Multimodale niet-lineaire hyperspectrale chemische beeldvorming met behulp van lijnscanning Vibrationele somfrequentiegeneratiemicroscopie
1 december 2023
Er werd een multimodaal, snel hyperspectraal beeldvormingsraamwerk ontwikkeld om breedband vibrationele somfrequentiegeneratie (VSFG)-beelden te verkrijgen, samen met helderveld-, tweede harmonische generatie (SHG)-beeldvormingsmodaliteiten. Omdat de infraroodfrequentie resoneert met moleculaire trillingen, wordt microscopische structurele en mesoscopische morfologische kennis onthuld van symmetrie-toegestane monsters.
We willen mesoscopisch heterogene zelfgeassembleerde monsters, zoals biologische weefsels, bestuderen om hun chemische samenstelling en moleculaire rangschikking te onthullen. We onderzoeken hoe de microscopische rangschikking en mesoscopische morfologie van deze zelfmaterialen zich verhouden tot hun microscopische eigenschappen. Met de vooruitgang op het gebied van hoge numerieke apertuur en reflecterende microscoopobjectieven, hebben wij en anderen een microscoop voor het genereren van trillingssomfrequenties met een resolutie van één vierkante micron gedemonstreerd, die tegelijkertijd beelden van zachte materialen kan opnemen en ook het spectrale ook ruimtelijk kan oplossen, waardoor de zogenaamde hyperspectrale beelden worden gevormd.
Hyperspectrale beeldvorming registreert experimentele gegevens in meerdere dimensies, twee in ruimtes, één in frequentie en mogelijk één in tijd. Het snel verzamelen, opslaan en analyseren van dergelijke big data om informatie te maximaliseren blijft echter een uitdaging. Het is ook een uitdaging om de afbeelding alleen te bemonsteren om nuttige gegevenspunten te verzamelen.
Door een snellere lijnscantechnologie te ontwikkelen, konden we de data-acquisitietijd met een factor 100 versnellen. Bovendien is de microscoop compatibel met somfrequentiegeneratie of SFG, tweede harmonische generatie of SHG, evenals breedveldbeeldvorming. Multimodale beeldvorming maakt een snelle inspectie van monsters mogelijk met behulp van optische beeldvorming en het correleren van verschillende beeldmodaliteiten.
SHG-beeldvorming ondersteunt de optische techniek van onze techniek, maar zonder het spectrale oplossend vermogen, wordt veel gebruikt in de biofysica. Onze SFG-microscoop zal nu in staat zijn om krachtige inzichten op moleculair niveau te verschaffen die momenteel ontbreken in biofysische studies van zachte weefsels.
Bekijk het volledige transcript en krijg toegang tot duizenden wetenschappelijke video's
Overzicht
Deze studie presenteert een multimodaal hyperspectraal beeldvormingskader dat is ontworpen om breedband vibrational sum-frequency generation (VSFG)-beelden vast te leggen, samen met brightfield- en second harmonic generation (SHG)-beeldvormingsmodaliteiten. Het kader is erop gericht het begrip van microscopische en mesoscopische structuren in zelfgeassembleerde biologische weefsels te verbeteren.
Belangrijkste componenten van de studie
Wetenschappelijk vakgebied
- Neurowetenschappen
- Biofysica
- Beeldvormingstechnieken
Achtergrond
- Zelfgeassemblede monsters vertonen mesoscopische heterogeniteit.
- Inzicht in de chemische samenstelling en moleculaire rangschikkingen is cruciaal.
- Vooruitgang in de microscopie heeft de resolutie en de beeldvormingsmogelijkheden verbeterd.
- Hyperspectrale beeldvorming legt gegevens vast over meerdere dimensies.
Doel van de studie
- Om de relatie tussen microscopische rangschikking en mesoscopische morfologie te onderzoeken.
- Om de beeldvorming van zachte materialen bij hoge resoluties te verbeteren.
- Om uitdagingen bij de gegevensverzameling en -analyse in hyperspectrale beeldvorming aan te pakken.
Gebruikte methoden
- Ontwikkeling van een multimodaal beeldvormingskader.
- Gebruik van vibrationele sum-frequency generation microscopie.
- Simultane registratie van meerdere beeldvormingsmodaliteiten.
- Technieken voor data-acquisitie en analyse van hyperspectrale beelden.
Belangrijkste resultaten
- Succesvolle acquisitie van breedband VSFG-beelden.
- Verbeterde resolutie bij het in beeld brengen van zelfgeassembleerde biologische weefsels.
- Inzichten in de structurele en morfologische kenmerken van monsters.
