הדמיה כימית היפרספקטרלית מולטימודאלית לא ליניארית באמצעות מיקרוסקופ יצירת סכום תדר רטט בסריקת קווים
1 בדצמבר 2023
מסגרת הדמיה היפרספקטרלית מהירה ורב-מודאלית פותחה כדי לקבל תמונות בפס רחב של יצירת סכום תדר רטט (VSFG), יחד עם שיטות הדמיה של שדה בהיר, דור הרמוני שני (SHG). בשל היותו של תדר האינפרא אדום מהדהד עם תנודות מולקולריות, מתגלה ידע מבני מיקרוסקופי ומורפולוגיה מזוסקופית על דגימות המותרות לסימטריה.
אנו שואפים לחקור דגימות הטרוגניות מבחינה מזוסקופית בהרכבה עצמית, כגון רקמות ביולוגיות, כדי לחשוף את הרכבן הכימי ואת הסידורים המולקולריים שלהן. אנו חוקרים כיצד הסידור המיקרוסקופי והמורפולוגיה המזוסקופית של חומרים עצמיים אלה קשורים לתכונות המיקרוסקופיות שלהם. עם התקדמות במטרות צמצם מספרי גבוה ומיקרוסקופ מבוסס רפלקטיבי, אנו ואחרים הדגמנו מיקרוסקופ רטט ליצירת סכום תדר ברזולוציה של מיקרון מרובע אחד, שיכול להקליט בו זמנית תמונות של חומרים רכים וגם לפתור מרחבית את הספקטרלית, וליצור את מה שמכונה תמונות היפרספקטרליות.
הדמיה היפרספקטרלית מתעדת נתונים ניסיוניים בממדים מרובים, שניים במרחבים, אחד בתדר ואולי אחד בזמן. עם זאת, איסוף, אחסון וניתוח מהירים של נתונים גדולים כאלה כדי למקסם את המידע נותר אתגר. דגימת התמונה רק כדי לאסוף נקודות נתונים שימושיות היא גם מאתגרת.
על ידי פיתוח טכנולוגיית סריקת קו מהירה יותר, נוכל להאיץ את זמן איסוף הנתונים פי 100. יתר על כן, המיקרוסקופ תואם ליצירת תדר סכום או SFG, דור הרמוני שני או SHG, כמו גם הדמיה בשדה רחב. הדמיה מולטימודאלית מאפשרת בדיקה מהירה של דגימות באמצעות הדמיה אופטית וקורלציה בין אופני תמונה שונים.
הדמיית SHG מסייעת לטכניקה האופטית של הטכניקה שלנו, אך ללא כוח הפענוח הספקטרלי, נמצאת בשימוש נרחב בביופיזיקה. מיקרוסקופ SFG שלנו יוכל כעת לספק תובנות רבות עוצמה ברמה המולקולרית החסרות כיום במחקרים ביופיזיקליים של רקמות רכות.
צפו בתמליל המלא וקבלו גישה לאלפי סרטונים מדעיים
סקירה כללית
מחקר זה מציג מסגרת דימות היפר-ספקטרלית רב-מודאלית שנועדה ללכוד תמונות של יצירת סכום תדרים רטט (VSFG) ברוחב פס רחב, לצד מודליות דימות בשדה בהיר (brightfield) ויצירת הרמוניה שנייה (SHG). המסגרת שואפת לשפר את ההבנה של מבנים מיקרוסקופיים ומסוסקופיים ברקמות ביולוגיות בהרכבה עצמית.
מרכיבי מפתח של המחקר
תחום מדע
- מדעי המוח
- ביופיזיקה
- טכניקות דימות
רקע
- דגימות בהרכבה עצמית מציגות הטרוגניות מזוסקופית.
- הבנת ההרכב הכימי והסידורים המולקולריים היא קריטית.
- התקדמויות במיקרוסקופיה שיפרו את הרזולוציה ואת יכולות ההדמיה.
- הדמיה היפר-ספקטרלית לוכדת נתונים על פני ממדים מרובים.
מטרת המחקר
- לבחון את הקשר בין הסידור המיקרוסקופי למורפולוגיה המזוסקופית.
- לשפר את הדימוי של חומרים רכים ברזולוציות גבוהות.
- להתמודד עם אתגרים באיסוף וניתוח נתונים בדימוי היפרספקטרלי.
שיטות שנעשה בהן שימוש
- פיתוח של מסגרת דימות רב-מודאלית.
- שימוש במיקרוסקופיית יצירת סכום תדרים רטט (vibrational sum-frequency generation microscopy).
- הקלטה סימולטנית של מספר מודאליות דימות.
- טכניקות לאיסוף וניתוח נתונים עבור תמונות היפרספקטרליות.
תוצאים עיקריים
- רכישה מוצלחת של תמונות VSFG רחבות פס.
- רזולוציה משופרת בדימות של רקמות ביולוגיות בהרכבה עצמית.
- תובנות לגבי המאפיינים המבניים והמורפולוגיים של הדגימות.
- זיהוי אתגרים בניהול וניתוח נתונים.
מסקנות
- המסגרת שפותחה מקדמת באופן משמעותי את יכולות ההדמיה.
