Imagerie chimique hyperspectrale non linéaire multimodale à l’aide de la microscopie à génération de somme et de fréquence vibrationnelle à balayage linéaire
1 décembre 2023
Un cadre d’imagerie hyperspectrale multimodale rapide a été développé pour obtenir des images de génération de somme de fréquence vibratoire (VSFG) à large bande, ainsi que des modalités d’imagerie de génération de deuxième harmonique (SHG) en fond clair. En raison de la fréquence infrarouge en résonance avec les vibrations moléculaires, des connaissances microscopiques structurelles et morphologiques mésoscopiques sont révélées à partir d’échantillons autorisés par symétrie.
Notre objectif est d’étudier des échantillons auto-assemblés mésoscopiquement hétérogènes, tels que des tissus biologiques, afin de révéler leur composition chimique et leurs arrangements moléculaires. Nous explorons comment l’arrangement microscopique et la morphologie mésoscopique de ces matériaux sont liés à leurs propriétés microscopiques. Avec les progrès réalisés dans le domaine des objectifs de microscope à haute ouverture numérique et à réflexion par réflexion, nous avons démontré, ainsi que d’autres, un microscope à génération de somme de fréquence vibrationnelle avec une résolution d’un micron carré, qui peut simultanément enregistrer des images de matériaux mous et également résoudre spatialement le spectre, formant ce que l’on appelle des images hyperspectrales.
L’imagerie hyperspectrale enregistre des données expérimentales en plusieurs dimensions, deux dans les espaces, une en fréquence et éventuellement une dans le temps. Cependant, la collecte, le stockage et l’analyse rapides de ces mégadonnées pour maximiser l’information restent un défi. Il est également difficile d’échantillonner l’image uniquement pour collecter des points de données utiles.
En développant une technologie de balayage linéaire plus rapide, nous pourrions accélérer le temps d’acquisition des données de 100 fois. De plus, le microscope est compatible avec la génération de somme de fréquence ou SFG, la génération de deuxième harmonique ou SHG, ainsi qu’avec l’imagerie à grand champ. L’imagerie multimodale permet d’inspecter rapidement les échantillons à l’aide de l’imagerie optique et de corréler diverses modalités d’imagerie.
L’imagerie SHG assiste la technique optique de notre technique, mais sans le pouvoir de résolution spectrale, elle est largement utilisée en biophysique. Notre microscope SFG sera désormais en mesure de fournir des informations puissantes au niveau moléculaire qui font actuellement défaut dans les études biophysiques des tissus mous.
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Aperçu
Cette étude présente un cadre d'imagerie hyperspectrale multimodale conçu pour capturer des images de génération de fréquence somme vibratoire (VSFG) à large bande, ainsi que des modalités d'imagerie en champ clair et de génération de seconde harmonique (SHG). Ce cadre vise à améliorer la compréhension des structures microscopiques et mésoscopiques dans les tissus biologiques auto-assemblés.
Composantes clés de l'étude
Domaine scientifique
- Neurosciences
- Biophysique
- Techniques d'imagerie
Contexte
- Les échantillons auto-assemblés présentent une hétérogénéité mésoscopique.
- La compréhension de la composition chimique et de l'agencement moléculaire est cruciale.
- Les progrès en microscopie ont amélioré la résolution et les capacités d'imagerie.
- L'imagerie hyperspectrale capture des données sur plusieurs dimensions.
Objectif de l'étude
- Étudier la relation entre l'arrangement microscopique et la morphologie mésoscopique.
- Améliorer l'imagerie des matériaux mous à haute résolution.
- Répondre aux défis liés à la collecte et à l'analyse de données en imagerie hyperspectrale.
Méthodes utilisées
- Développement d'un cadre d'imagerie multimodale.
- Utilisation de la microscopie par génération de fréquence somme vibratoire.
- Enregistrement simultané de plusieurs modalités d'imagerie.
- Techniques de collecte et d'analyse de données pour les images hyperspectrales.
Résultats principaux
- Acquisition réussie d'images VSFG à large bande passante.
- Amélioration de la résolution dans l'imagerie de tissus biologiques auto-assemblés.
- Apport de connaissances sur les caractéristiques structurales et morphologiques des échantillons.
- Identification des défis liés à la gestion et à l'analyse des données.
Conclusions
- Le cadre développé améliore considérablement les capacités d'imagerie.
- Il fournit des informations précieuses sur les propriétés des tissus biologiques.
- Les travaux futurs porteront sur l'amélioration des techniques de traitement des données.
Questions fréquemment posées
Pertinence professionnelle pour l'industrie
L'imagerie chimique hyperspectrale non linéaire multimodale utilisant la microscopie VSFG à balayage linéaire permet une visualisation à haute résolution et sans marquage de l'hétérogénéité chimique et structurale dans les tissus biologiques et les matériaux auto-assemblés. Cette capacité comble un manque critique dans la résolution de la morphologie mésoscopique et de l'agencement moléculaire, renforçant ainsi la confiance prédictive lors des phases précoces de découverte et de validation de cibles. L'approche améliore la prise de décision dans les portefeuilles de projets en fournissant des informations au niveau moléculaire inaccessibles avec les modalités d'imagerie conventionnelles.
Applications stratégiques en recherche et développement biopharmaceutique
Début de la découverte et validation de la cible
- Permet la visualisation directe de structures non centrosymétriques et chirales associées à des cibles biologiques.
- Facilite la validation fonctionnelle des cibles en corrélant la composition chimique à la morphologie mésoscopique.
- Améliore la confiance prédictive dans les études mécanistiques des tissus mous et des systèmes auto-assemblés.
Développement de criblages et de tests
- Facilite la préparation de systèmes biologiques validés pour des flux de travail de criblage en aval.
- Fournit des informations chimiques quantitatives et résolues spatialement pour la standardisation des tests.
- Permet une imagerie reproductible d'échantillons hétérogènes, soutenant une évaluation fiable des composés.
Recherche translationnelle et préclinique
- Aligne les résultats d'imagerie avec les structures tissulaires pertinentes pour les études translationnelles de biomarqueurs.
- Permet une continuité du stade de découverte à la validation préclinique en résolvant les arrangements moléculaires in situ.
- Réduit le risque biologique en clarifiant les relations structure-fonction dans des échantillons complexes.
Intégration des pipelines et des flux de travail
Cette plateforme d'imagerie s'intègre du stade précoce de la découverte jusqu'à la recherche préclinique, en assurant la transition entre le test d'hypothèses, la validation de cibles et les études translationnelles.
- Biologie de la découverte : Fournit un imagerie chimique quantitative sans marquage pour tester des hypothèses et clarifier des voies biologiques.
- Triage : Produit des résultats reproductibles et quantitatifs pour évaluer la préparation des tests et le tri des composés.
- Analytique : Génère des jeux de données hyperspectrales permettant des comparaisons robustes des conditions expérimentales et des morphologies des échantillons.
- Recherche translationnelle : Associe l'imagerie moléculaire à l'analyse de tissus pertinents pour les maladies, facilitant l'alignement des biomarqueurs.
- Réutilisation en entreprise : Offre une capacité d'imagerie évolutible et multimodale, adaptable à divers systèmes biologiques et matériels.
Impact opérationnel et organisationnel
- Valeur scientifique : Accroît la confiance prédictive et réduit l'ambiguïté mécanistique dans la validation des cibles.
- Valeur opérationnelle : Accélère l'acquisition des données et standardise les flux de travail d'imagerie pour des échantillons hétérogènes.
- Valeur stratégique : Éclaire les décisions d'avancement ou d'abandon et améliore l'efficacité du capital en fournissant des informations au niveau moléculaire dès les premières étapes du processus.
- Impact sur le portefeuille : Favorise la priorisation et l'avancement, ajustées au risque, des programmes de découverte et précliniques.
Considérations relatives à la mise en œuvre
- Nécessite une expertise en imagerie optique non linéaire et en analyse de données hyperspectrales.
- Exige une instrumentation avancée, incluant des objectifs à haute ouverture numérique et une technologie de balayage linéaire.
- Implique une standardisation interéquipes pour l'acquisition et l'interprétation des données.
- Peut être adapté à divers systèmes modèles biologiques et matériels moyennant une optimisation appropriée.
- L'infrastructure de gestion et d'analyse des données doit répondre aux défis posés par les grands ensembles de données hyperspectrales.