- Identificatie van uitdagingen bij databeheer en -analyse.
Conclusies
- Het ontwikkelde kader verbetert de beeldvormingsmogelijkheden aanzienlijk.
- Het biedt waardevolle inzichten in de eigenschappen van biologische weefsels.
- Toekomstig werk zal zich richten op het verbeteren van technieken voor gegevensverwerking.
Veelgestelde vragen
Industriële Relevantie voor Executives
Multimodale niet-lineaire hyperspectrale chemische beeldvorming met behulp van line-scanning VSFG-microscopie maakt labelvrije visualisatie met hoge resolutie van chemische en structurele heterogeniteit in biologische weefsels en zelfgeassembleerde materialen mogelijk. Deze capaciteit vult een kritisch hiaat op bij het oplossen van mesoscopische morfologie en moleculaire rangschikking, wat het voorspellende vertrouwen bij vroege ontdekking en target-validatie ondersteunt. De aanpak verbetert de besluitvorming over het portfolio door moleculaire inzichten te verschaffen die niet toegankelijk zijn met conventionele beeldvormingsmodaliteiten.
Strategische Toepassingen in Biofarmaceutische R&D
Vroege Ontdekking & Targetvalidatie
- Maakt directe visualisatie mogelijk van niet-centrosymmetrische en chirale structuren die relevant zijn voor biologische doelen.
- Ondersteunt functionele doelvalidatie door chemische samenstelling te correleren met mesoscopische morfologie.
- Verbetert het voorspellende vertrouwen in mechanistische studies van zacht weefsel en zelf-geassembleerde systemen.
Screening & Assayontwikkeling
- Faciliteert de voorbereiding van gevalideerde biologische systemen voor downstream screening-workflows.
- Biedt kwantitatieve, ruimtelijk opgeloste chemische informatie voor assay-standaardisatie.
- Maakt reproduceerbare beeldvorming van heterogene monsters mogelijk, wat een betrouwbare evaluatie van verbindingen ondersteunt.
Translationeel & Preklinisch Onderzoek
- Lijnt beeldvormingsresultaten uit met ziekterelevante weefselstructuren voor translationele biomarkerstudies.
- Ondersteunt de continuïteit van ontdekking tot preklinische validatie door moleculaire arrangementen in situ op te lossen.
- Vermindert het biologische risico door structuur-functierelaties in complexe monsters te verduidelijken.
Integratie van Pipeline & Workflow
Dit beeldvormingsplatform integreert processen van vroege ontdekking tot preklinisch onderzoek en slaat een brug tussen hypothesetoetsing, targetvalidatie en translationele studies.
- Discovery Biology: Biedt labelvrije chemische imaging met een hoog informatiegehalte voor hypothesetoetsing en pathway-verduidelijking.
- Screening: Levert reproduceerbare, kwantitatieve resultaten voor assay-validatie en compound-triage.
- Analytics: Genereert hyperspectrale datasets die een robuuste vergelijking van monstercondities en morfologieën mogelijk maken.
- Translationeel onderzoek: Verbindt moleculaire imaging met weefselanalyse die relevant is voor ziekten, ter ondersteuning van biomarker-afstemming.
- Enterprise Reuse: Biedt een schaalbare, multimodale imaging-capaciteit die aanpasbaar is voor diverse biologische en materiaalsystemen.
Operationele & Bedrijfsimpact
- Wetenschappelijke waarde: Verhoogt het voorspellende vertrouwen en vermindert mechanistische ambiguïteit bij targetvalidatie.
- Operationele waarde: Versnelt de dataverwerving en standaardiseert imaging-workflows voor heterogene monsters.
- Strategische waarde: Informeert go/no-go-beslissingen en verbetert de kapitaalefficiëntie door vroeg in de pipeline inzichten op moleculair niveau te verschaffen.
- Impact op portfolio: Ondersteunt risico-gecorrigeerde prioritering en de voortgang van discovery- en preklinische programma's.
Overwegingen voor implementatie
- Vereist expertise in niet-lineaire optische beeldvorming en hyperspectrale data-analyse.
- Vraagt om geavanceerde instrumentatie, waaronder objectieven met een hoge numerieke apertuur en line-scanning technologie.
- Maakt standaardisatie tussen teams noodzakelijk voor data-acquisitie en interpretatie.
- Aanpasbaar aan een reeks biologische en materiaalsystemen mits er een passende optimalisatie plaatsvindt.
- De infrastructuur voor datamanagement en -analyse moet voldoen aan de uitdagingen van grote hyperspectrale datasets.