- היא מספקת תובנות בעלות ערך לגבי תכונותיהן של רקמות ביולוגיות.
- עבודות עתידיות יתמקדו בשיפור טכניקות עיבוד הנתונים.
שאלות נפוצות
רלוונטיות תעשייתית למנהלים
דימות כימי היפר-ספקטרלי לא-ליניארי רב-מודאלי באמצעות מיקרוסקופיית VSFG מסריקה-קוית מאפשרת ויזואליזציה ברזולוציה גבוהה וללא סימון של הטרוגניות כימית ומבנית ברקמות ביולוגיות ובחומרים המרכיבים את עצמם. יכולת זו נותנת מענה לפער קריטי בפתרון מורפולוגיה מזוסקופית וסידור מולקולרי, ובכך תומכת בביטחון חיזוי בשלבי הגילוי המוקדמים ובתיקוף המטרה. גישה זו משפרת את קבלת ההחלטות לגבי תיק הפיתוח על ידי אספקת תובנות ברמה המולקולרית שאינן נגישות בשיטות דימות קונבנציונליות.
יישומים אסטרטגיים במחקר ופיתוח בביו-פרמה
גילוי מוקדם ותיקוף מטרה
- מאפשר ויזואליזציה ישירה של מבנים קיריאליים ולא-צנטרוסימטריים הרלוונטיים למטרות ביולוגיות.
- תומך בתיקוף תפקודי של המטרה על ידי קורלציה בין ההרכב הכימי למורפולוגיה המזוסקופית.
- משפר את רמת הביטחון החזויה במחקרים מכניסטיים של רקמות רכות ומערכות בהרכבה עצמית.
סריקה ופיתוח בדיקה
- מקל על הכנת מערכות ביולוגיות מתוקפות עבור תהליכי סינון (screening) עוקבים.
- מספק מידע כימי כמותי בעל רזולוציה מרחבית לצורך סטנדרטיזציה של בדיקות.
- מאפשר דימוג הדיר של דגימות הטרוגניות, התומך בהערכה מהימנה של תרכובות.
מחקר טרנסלציונלי ופרה-קליני
- מבצע התאמה בין פלטי דימות למבני רקמה הרלוונטיים למחלה עבור מחקרי סמנים ביולוגיים תרגומיים.
- תומך ברצף שמתחיל בשלב הגילוי וממשיך עד לתיקוף פרה-קליני, באמצעות פתרון מבנים מולקולריים in situ.
- מפחית את הסיכון הביולוגי באמצעות הבהרת קשרי מבנה-תפקוד בדגימות מורכבות.
שילוב תהליכי עבודה (Pipeline & Workflow Integration)
פלטפורמת דימוי זו משלבת שלבים החל מגילוי מוקדם ועד למחקר פרה-קליני, ומגשרת בין בדיקת השערות, תיקוף מטרות ומחקרים טרנסלציונליים.
- ביולוגיה של גילוי: מספקת דימוי כימי בעל תוכן גבוה ללא סימון עבור בדיקת השערות והבהרת מסלולים.
- סריקה: מספקת פלטים כמותיים וניתנים לשחזור לצורך מוכנות של בדיקות ומיון תרכובות.
- אנליטיקה: מייצרת מערכי נתונים היפר-ספקטרליים המאפשרים השוואה חסונה של תנאי דגימה ומורפולוגיות.
- מחקר תרגומי: מקשר בין דימוי מולקולרי לניתוח רקמה רלוונטי למחלה, ותומך בהתאמת סממנים ביולוגיים.
- שימוש חוזר ארגוני: מציע יכולת דימוי רב-מודאלית וניתנת להרחבה, הניתנת להתאמה למערכות ביולוגיות וחומריות מגוונות.
השפעה תפעולית וארגונית
- ערך מדעי: מגביר את הביטחון בחיזוי ומפחית עמימות מכניסטית בתהליך התיקוף של המטרה.
- ערך תפעולי: מאיץ את רכישת הנתונים ומסטנדרט את תהליכי העבודה של הדימיון עבור דגימות הטרוגניות.
- ערך אסטרטגי: מסייע בקבלת החלטות לגבי המשך התהליך או עצירתו (go/no-go) ומשפר את יעילות ההון על ידי אספקת תובנות ברמה המולקולרית בשלב מוקדם של התהליך.
- השפעה על הפורטפוליו: תומך בתעדוף מותאם סיכונים ובקידום תוכניות גילוי ותוכניות פרה-קליניות.
שיקולי יישום
- דורש מומחיות בדימות אופטי לא-ליניארי ובניתוח נתונים היפר-ספקטרליים.
- מצריך מכשור מתקדם, כולל עדשות עם מפתח מספרי (NA) גבוה וטכנולוגיית סריקה קווית.
- מחייב סטנדרטיזציה בין-צוותית עבור רכישת נתונים ופרשנותם.
- ניתן להתאמה למגוון מערכות מודל ביולוגיות וחומריות באמצעות אופטימיזציה מתאימה.
- תשתיות ניהול וניתוח הנתונים חייבות לתת מענה לאתגריהם של מאגרי נתונים היפר-ספקטרליים גדולים.
