltır.
- Operasyonel Değer: Görüntüleme iş akışlarının standardizasyonunu, tekrarlanabilirliğini ve ölçeklenebilirliğini geliştirir.
- Stratejik Değer: Yüksek içerikli, çoklu (multiplex) veriler sağlayarak "devam/tamam" karar verme sürecini ve sermaye verimliliğini iyileştirir.
- Portföy Etkisi: Keşif ve preklinik programların riskle uyumlu önceliklendirmesini ve ilerletilmesini destekler.
Uygulama Hususları
- İleri düzey optik görüntüleme ve multimodal donanım entegrasyonu konusunda uzmanlık gerektirir.
- Ayarlanabilir lazerler ve senkronize deteksiyon sistemleri dahil olmak üzere özel enstrümantasyon gerektirir.
- Görüntüleme protokollerinin ve veri analiz hatlarının ekipler arası standardizasyonunu gerektirir.
- Model sistemler arası adaptasyon, görüntüleme parametrelerinin ve örnek hazırlama süreçlerinin optimizasyonunu gerektirebilir.
- Donanım entegrasyonunun ve veri yönetiminin karmaşıklığı, bazı durumlarda işlem kapasitesini sınırlayabilir.
