Imagem Química Hiperespectral Não Linear Multimodal Usando Microscopia de Geração de Soma e Frequência Vibracional de Varredura de Linha
1 de dezembro de 2023
Uma estrutura de imagem hiperespectral rápida e multimodal foi desenvolvida para obter imagens de geração de soma e frequência vibracional de banda larga (VSFG), juntamente com modalidades de imagem de segunda geração harmônica (SHG) de campo claro. Devido à frequência do infravermelho ser ressonante com vibrações moleculares, o conhecimento microscópico estrutural e morfológico mesoscópico é revelado de amostras permitidas por simetria.
Nosso objetivo é estudar amostras mesoscopicamente heterogêneas auto-montadas, como tecidos biológicos, para revelar sua composição química e arranjos moleculares. Estamos explorando como o arranjo microscópico e a morfologia mesoscópica desses automateriais se relacionam com suas propriedades microscópicas. Com os avanços na alta abertura numérica e nas objetivas do microscópio baseado em reflexão, nós e outros demonstramos um microscópio de geração de soma de frequência vibracional com resolução de um mícron quadrado, que pode gravar simultaneamente imagens de materiais moles e também resolver espacialmente o espectral, formando as chamadas imagens hiperespectrais.
A imagem hiperespectral registra dados experimentais em múltiplas dimensões, duas em espaços, uma em frequência e possivelmente uma em tempo. No entanto, a rápida coleta, armazenamento e análise de tais big data para maximizar as informações continua sendo um desafio. A amostragem da imagem apenas para coletar pontos de dados úteis também é um desafio.
Ao desenvolver uma tecnologia de varredura de linha mais rápida, poderíamos acelerar o tempo de aquisição de dados em 100 vezes. Além disso, o microscópio é compatível com geração de soma frequência ou SFG, segunda geração harmônica ou SHG, bem como imagens de campo amplo. A imagem multimodalidade permite a inspeção rápida de amostras usando imagens ópticas e correlacionando várias modalidades de imagem.
A imagem por SHG auxilia a técnica óptica de nossa técnica, mas sem o poder de resolução espectral, é amplamente utilizada em biofísica. Nosso microscópio SFG agora será capaz de fornecer poderosos insights de nível molecular atualmente ausentes em estudos biofísicos de tecidos moles.
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Visão Geral
Este estudo apresenta uma estrutura multimodal de imagem hiperespectral projetada para capturar imagens de geração de frequência de soma vibracional (VSFG) em larga banda, juntamente com modalidades de imagem em campo claro e de geração de harmônica de segunda ordem (SHG). A estrutura tem como objetivo aprimorar a compreensão das estruturas microscópicas e mesoscópicas em tecidos biológicos auto-organizados.
Componentes Principais do Estudo
Área da Ciência
- Neurociência
- Biofísica
- Técnicas de Imagem
Contexto
- As amostras autoagregadas exibem heterogeneidade mesoscópica.
- Compreender a composição química e os arranjos moleculares é fundamental.
- Os avanços na microscopia melhoraram a resolução e as capacidades de imageamento.
- O imageamento hiperspectral captura dados ao longo de múltiplas dimensões.
Objetivo do Estudo
- Investigar a relação entre a organização microscópica e a morfologia mesoscópica.
- Aprimorar a imagem de materiais moles com alta resolução.
- Resolver desafios na coleta e análise de dados em imageamento hiperspectral.
Métodos Utilizados
- Desenvolvimento de um framework de imagem multimodal.
- Utilização da microscopia de geração de frequência de soma vibracional.
- Gravação simultânea de múltiplas modalidades de imagem.
- Técnicas de coleta e análise de dados para imagens hiperspectrais.
Resultados Principais
- Aquisição bem-sucedida de imagens de VSFG de banda larga.
- Melhoria na resolução da imagem de tecidos biológicos autoorganizados.
- Compreensão das características estruturais e morfológicas das amostras.
- Identificação de desafios no gerenciamento e análise de dados.
