التصوير الكيميائي الطيفي غير الخطي متعدد الوسائط باستخدام مجهر توليد مجموع التردد الاهتزازي للمسح الخطي
ديسمبر 1, 2023
تم تطوير إطار تصوير فائق الطيفية متعدد الوسائط وسريع للحصول على صور توليد مجموع التردد الاهتزازي عريض النطاق (VSFG) ، جنبا إلى جنب مع طرائق التصوير من الجيل التوافقي الثاني (SHG). نظرا لتردد الأشعة تحت الحمراء الذي يتردد صداه مع الاهتزازات الجزيئية ، يتم الكشف عن المعرفة المورفولوجية الهيكلية المجهرية والميزوسكوبية للعينات المسموح بها بالتناظر.
نهدف إلى دراسة العينات غير المتجانسة التي تم تجميعها ذاتيا ، مثل الأنسجة البيولوجية ، للكشف عن تركيبها الكيميائي وترتيباتها الجزيئية. نحن نستكشف كيف يرتبط الترتيب المجهري والتشكل الميزوسكوبي لهذه المواد الذاتية بخصائصها المجهرية. مع التقدم في الفتحة العددية العالية وأهداف المجهر القائم على الانعكاس ، أظهرنا نحن وآخرون مجهر توليد مجموع التردد الاهتزازي بدقة ميكرون مربع واحد ، والذي يمكنه تسجيل صور المواد اللينة في وقت واحد وأيضا حل الطيف مكانيا ، وتشكيل ما يسمى الصور الطيفية الفائقة.
يسجل التصوير الطيفي البيانات التجريبية في أبعاد متعددة ، اثنان في المساحات ، واحد في التردد وربما واحد في الوقت المناسب. ومع ذلك ، لا يزال الجمع السريع والتخزين والتحليل لهذه البيانات الضخمة لتعظيم المعلومات يمثل تحديا. يعد أخذ عينات من الصورة فقط لجمع نقاط البيانات المفيدة أمرا صعبا أيضا.
من خلال تطوير تقنية مسح أسرع للخطوط ، يمكننا تسريع وقت الحصول على البيانات بمقدار 100 ضعف. علاوة على ذلك ، فإن المجهر متوافق مع توليد التردد الكلي أو SFG ، والجيل التوافقي الثاني أو SHG ، بالإضافة إلى التصوير واسع المجال. يسمح التصوير متعدد الوسائط بالفحص السريع للعينات باستخدام التصوير البصري وربط طرائق الصور المختلفة.
يساعد تصوير SHG التقنية البصرية لتقنيتنا ، ولكن بدون قوة التحليل الطيفي ، يستخدم على نطاق واسع في الفيزياء الحيوية. سيكون مجهر SFG الخاص بنا الآن قادرا على توفير رؤى قوية على المستوى الجزيئي مفقودة حاليا في الدراسات الفيزيائية الحيوية للأنسجة الرخوة.
اعرض النص الكامل واحصل على الوصول إلى آلاف الفيديوهات العلمية
نظرة عامة
تقدم هذه الدراسة إطار عمل للتصوير الفائق الطيفية متعدد الوسائط، مصمم لالتقاط صور توليد التردد الجمعي الاهتزازي (VSFG) واسعة النطاق إلى جانب وسائط تصوير الحقل المضيء وتوليد التوافقي الثاني (SHG). يهدف هذا الإطار إلى تعزيز فهم البنى المجهرية والمتوسطة في الأنسجة البيولوجية ذاتية التجمع.
مكونات الدراسة الرئيسية
مجال العلوم
- علوم الأعصاب
- الفيزياء الحيوية
- تقنيات التصوير
خلفية علمية
- تظهر العينات ذاتية التجميع تباينًا مجهريًا (mesoscopic heterogeneity).
- يُعد فهم التركيب الكيميائي والترتيبات الجزيئية أمرًا بالغ الأهمية.
- أدت التطورات في المجهرية إلى تحسين دقة التصوير وقدراته.
- يلتقط التصوير فائق الطيف (Hyperspectral imaging) البيانات عبر أبعاد متعددة.
الغرض من الدراسة
- دراسة العلاقة بين الترتيب المجهري والمورفولوجيا الميزوسكوبية.
- تحسين تصوير المواد اللينة بدقة عالية.
- معالجة التحديات المتعلقة بجمع البيانات وتحليلها في التصوير الفائق الطيفي.
الطرق المستخدمة
- تطوير إطار عمل للتصوير متعدد الوسائط.
- استخدام مجهر توليد الترددات التجميعية الاهتزازية.
- التسجيل المتزامن لأنماط تصوير متعددة.
- تقنيات جمع البيانات وتحليلها للصور فائقة الطيف.
النتائج الرئيسية
- الاستحواذ الناجح على صور VSFG عريضة النطاق.
- تحسين الدقة في تصوير الأنسجة البيولوجية ذاتية التجمع.
- رؤى حول الخصائص البنيوية والمورفولوجية للعينات.
- تحديد التحديات في إدارة البيانات وتحليلها.
الاستنتاجات
- يعزز الإطار المطور قدرات التصوير بشكل كبير.
- يوفر رؤى قيمة حول خصائص الأنسجة البيولوجية.
- سيركز العمل المستقبلي على تحسين تقنيات معالجة البيانات.
الأسئلة الشائعة
الأهمية الصناعية التنفيذية
يتيح التصوير الكيميائي الفائق الطيفية غير الخطي متعدد الوسائط باستخدام مجهر VSFG بمسح الخطوط تصوراً عالي الدقة وخالياً من الوسوم لعدم التجانس الكيميائي والبنيوي في الأنسجة البيولوجية والمواد ذاتية التجميع. وتعالج هذه القدرة فجوة حرجة في تحليل المورفولوجيا الميزوسكوبية والترتيب الجزيئي، مما يدعم الثقة التنبؤية في مراحل الاكتشاف المبكر والتحقق من الأهداف. كما يعزز هذا النهج عملية اتخاذ القرار في إدارة المحافظ البحثية من خلال تقديم رؤى على المستوى الجزيئي لا يمكن الوصول إليها عبر وسائط التصوير التقليدية.
التطبيقات الاستراتيجية في البحث والتطوير في مجال الأدوية الحيوية
الاكتشاف المبكر والتحقق من الهدف
- يتيح التصوير المباشر للبنى غير المركزية والكيرالية ذات الصلة بالأهداف البيولوجية.
- يدعم التحقق الوظيفي من الأهداف من خلال ربط التركيب الكيميائي بالمورفولوجيا الميزوسكوبية.
- يعزز الثقة التنبؤية في الدراسات الميكانيكية للأنسجة الرخوة والأنظمة ذاتية التجميع.
الفحص وتطوير المقايسة
- يسهل تحضير الأنظمة البيولوجية المعتمدة لسير عمل عمليات الفحص اللاحقة.
- يوفر معلومات كيميائية كمية ومحددة مكانياً لتوحيد معايير المقايسة.
- يتيح تصويراً قابلاً للتكرار للعينات غير المتجانسة، مما يدعم التقييم الموثوق للمركبات.
الأبحاث الانتقالية وما قبل السريرية
- يقوم بمواءمة مخرجات التصوير مع بنيات الأنسجة ذات الصلة بالمرض لدراسات المؤشرات الحيوية الانتقالية.
- يدعم الاستمرارية من مرحلة الاكتشاف وصولاً إلى التحقق قبل السريري من خلال تحديد الترتيبات الجزيئية في موضعها الأصلي (in situ).
- يقلل من المخاطر البيولوجية عن طريق توضيح العلاقات بين البنية والوظيفة في العينات المعقدة.
تكامل مسار العمل وسير العمل
تدمج منصة التصوير هذه المراحل بدءاً من الاكتشاف المبكر وصولاً إلى الأبحاث قبل السريرية، مما يربط بين اختبار الفرضيات، والتحقق من صحة الهدف، والدراسات الانتقالية.
- بيولوجيا الاكتشاف: توفر تصويراً كيميائياً عالي المحتوى وخالياً من الوسوم لاختبار الفرضيات وتوضيح المسارات.
- الفحص المسحي: يقدم مخرجات كمية قابلة للتكرار لضمان جاهزية المقايسة وفرز المركبات.
- التحليلات: تُنتج مجموعات بيانات فائقة الطيف تتيح مقارنة قوية لظروف العينات ومورفولوجيتها.
- الأبحاث الانتقالية: تربط التصوير الجزيئي بتحليل الأنسجة ذات الصلة بالمرض، مما يدعم مواءمة المؤشرات الحيوية.
- إعادة الاستخدام المؤسسي: توفر قدرة تصوير متعددة الوسائط وقابلة للتوسع يمكن تكييفها عبر مختلف الأنظمة البيولوجية والمادية.
التأثير التشغيلي والمؤسسي
- القيمة العلمية: تزيد من الثقة التنبؤية وتقلل من الغموض الميكانيكي في التحقق من الهدف.
- القيمة التشغيلية: تسرع عملية الحصول على البيانات وتوحد سير عمل التصوير للعينات غير المتجانسة.
- القيمة الاستراتيجية: توجه قرارات المتابعة أو الإيقاف وتعزز كفاءة رأس المال من خلال تقديم رؤى على المستوى الجزيئي في مراحل مبكرة من المسار التطويري.
- تأثير المحفظة: تدعم ترتيب الأولويات المعدلة حسب المخاطر والنهوض ببرامج الاكتشاف والبرامج قبل السريرية.
اعتبارات التنفيذ
- يتطلب خبرة في التصوير البصري غير الخطي وتحليل البيانات فائقة الطيفية.
- يستلزم أدوات متقدمة، بما في ذلك عدسات شيئية ذات فتحة عددية عالية وتقنية المسح الخطي.
- يستدعي توحيد المعايير بين الفرق المختلفة لعمليات الحصول على البيانات وتفسيرها.
- قابل للتطبيق على مجموعة من الأنظمة البيولوجية ونماذج المواد مع إجراء التحسينات المناسبة.
- يجب أن تعالج بنية إدارة وتحليل البيانات التحديات المرتبطة بمجموعات البيانات فائقة الطيفية الضخمة.
