Name: fluorescence lifetime macro imager for biomedical applications
Uploaded: 2023-04-07T12:30:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Fluorescence Lifetime Macro Imager for Biomedical Applications at JoVE.com

Die finanzielle Unterstützung für diese Arbeit durch die Science Foundation Ireland, die Zuschüsse SFI/12/RC/2276_P2, SFI/17/RC-PhD/3484 und 18/SP/3522 sowie Breakthrough Cancer Research (Precision Oncology Ireland) wird dankbar gewürdigt.

Alle Verfahren mit Tieren wurden im Rahmen von Zulassungen der Health Products Regulatory Authority (HPRA, Irland) gemäß der Richtlinie des Rates der Europäischen Gemeinschaften (2010/63/EU) durchgeführt und von der Ethikkommission für Tierversuche des University College Cork genehmigt.
1. