Name: real-time, two-color stimulated raman scattering imaging of mouse brain for tissue diagnosis
Uploaded: 2022-02-01T14:40:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Real-Time, Two-Color Stimulated Raman Scattering Imaging of Mouse Brain for Tissue Diagnosis at JoVE.com

Bu çalışma NIH R35 GM133435 to D.F. tarafından desteklenmiştir.

Tüm deneysel hayvan prosedürleri, Washington Üniversitesi Hayvan Bakım ve Kullanım Komitesi Enstitüsü (IACUC) tarafından onaylanan protokole (# 4395-01) uygun olarak 200 μm, sabit, kesitli fare beyinleri ile gerçekleştirilmiştir. Vahşi tip fareler (C57BL / 6J suşu) CO2 ile ötenazi yapılır. Daha sonra, fosfat tamponlu salinde %4 paraformaldehit içinde fiksasyon için beyinlerini çıkarmak için bir kraniyotomi yapılır. Beyinler% 3'lük bir agaroz ve% 0.3'lük bir jelatin karışımına göm...

<ol>
	<li>Fischer, A. H., Jacobson, K. A., Rose, J., Zeller, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Hematoxylin+and+eosin+staining+of+tissue+and+cell+sections.">Hematoxylin and eosin staining of tissue and cell sections.</a> Cold Spring Harbor Protocols. 2008, (2008).</li><li>Cui, M., Zhang, D. Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Artificial+intelligence+and+computational+pathology.">Artificial intelligence and computational pathology.</a> Laboratory Investigation. 101 (4), 412-422 (2021).</li><li>Freudiger, C. W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Label-free+biomedical+imaging+with+high+sensitivity+by+stimulated+Raman+scattering+microscopy.">Label-free biomedical imaging with high sensitivity by stimulated Raman scattering microscopy.</a> Science. 322 (5909), 1857-1861 (2008).</li><li>Orringer, D. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Rapid+intraoperative+histology+of+unprocessed+surgical+specimens+via+fibre-laser-based+stimulated+Raman+scattering+microscopy.">Rapid intraoperative histology of unprocessed surgical specimens via fibre-laser-based stimulated Raman scattering microscopy.</a> Nature Biomedical Engineering. 1, 0027 (2017).</li><li>Ji, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=label-free+detection+of+brain+tumors+with+stimulated+Raman+scattering+microscopy.">label-free detection of brain tumors with stimulated Raman scattering microscopy.</a> Science Translational Medicine. 5 (201), (2013).</li><li>Hollon, T. C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Near+real-time+intraoperative+brain+tumor+diagnosis+using+stimulated+Raman+histology+and+deep+neural+networks.">Near real-time intraoperative brain tumor diagnosis using stimulated Raman histology and deep neural networks.</a> Nature Medicine. 26 (1), 52-58 (2020).</li><li>Shin, K. S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Intraoperative+assessment+of+skull+base+tumors+using+stimulated+Raman+scattering+microscopy.">Intraoperative assessment of skull base tumors using stimulated Raman scattering microscopy.</a> Scientific Reports. 9 (1), 20392 (2019).</li><li>Lu, F. -. K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Label-free+neurosurgical+pathology+with+stimulated+Raman+imaging.">Label-free neurosurgical pathology with stimulated Raman imaging.</a> Cancer Research. 76 (12), 3451-3462 (2016).</li><li>Shin, K. S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Quantitative+chemical+imaging+of+breast+calcifications+in+association+with+neoplastic+processes.">Quantitative chemical imaging of breast calcifications in association with neoplastic processes.</a> Theranostics. 10 (13), 5865-5878 (2020).</li><li>Fu, D., Holtom, G., Freudiger, C., Zhang, X., Xie, X. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Hyperspectral+imaging+with+stimulated+Raman+scattering+by+chirped+femtosecond+lasers.">Hyperspectral imaging with stimulated Raman scattering by chirped femtosecond lasers.</a> The Journal of Physical Chemistry B. 117 (16), 4634-4640 (2013).</li><li>Figueroa, B., Hu, R., Rayner, S. G., Zheng, Y., Fu, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Real-time+microscale+temperature+imaging+by+stimulated+Raman+scattering.">Real-time microscale temperature imaging by stimulated Raman scattering.</a> The Journal of Physical Chemistry Letters. 11 (17), 7083-7089 (2020).</li><li>Saar, B. G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Video-rate+molecular+imaging+in+vivo+with+stimulated+Raman+scattering.">Video-rate molecular imaging in vivo with stimulated Raman scattering.</a> Science. 330 (6009), 1368-1370 (2010).</li><li>Hill, A. H., Hill, A. H., Manifold, B., Manifold, B., Fu, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Tissue+imaging+depth+limit+of+stimulated+Raman+scattering+microscopy.">Tissue imaging depth limit of stimulated Raman scattering microscopy.</a> Biomedical Optics Express. 11 (2), 762-774 (2020).</li><li>Fu, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Imaging+the+intracellular+distribution+of+tyrosine+kinase+inhibitors+in+living+cells+with+quantitative+hyperspectral+stimulated+Raman+scattering.">Imaging the intracellular distribution of tyrosine kinase inhibitors in living cells with quantitative hyperspectral stimulated Raman scattering.</a> Nature Chemistry. 6 (7), 614-622 (2014).</li><li>Zhang, L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Spectral+tracing+of+deuterium+for+imaging+glucose+metabolism.">Spectral tracing of deuterium for imaging glucose metabolism.</a> Nature Biomedical Engineering. 3 (5), 402-413 (2019).</li><li>Tsai, P. S., et al., Frostig, R. D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Principles,+design,+and+construction+of+a+two-photon+laser-scanning+microscope+for+in+vitro+and+in+vivo+brain+imaging.">Principles, design, and construction of a two-photon laser-scanning microscope for in vitro and in vivo brain imaging.</a> In Vivo Optical Imaging of Brain. , 113-171 (2002).</li><li>Francis, A., Berry, K., Chen, Y., Figueroa, B., Fu, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Label-free+pathology+by+spectrally+sliced+femtosecond+stimulated+Raman+scattering+(SRS)+microscopy.">Label-free pathology by spectrally sliced femtosecond stimulated Raman scattering (SRS) microscopy.</a> PLoS One. 12 (5), 0178750 (2017).</li><li>Figueroa, B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Broadband+hyperspectral+stimulated+Raman+scattering+microscopy+with+a+parabolic+fiber+amplifier+source.">Broadband hyperspectral stimulated Raman scattering microscopy with a parabolic fiber amplifier source.</a> Biomedical Optics Express. 9 (12), 6116-6131 (2018).</li><li>Kong, L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Multicolor+stimulated+Raman+scattering+microscopy+with+a+rapidly+tunable+optical+parametric+oscillator.">Multicolor stimulated Raman scattering microscopy with a rapidly tunable optical parametric oscillator.</a> Optics Letters. 38, 145-147 (2013).</li><li>He, R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Dual-phase+stimulated+Raman+scattering+microscopy+for+real-time+two-color+imaging.">Dual-phase stimulated Raman scattering microscopy for real-time two-color imaging.</a> Optica. 4 (1), 44-47 (2017).</li><li>Pence, I. J., Kuzma, B. A., Brinkmann, M., Hellwig, T., Evans, C. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Multi-window+sparse+spectral+sampling+stimulated+Raman+scattering+microscopy.">Multi-window sparse spectral sampling stimulated Raman scattering microscopy.</a> Biomedical Optics Express. 12 (10), 6095-6114 (2021).</li><li>Wei, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Volumetric+chemical+imaging+by+clearing-enhanced+stimulated+Raman+scattering+microscopy.">Volumetric chemical imaging by clearing-enhanced stimulated Raman scattering microscopy.</a> Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 116 (14), 6608-6617 (2019).</li><li>Wright, A. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Adaptive+optics+for+enhanced+signal+in+CARS+microscopy.">Adaptive optics for enhanced signal in CARS microscopy.</a> Optics Express. 15 (26), 18209-18219 (2007).</li></ol>

Bu protokolde sunulan iki renkli SRS görüntüleme şeması, tek renkli SRS görüntülemenin doğru şekilde uygulanmasına bağlıdır. Tek renkli SRS görüntülemede kritik adımlar uzamsal hizalama, zamansal hizalama, modülasyon derinliği ve faz kaymasıdır. İki kirişin mekansal olarak birleştirilmesi, dikroik bir ayna ile gerçekleştirilir. Kirişleri dikroik aynaya gönderirken ince ayar için birkaç direksiyon aynası kullanılır. Kirişler dikroik ayna ile birleştirildikten sonra, bir IR kartı ile ö...

Geleneksel doku teşhisi, boyama protokollerine ve ardından optik mikroskop altında incelemeye dayanır. Patologlar tarafından kullanılan yaygın boyama yöntemlerinden biri H & E boyamasıdır: hematoksilin hücre çekirdeklerini morumsu maviye boyar ve eozin hücre dışı matrisi ve sitoplazmayı pembe boyar. Bu basit boyama, başta kanser teşhisi olmak üzere birçok doku teşhisi görevi için patolojide altın standart olmaya devam etmektedir. Bununla birlikte, H&E histopatolojisi, özellikle intraoperatif bir ortamda kullanılan dondurulmuş kesit tekniği, hala sınırlamalara sahiptir. Boyama prosedürü, doku gömme, kesitleme, fiksasyon ve boyama1'i içeren zahmetli bir işlemdir. Tipik geri dönüş süresi 20 dakika veya daha uzundur. Dondurulmuş kesitleme sırasında H&E gerçekleştirmek, marj değerlendirmesi için hücresel özellikleri veya büyüme modellerini 3B'de değerlendirme ihtiyacı nedeniyle aynı anda birden fazla bölüm işlendiğinde bazen daha zor hale gelebilir. Ayrıca, intraoperatif histolojik teknikler yetenekli teknisyenler ve klinisyenler gerektirir. Birçok hastanede kurul onaylı patologların sayısındaki sınırlama, birçok durumda intraoperatif konsültasyon için bir kısıtlamadır. Bu tür sınırlamalar, dijital patoloji ve yapay zeka temelli tanı2'deki hızlı gelişme ilgileri ile hafifletilebilir. Bununla birlikte, H&E boyama sonuçları, teknisyenin deneyimine bağlı olarak değişkendir ve bu da bilgisayar tabanlı tanı için ek zorluklar ortaya çıkarır2.
Bu zorluklar, etiketsiz optik görüntüleme teknikleriyle potansiyel olarak ele alınabilir. Böyle bir teknik SRS mikroskopisidir. SRS, moleküler titreşimleri yüksek verimlilikle uyarmak için senkronize darbeli lazerler (pompa ve Stokes) kullanır3. Son raporlar, proteinlerin ve lipitlerin SRS görüntülemesinin, herhangi bir doku işleme ihtiyacını atlayan, tanı için gereken süreyi önemli ölçüde kısaltan ve intraoperatif olarak uyarlanan bozulmamış taze doku ile H & E eşdeğeri görüntüler (uyarılmış Raman histolojisi veya SRH olarak da bilinir) üretebileceğini göstermiştir4. Ayrıca, SRS görüntüleme, 2D görüntüler yetersiz olduğunda teşhis için ek bilgi sunan 3D görüntüler sağlayabilir5. SRH tarafsızdır ve bilgisayar tabanlı tanılama için hazır olan dijital görüntüler üretir. Özellikle beyin kanserinde intraoperatif kanser tanısı ve tümör marj analizi için olası bir çözüm olarak hızla ortaya çıkmaktadır 6,7,8. Daha yakın zamanlarda, dokunun kimyasal değişikliklerinin SRS görüntülemesinin, klinisyenlerin farklı kanser türlerini veya evrelerini9'u sınıflandırmasına yardımcı olabilecek yararlı tanısal bilgiler sağladığı da önerilmiştir.
Doku teşhisi uygulamalarındaki muazzam potansiyeline rağmen, SRS görüntüleme çoğunlukla ultra hızlı lazerler, lazer tarama mikroskobu ve sofistike algılama elektroniklerini içeren görüntüleme platformuyla ilişkili karmaşıklık nedeniyle optik konusunda uzmanlaşmış akademik laboratuvarlarla sınırlıdır. Bu protokol, gerçek zamanlı, iki renkli SRS görüntüleme için ortak bir femtosaniye lazer kaynağının kullanımını ve fare beyin dokusundan sahte H&E görüntülerinin oluşturulmasını göstermek için ayrıntılı bir iş akışı sağlar. Protokol aşağıdaki prosedürleri kapsayacaktır:
Hizalama ve cıvıl cıvıl optimizasyon Çoğu SRS görüntüleme şeması, uyarma kaynağı olarak pikosaniye veya femtosaniye lazerleri kullanır. Femtosaniye lazerlerde, lazerin bant genişliği Raman çizgi genişliğinden çok daha büyüktür. Bu sınırlamanın üstesinden gelmek için, femtosaniye lazerleri cıvıl cıvıl cıvıl Optimum spektral çözünürlük ancak temporal cıvıltı (grup gecikme dispersiyonu veya sadece dispersiyon olarak da bilinir) pompa ve Stokes lazerleri için uygun şekilde eşleştirildiğinde elde edilir. Hizalama prosedürü ve yüksek oranda dağıtıcı cam çubuklar kullanarak lazer ışınlarının dağılımını optimize etmek için gereken adımlar burada gösterilmiştir.
Frekans kalibrasyonu Spektral odaklama SRS'nin bir avantajı, Raman uyarımının pompa ve Stokes lazerleri arasındaki zaman gecikmesini değiştirerek hızlı bir şekilde ayarlanabilmesidir. Bu tür ayarlamalar, lazer dalga boylarının ayarlanmasına kıyasla hızlı görüntüleme ve güvenilir spektral kazanım sağlar. Bununla birlikte, uyarma frekansı ile zaman gecikmesi arasındaki doğrusal ilişki harici kalibrasyon gerektirir. Bilinen Raman tepelerine sahip organik çözücüler, spektral odaklama SRS için Raman frekansını kalibre etmek için kullanılır.
Gerçek zamanlı, iki renkli görüntüleme Büyük doku örneklerinin analizi için gereken süreyi kısaltmak için doku tanı uygulamalarında görüntüleme hızının artırılması önemlidir. Lipitlerin ve proteinlerin eşzamanlı iki renkli SRS görüntülemesi, lazeri veya zaman gecikmesini ayarlama ihtiyacını ortadan kaldırır ve bu da görüntüleme hızını iki kattan fazla artırır. Bu, yeni bir ortogonal modülasyon tekniği ve kilitli bir amplifikatör11 ile çift kanallı demodülasyon kullanılarak elde edilir. Bu yazıda ortogonal modülasyon ve çift kanallı görüntü elde etme protokolü açıklanmaktadır.
Epi-mod SRS görüntüleme Bugüne kadar gösterilen SRS görüntülemenin çoğunluğu iletim modunda gerçekleştirilmektedir. Epi modlu görüntüleme, doku12'den geri saçılan fotonları algılar. Patoloji uygulamaları için cerrahi örnekler oldukça büyük olabilir. İletim modu görüntüleme için, doku kesiti genellikle gereklidir, bu da istenmeyen bir şekilde ekstra zaman gerektirir. Buna karşılık, epi-mod görüntüleme bozulmamış cerrahi örneklerle çalışabilir. Aynı amaç geri saçılan ışığı toplamak için kullanıldığından, iletim görüntülemesi için gereken yüksek sayısal açıklıklı bir kondenserin hizalanmasına da gerek yoktur. Epi-mod, kemikte olduğu gibi doku kesiti zor olduğunda da tek seçenektir. Daha önce beyin dokusu için epi-mod görüntülemenin 2 mm13'> doku kalınlığı için üstün görüntüleme kalitesi sunduğunu göstermiştik. Bu protokol, doku tarafından depolarize edilen dağınık fotonları toplamak için polarize edici bir ışın ayırıcı (PBS) kullanır. Özelleştirilmiş dedektör düzeneğinin karmaşıklığı pahasına dairesel bir dedektörle daha fazla foton toplamak mümkündür12. PBS yaklaşımının uygulanması daha kolaydır (floresana benzer), standart fotodiyot zaten iletim modu tespiti için kullanılmaktadır.
Pseudo-H&E görüntü oluşturma İki renkli SRS görüntüleri toplandıktan sonra, H&E boyamasını simüle etmek için yeniden renklendirilebilirler. Bu yazıda, patoloji uygulamaları için lipid ve protein SRS görüntülerinin psödo-H&E SRS görüntülerine dönüştürülmesi prosedürü gösterilmektedir. Deneysel protokol, yüksek kaliteli SRS görüntüleri oluşturmak için gereken kritik adımları ayrıntılarıyla açıklar. Burada gösterilen prosedür sadece doku tanısına uygulanamaz, aynı zamanda ilaç görüntüleme ve metabolik görüntüleme gibi diğer birçok hiperspektral SRS görüntüleme uygulamasına da uyarlanabilir14,15.
Genel sistem gereksinimleri Bu protokol için lazer sistemi 2 senkronize femtosaniye lazer ışını üretebilmelidir. Sistemler, lazer ışınlarından birinin geniş dalga boyu ayarı için ideal olarak bir Optik Parametrik Osilatör (OPO) içerir. Bu protokoldeki kurulum, 80 MHz tekrarlama hızına sahip iki lazer (1.040 nm'de bir sabit ışın ve 680 ila 1.300 nm arasında değişen bir OPO tabanlı ayarlanabilir ışın) üreten ticari bir lazer sistemi Insight DS + kullanır. Kullanılan mikroskop, ticari bir dik mikroskop çerçevesinin üzerine inşa edilmiş dik bir lazer tarama mikroskobudur. Lazer ışınını taramak için bir çift 5 mm galvo ayna kullanılır. Ev yapımı bir lazer tarama mikroskobu benimsemeyi seçen kullanıcılar için, lazer tarama mikroskobunun yapımı için daha önce yayınlanmış bir protokole bakın16.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>100 mm Achromatic Lens</td>
			<td>THORLABS</td>
			<td>AC254-100-B</td>
			<td>Broadband, 650 - 1,050 nm, achromatic lens focal length, 100 mm</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>20 MHz bandpass filter</td>
			<td>Minicircuits</td>
			<td>BBP-21.4+</td>
			<td>Lumped LC Band Pass Filter, 19.2 - 23.6 MHz, 50 &#937;</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>200 mm Achromatic Lens</td>
			<td>THORLABS</td>
			<td>AC254-200-B</td>
			<td>Broadband, 650 - 1,050 nm, achromatic lens focal length, 200 mm</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Achromatic Half Waveplate</td>
			<td>Union Optic</td>
			<td>WPA2210-650-1100-M25.4</td>
			<td>Broadband half waveplate</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Achromatic Quarter Waveplate</td>
			<td>Union Optic</td>
			<td>WPA4210-650-1100-M25.4</td>
			<td>Broadband quarter waveplate</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Beam Sampler</td>
			<td>THORLABS</td>
			<td>BSN11</td>
			<td>10:90 Plate Beamsplitter</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Dichroic Mirror</td>
			<td>THORLABS</td>
			<td>DMSP1000</td>
			<td>Other dichroics with a center wavelength around 1,000 nm can be used.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>DMSO (Dimethyl sulfoxide)</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td>472301</td>
			<td>Solvent for calibration of Raman shift. Other solvents with known Raman peaks can be used.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Electrooptic Amplitude Modulator</td>
			<td>THORLABS</td>
			<td>EO-AM-NR-C1</td>
			<td>Two EOMs are needed for orthogonal modulation and dual-channel imaging. Resonant version is recommended so lower driving voltage can be used.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>False H&#38;E Staining Script</td>
			<td>Matlab</td>
			<td></td>
			<td>https://github.com/TheFuGroup/HE_Staining</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Fanout Buffer</td>
			<td>PRL-414B</td>
			<td>Pulse Research Lab</td>
			<td>1:4 TTL/CMOS Fanout Buffer and Line Driver, for generating the EOM driving frequency and the reference to the lock-in</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Fast Photodiode</td>
			<td>THORLABS</td>
			<td>DET10A2</td>
			<td>Si Detector, 1 ns Rise Time</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Frequency Divider</td>
			<td>PRL-220A</td>
			<td>Pulse Research Lab</td>
			<td>TTL Freq. Divider (f/2, f/4, f/8, f/16), for generating 20MHz from the laser output.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Highly Dispersive Glass Rods</td>
			<td>Union Optic</td>
			<td>CYLROD01</td>
			<td>High dispersion H-ZF52A Rod lens 120 mm, SF11 Rod lens 100 mm</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Insight DS+</td>
			<td>Newport</td>
			<td></td>
			<td>Laser system capable of outputting two synchronzied pulsed lasers (one fixed beam at 1, 040 nm and one tunable beam, ranging from 680-1,300 nm) with a repetition rate of 80 MHz.&#160;</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Lock-in Amplifier</td>
			<td>Liquid Instruments</td>
			<td>Moku Lab</td>
			<td>Lock-in amplifier to extract SRS signal from the photodiode. A Zurich Instrument HF2LI or similar instrument can be used as well.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Mirrors</td>
			<td>THORLABS</td>
			<td>BB05-E03-10</td>
			<td>Broadband Dielectric Mirror, 750 - 1,100 nm. Silver mirrors can also be used.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Motorized Delay Stage</td>
			<td>Zaber</td>
			<td>X-DMQ12P-DE52</td>
			<td>Delay stage for fine control of the temporal overlap of the pump and the Stokes lasers. Any other motorized stage should work.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Oil Immersion Condensor</td>
			<td>Nikon</td>
			<td>CSC1003</td>
			<td>1.4 NA. Other condensers with NA&#62;1.2 can be used.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Oscilloscope</td>
			<td>Tektronix</td>
			<td>TDS7054</td>
			<td>Any other oscilloscope with 400 MHz bandwdith or higher should work.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Phase Shifter</td>
			<td>SigaTek</td>
			<td>SF50A2</td>
			<td>For shifting the phase of the modulation frequency</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Photodiode</td>
			<td>Hamamatsu Corp</td>
			<td>S3994-01</td>
			<td>Silicon PIN diode with large area (10 x 10 cm2). Other diodes with large area and low capacitance can be used.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Polarizing Beam Splitter</td>
			<td>Union Optic</td>
			<td>PBS9025-620-1000</td>
			<td>Broadband polarizing beamsplitter</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Refactive Index Database</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>refractiveindex.info</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Retro-reflector</td>
			<td>Edmund Optics</td>
			<td>34-408</td>
			<td>BBAR Right Angle Prism. Other prisms or retroreflector can be used.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>RF Power Amplifier</td>
			<td>Minicircuits</td>
			<td>ZHL-1-2W+</td>
			<td>Gain Block, 5 - 500 MHz, 50 &#937;</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Scan Mirrors</td>
			<td>Cambridge Technologies</td>
			<td>6215H</td>
			<td>We used a 5mm mirror set with silver coating</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>ScanImage</td>
			<td>Vidrio</td>
			<td>ScanImage Basic</td>
			<td>Laser scanning microscope control software</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Shortpass Filter</td>
			<td>THORLABS</td>
			<td>FESH1000</td>
			<td>25.0 mm Premium Shortpass Filter, Cut-Off Wavelength: 1,000 nm. For efficient suppression of the Stokes, two filters may be necessary.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Upright Microscope</td>
			<td>Nikon</td>
			<td>Eclipse FN1</td>
			<td>Any other microscope frame can be used. If a laser scanning microscope is available, it can be used directly. Otherwise, a galvo scanner and scan lens needed to be added to the microscope.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Water Immersion Objective</td>
			<td>Olympus</td>
			<td>XLPLN25XWMP2</td>
			<td>The multiphoton 25X Objective has a NA of 1.05. Other similar objectives can be used.</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

real-time, two-color stimulated raman scattering imaging of mouse brain for tissue diagnosis

Stimulated Raman scattering (SRS) mikroskopisi, doku tanısında güçlü bir optik görüntüleme tekniği olarak ortaya çıkmıştır. Son yıllarda, iki renkli SRS'nin, beyin kanserinin hızlı ve güvenilir teşhisini sağlayan hematoksilin ve eozin (H & E) eşdeğeri görüntüler sağlayabildiği gösterilmiştir. Bu yetenek, heyecan verici intraoperatif kanser teşhisi uygulamalarını mümkün kılmıştır. Dokunun iki renkli SRS görüntülemesi pikosaniye veya femtosaniye lazer kaynağı ile yapılabilir. Femtosaniye lazerler, hızlı hiperspektral görüntüleme ve gerçek zamanlı, iki renkli SRS görüntüleme dahil olmak üzere esnek görüntüleme modları sağlama avantajına sahiptir. Cıvıl cıvıl lazer darbeleri ile spektral odaklama yaklaşımı, yüksek spektral çözünürlük elde etmek için tipik olarak femtosaniye lazerlerle kullanılır. 
İki renkli SRS alımı, ortogonal modülasyon ve kilitleme algılama ile gerçekleştirilebilir. Darbe cıvıltısının, modülasyonunun ve karakterizasyonunun karmaşıklığı, bu yöntemin yaygın olarak benimsenmesi için bir darboğazdır. Bu makale, spektral odaklı SRS'nin uygulanmasını ve optimizasyonunu ve epi modda fare beyin dokusunun gerçek zamanlı, iki renkli görüntülenmesini göstermek için ayrıntılı bir protokol sunmaktadır. Bu protokol, SRS'nin yüksek hızlı ve spektroskopik görüntüleme yeteneğinden yararlanan çok çeşitli SRS görüntüleme uygulamaları için kullanılabilir.

Spektral çözünürlüğü optimize etme: Bir malzeme boyunca dağılım, dağıtıcı ortamdan (uzunluk ve malzeme) ve dalga boyundan etkilenir. Dağılım çubuğu uzunluğunun değiştirilmesi spektral çözünürlüğü ve sinyal boyutunu etkiler. Uygulamaya bağlı olarak farklı şekilde tartılabilen bir al-ver ilişkisidir. Çubuklar, ışın darbesini frekansta geniş ve zamanda dar olmaktan, frekansta dar ve zaman içinde geniş olmaya kadar uzatır. Şekil 7 ,...

Watch this Scientific Journal Video about Real-Time, Two-Color Stimulated Raman Scattering Imaging of Mouse Brain for Tissue Diagnosis at JoVE.com

Real-Time, Two-Color Stimulated Raman Scattering Imaging of Mouse Brain for Tissue Diagnosis

Uyarılmış Raman saçılması (SRS) mikroskobu güçlü, tahribatsız ve etiketsiz bir görüntüleme tekniğidir. Ortaya çıkan bir uygulama, protein ve lipit Raman geçişlerinde iki renkli SRS görüntülemenin psödo-hematoksilin ve eozin görüntüleri üretmek için kullanıldığı uyarılmış Raman histolojisidir. Burada, doku teşhisi için gerçek zamanlı, iki renkli SRS görüntüleme için bir protokol gösteriyoruz.

Doku Teşhisi için Fare Beyninin Gerçek Zamanlı, İki Renkli Uyarılmış Raman Saçılma Görüntülemesi

Stimulated Raman scattering (SRS) microscopy has emerged as a powerful optical imaging technique for tissue diagnosis. In recent years, two-color SRS has ...

Bu protokol, spektral odaklamalı SRS mikroskobunun uygulanmasını ve optimizasyonunu ve gerçek zamanlı uyarılmış Raman histolojisi uygulamaları için nasıl kullanılabileceğini gösterecektir. Bu tekniğin temel avantajı, enstrümantasyon düzgün bir şekilde hizalandıktan sonra numunelerin işlenebilme hızıdır, çünkü SRS doku işleme ve boyama gerektirmez. Bu protokol sadece histoloji ile sınırlı değil, diğer SRS uygulamaları için de geçerlidir.Bu tür uygulamalar arasında küçük moleküller, ilaçlar, hücreler ve dokular bulunur. Lazer ışını boyutunu başlangıç noktası olarak iki kat büyütmek için pompa ışını için bir çift akromatik lens takarak başlayın. 100 ve 200 milimetrelik bir lensi birbirinden yaklaşık 300 milimetreye yerleştirin.Ardından pompa ışını her iki lensin ortasından hizalayın. Ardından, ışını bir metreden daha uzaktaki bir duvara doğru göndermek için ikinci lensten sonra bir ayna yerleştirin. Kirişi aynadan duvara bir IR kartı ile izleyin ve ışının boyutunun değişip değişmediğini kontrol edin.Kiriş, mesafenin bir fonksiyonu olarak boyut olarak değişirse kirişi kolimasyona alın. Ayarlama için birkaç direksiyon aynası ile dikroik bir ayna takarak iki lazer ışınını birleştirin. Dikroik aynadan sonraki ışınları yaklaşık bir metre uzaklıktaki iki farklı konumda izleyerek pompanın ve Stokes'un uzamsal örtüşmesini optimize edin.Stokes kirişini pompa kirişi ile hizalamak için direksiyon aynasını ve ardından dikroik aynayı yinelemeli olarak ayarlayın. Tarama aynaları park edilmiş konumdayken bir çift direksiyon aynasını ayarlayarak kombine ışınların lazer tarama mikroskobunun tarama aynalarının merkezine gönderildiğinden emin olun. Kondenserden sonra, iletilen ışını fotodiyota iletmek için sırasıyla 100 milimetre ve 30 milimetre odak uzaklığına sahip başka bir lens çifti kullanın ve her iki ışının da fotodiyot içinde yer almasını sağlayın.Ardından, modüle edilmiş Stokes ışınını engellemek için iki alçak geçirgen filtre takın. Işının% 10'unu almak için Stokes ışın yoluna bir ışın örnekleyici yerleştirin ve 80 megahertz darbe trenini algılamak için hızlı bir fotodiyota gönderin. Yayma tamponunun çıkışlarından birini alın ve 20 megahertz sinüzoidal dalga elde etmek için bir bant geçiş filtresi ile filtreleyin.Ardından, çıkış tepe noktasından tepe voltajına yaklaşık 500 milivolta ayarlamak için bir RF zayıflatıcı kullanın. Elde edilen çıkışı, RF fazının bir voltaj kaynağıyla hassas bir şekilde ayarlanmasını sağlayan bir faz değiştiriciye gönderin. Bu çıkışı bir RF güç amplifikatörüne gönderin ve amplifikatörün çıkışını EOM'ye bağlayın.Stokes ışınının blokajını açtıktan sonra, ışın yoluna bir fotodiyot yerleştirerek ilk EOM'nin modülasyon derinliğini optimize edin. Modülasyon derinliği tatmin edici görünene kadar EOM voltajını ve çeyrek dalga plakasını ayarlayın. Lazer ışınını algılamak için dikroik aynadan sonra bir fotodiyot yerleştirin.Önce Stokes ışınını bloke edin, ardından osiloskop üzerindeki pompa darbe piklerinden birini yakınlaştırın. Osiloskop ile bu zirvenin zamansal konumunu işaretlemek için dikey bir imleç yerleştirin. Şimdi pompa kirişini bloke edin ve Stokes kirişinin blokajını kaldırın.Osiloskop üzerindeki tepe konumlarını geçici olarak önceki adımda işaretlenmiş konumla eşleştirmek için gecikme aşamasını çevirin. İki kirişi eşleştirmek için gereken gecikme mesafesini hesaplayarak, ardından daha hızlı kirişin kiriş yolunu uzatarak veya daha yavaş kirişin kiriş yolunu kısaltarak. Daha sonra, numuneyi slayt ve bir kapak kayması arasında tutmak için DMSO ve çift taraflı bant ile bir ara parça olarak bir mikroskop slayt örneği hazırlayın.Numuneyi, kapak kayması tarafı mikroskop hedefine bakacak şekilde mikroskop üzerine yerleştirin ve numuneyi parlak alan aydınlatması altında I parçasından gözlemleyin. Cam bant arayüzündeki hava kabarcıklarının hem üst hem de alt katmanında numunenin odağını bulun, ardından odağı bandın iki katmanı arasında olacak şekilde hareket ettirin. Daha sonra ayarlanabilir ışın çıkışını 798 nanometreye ayarlayın.Kondenserin optik çıkışına bağlı olarak, optik gücü pompa ve Stokes ışınları için objektif odakta her biri yaklaşık 40 miliwatt olacak şekilde ayarlayın. Ardından MATLAB'da tarama görüntüsünü açın ve taramaya başlamak için focus etiketli düğmeye tıklayın. DC sinyalini kanal bir ekranda ortalamak için galvo tarayıcıdan önce direksiyon aynasını ayarlayın.Motorlu gecikme aşamasını hareket ettirin ve kanal iki ekranında gösterilen kilitleme çıkışını yakından izleyin. Son olarak, AC sinyal yoğunluğunu en üst düzeye çıkarmak için zaman gecikmesini ayarlayın. Dikroik aynayı, SRS sinyalini AC kanalında ortalayacak şekilde ayarlayın.Ardından, sinyali en üst düzeye çıkarmak için kilitli amplifikatörün fazını ayarlayın. Numuneyi mikroskopa monte ettikten ve her iki ışının gücünü daha önce gösterildiği gibi numune odağında her biri yaklaşık 40 miliwatt'a ayarladıktan sonra. MATLAB'dan tarama görüntüsünü açın.Ardından, DMSO'nun 2.913 ters santimetre Raman zirvesine karşılık gelen gecikme aşamasını tarayarak maksimum SRS sinyalini bulun. DMSO'nun 2.913 ters santimetre Raman zirvesine karşılık gelen bir SRS görüntüsü elde edin. Görüntüyü ImageJ'de açın ve çerçevenin ortasında küçük bir alan seçin.Seçilen alandaki değerlerin ortalama ve standart sapmasını hesaplamak için hesaplama işlevini kullanın. Frekans erişim kalibrasyonu için, DMSO'nun 2, 913 ve 2.994 ters santimetre Raman zirvelerini kapsayan gecikme aşaması aralığıyla hiperspektral bir tarama kaydedin. Ardından, hiperspektral veri kümesine karşılık gelen sahne alanı konumlarını kaydedin.Sahne alanı konumları için doğrusal regresyon gerçekleştirin ve Raman 2, 913 ve 2.994 ters santimetrede kayıyor. Doğrusal regresyon denklemini kullanarak, gecikme konumlarını karşılık gelen Raman frekanslarına dönüştürün. Spektral çözünürlüğün kalibrasyonu için, çubukların yerleştirilmesi nedeniyle artan optik yol uzunluğu ile önceki konuma göre aşama konumunu tahmin edin.Cam çubuklar eklendiğinde kirişin hafif sapması nedeniyle kirişlerin uzamsal örtüşmesini yeniden hizalayın. İlk EOM'den sonra ıslatma ışını yoluna polarize edici bir ışın ayırıcı, çeyrek dalga plakası ve ikinci bir EOM takın. Sinyal girişini ikinci EOM'ye çıkarın, ardından sinyal girişini ilk EOM'ye takın ve açın.Stokes ışınını ilk EOM'den geçirerek 20 megahertz'de modüle edin. Işının EOM kristali boyunca ortalandığından emin olmak için ilk EOM'nin eğimini ve konumunu ayarlayın. Çift taraflı bant, mikroskop slayt ve kapak camı ile bir doku slayt örneği hazırlayın.Numuneyi, kapak kayması tarafı mikroskop hedefine bakacak şekilde mikroskop üzerine yerleştirin. Epi-mod SRS görüntüleme için, mikroskopa giren ışının polarizasyonunu değiştirmek için ışın mikroskopa girmeden önce yarım dalga plakası takın. Depolarize edilmiş geri yansıyan ışının dedektöre ulaşmasına izin vermek için hedefin üzerine polarize edici bir ışın ayırıcı yerleştirin.Ardından, arka dağınık fotonları hedefin arka diyafram açıklığından fotoğraf dedektörüne aktarmak için 75 milimetrelik bir akromat lens ve 30 milimetrelik asferik lens kullanın. Polarize edici ışın ayırıcı tarafından yönlendirilen arkaya dağılmış ışığı toplamak için dedektörü monte edin. Ardından, modüle edilmiş ışının dedektöre girmesini engellemek için bir filtre takın.Çubuk uzunluklarının değiştirilmesi spektral çözünürlüğü etkiler. Cam cıvıl cıvıl çubuklar kullanılmadığında, DMSO'dan gelen iki Raman zirvesi hiç çözülmez. Cam cıvıl cıvıl çubukların sayısındaki artış, iki tepeyi tatmin edici bir noktada çözmeye başlar.Eşleşen cıvıltı her iki tepe noktasını da çözer ve sahne pozisyonlarını frekansa göre kalibre etmek için kullanılabilir. DMSO spektrumlarını görüntülemek için kullanılan iki kez gecikmiş ortogonal polarizasyon darbe treni, kabul edilebilir modülasyon derinliği ve zamansal ayırma ile SRS uyarımları arasındaki zaman gecikmesini gösterir. Buna karşılık, zayıf iki renkli SRS faz kayması, ters çevrilmiş veya negatif zirvelere yol açar.Burada ex vivo fare beyin dokusunun 2, 850 ve 2.930 ters santimetresinde gerçek zamanlı iki renkli SRS görüntüleme gösterilmektedir. Ham lipit ve protein görüntüleri, lipit ve protein katkılarını gösteren tek bir görüntü üretmek için renk kodluydu. Patolojik uygulamalar için hematoksilin ve eozin boyamasını taklit etmek için yanlış hematoksilin ve eozin yeniden renklendirme de yapıldı.Uzamsal zamansal örtüşme ve uzamsal çözünürlük optimizasyonu, SRS'nin uzamsal odaklanma yaklaşımı için en önemli adımlardır. Bu yöntem genellikle geçici absorpsiyon mikroskobu gibi diğer pompa probu mikroskopi deneyleri için geçerlidir. Yöntem ayrıca hücrelerde ve dokularda floresan olmayan moleküllerin görüntülenmesine izin verir.Burada sunulan yöntem, klinikte uyarılmış Raman histolojisinin gelecekteki çevirisi için görüntü elde etme süresini hızlandırmaktadır.

Research

JoVE Journal

Bioengineering

Non-contact, Label-free Monitoring of Cells and Extracellular Matrix using Raman Spectroscopy

Raman Spektroskopisi kullanarak Hücreler ve Ekstrasellüler Matriks Temassız, Etiket ücretsiz izleme

Non-destructive, non-contact and label-free technologies to monitor cell and tissue cultures are needed in the field of biomedical research.1-5 However, ...

Biyomühendislik

Universal Hand-held Three-dimensional Optoacoustic Imaging Probe for Deep Tissue Human Angiography and Functional Preclinical Studies in Real Time

Evrensel Real Time Derin Doku İnsan Anjiografi ve Fonksiyonel Preklinik Çalışmalar üç boyutlu Optoacoustic Görüntüleme Probe El

The exclusive combination of high optical contrast and excellent spatial resolution makes optoacoustics (photoacoustics) ideal for simultaneously ...

Using Cell-substrate Impedance and Live Cell Imaging to Measure Real-time Changes in Cellular Adhesion and De-adhesion Induced by Matrix Modification

Matrix Modifikasyon Bağlı Hücresel Yapışma ve De-yapışma Real-time Değişiklikleri Tedbir Hücre-substrat Empedans ve Canlı Hücre Görüntüleme kullanma

Cell-matrix adhesion plays a key role in controlling cell morphology and signaling. Stimuli that disrupt cell-matrix adhesion (e.g., myeloperoxidase and ...

Real-time Monitoring of High Intensity Focused Ultrasound (HIFU) Ablation of In Vitro Canine Livers Using Harmonic Motion Imaging for Focused Ultrasound (HMIFU)

Real-time Monitoring of High Intensity Focused Ultrasound HIFU Ablation of In Vitro Canine Livers Using Harmonic Motion Imaging for Focused Ultrasound HMIFU

Yüksek Yoğunluk Gerçek zamanlı izleme Ultrason (HIFU) Ablasyonu Odaklı<em&gt; İn Vitro</em&gt; Odaklı Ultrason Harmonik Hareket Görüntüleme kullanma Köpek karaciğerler (HMIFU)

Harmonic Motion Imaging for Focused Ultrasound (HMIFU) is a technique that can perform and monitor high-intensity focused ultrasound (HIFU) ablation. An ...

Hand-held Clinical Photoacoustic Imaging System for Real-time Non-invasive Small Animal Imaging

Görüntüleme sistemi gerçek zamanlı Non-invaziv küçük hayvan görüntüleme için el klinik Photoacoustic

Translation of photoacoustic imaging into the clinic is a major challenge. Handheld real-time clinical photoacoustic imaging systems are very rare. Here, ...

A Protocol for Real-time 3D Single Particle Tracking

Gerçek zamanlı 3D tek parçacık izleme için bir iletişim kuralı

Real-time three-dimensional single particle tracking (RT-3D-SPT) has the potential to shed light on fast, 3D processes in cellular systems. Although ...

In Situ Microscopy for Real-time Determination of Single-cell Morphology in Bioprocesses

In Situ Microscopy for Real-time Determination of Single-cell Morphology in Bioprocesses

In Situ Biyoproseslerde Tek Hücreli Morfolojinin Gerçek Zamanlı Tayini İçin Mikroskopi

In situ monitoring in microbial bioprocesses is mostly restricted to chemical and physical properties of the medium (e.g.,pH value and the dissolved ...

In Vivo Two-Color 2-Photon Imaging of Genetically-Tagged Reporter Cells in the Skin

İn vivo Iki renkli 2-foton görüntüleme genetiği etiketlenmiş Reporter hücrelerinin cilt içinde

Fibroblasts are mesenchymal cells that change their morphology upon activation, ultimately influencing the microenvironment of the tissue they are located ...

Real-Time Intravital Multiphoton Microscopy to Visualize Focused Ultrasound and Microbubble Treatments to Increase Blood-Brain Barrier Permeability

Kan-Beyin Bariyer Geçirgenliğini Artırmak için Odaklanmış Ultrason ve Mikrobubble Tedavilerini Görselleştirmek için Gerçek Zamanlı Intravital Multifotoğraf Mikroskopisi

The blood-brain barrier (BBB) is a key challenge for the successful delivery of drugs to the brain. Ultrasound exposure in the presence of microbubbles ...

In vivo Imaging of Biological Tissues with Combined Two-Photon Fluorescence and Stimulated Raman Scattering Microscopy

In vivo Imaging of Biological Tissues with Combined Two-Photon Fluorescence and Stimulated Raman Scattering Microscopy

İn vivo Kombine İki Foton Floresan ve Stimüle Raman Saçılma Mikroskobu ile Biyolojik Dokuların Görüntülenmesi

Stimulated Raman scattering (SRS) microscopy enables label-free imaging of the biological tissues in its natural microenvironment based on intrinsic ...