Conclusões
- O framework desenvolvido avança significativamente as capacidades de imagem.
- Ele fornece informações valiosas sobre as propriedades dos tecidos biológicos.
- Trabalhos futuros focarão na melhoria das técnicas de processamento de dados.
Perguntas Frequentes
Relevância Executiva para a Indústria
A imagem química hiperspectral não linear multimodal utilizando microscopia VSFG de varredura linear permite a visualização de alta resolução e livre de marcadores da heterogeneidade química e estrutural em tecidos biológicos e materiais auto-organizados. Essa capacidade preenche uma lacuna crítica na resolução da morfologia mesoscópica e do arranjo molecular, apoiando a confiança preditiva na descoberta precoce e na validação de alvos. A abordagem aprimora a tomada de decisões em portfólios ao fornecer informações em nível molecular que não são acessíveis com modalidades de imagem convencionais.
Aplicações Estratégicas na P&D de Biotecnologia e Farmácia
Descoberta Inicial e Validação de Alvo
- Permite a visualização direta de estruturas não centrossimétricas e quirais relevantes para alvos biológicos.
- Auxilia na validação funcional de alvos ao correlacionar composição química com morfologia mesoscópica.
- Augmenta a confiança preditiva em estudos mecanicistas de tecidos moles e sistemas auto-organizados.
Triagem e Desenvolvimento de Ensaios
- Facilita a preparação de sistemas biológicos validados para fluxos de trabalho de triagem posteriores.
- Fornece informações químicas quantitativas e com resolução espacial para padronização de ensaios.
- Permite a obtenção de imagens reprodutíveis de amostras heterogêneas, apoiando a avaliação confiável de compostos.
Pesquisa Translacional e Pré-clínica
- Alinha os resultados de imagem com estruturas teciduais relevantes para doenças em estudos translacionais de biomarcadores.
- Garante continuidade do descobrimento até a validação pré-clínica, resolvendo arranjos moleculares in situ.
- Reduz o risco biológico ao esclarecer as relações entre estrutura e função em amostras complexas.
Integração de Pipeline e Fluxo de Trabalho
Esta plataforma de imagem integra desde a descoberta inicial até a pesquisa pré-clínica, conectando testes de hipóteses, validação de alvos e estudos translacionais.
- Biologia da Descoberta: Fornece imagens químicas com alto conteúdo e sem marcação para testes de hipóteses e esclarecimento de vias.
- Triagem: Fornece resultados quantitativos e reprodutíveis para prontidão de ensaios e triagem de compostos.
- Análises: Gera conjuntos de dados hiperspectrais que permitem comparação robusta de condições e morfologias das amostras.
- Pesquisa Translacional: Conecta a imagem molecular à análise de tecidos relevante para doenças, apoiando o alinhamento de biomarcadores.
- Reutilização Empresarial: Oferece uma capacidade de imagem escalável e multimodal adaptável a diversos sistemas biológicos e materiais.
Impacto Operacional e Empresarial
- Valor Científico: Aumenta a confiança preditiva e reduz a ambiguidade mecanicista na validação de alvos.
- Valor Operacional: Acelera a aquisição de dados e padroniza fluxos de trabalho de imagem para amostras heterogêneas.
- Valor Estratégico: Orienta decisões de prosseguir/não prosseguir e melhora a eficiência do capital ao fornecer insights em nível molecular no início do processo.
- Impacto no Portfólio: Apoia a priorização ajustada ao risco e o avanço de programas de descoberta e pré-clínicos.
Considerações sobre a Implementação
- Requer experiência em imagem óptica não linear e análise de dados hiperspectrais.
- Exige instrumentação avançada, incluindo objetivas de alta abertura numérica e tecnologia de varredura por linha.
- Necessita padronização entre equipes para aquisição e interpretação de dados.
- Adaptável a uma variedade de sistemas modelo biológicos e materiais com otimização apropriada.
- A infraestrutura de gerenciamento e análise de dados deve enfrentar os desafios dos grandes conjuntos de dados hiperspectrais.
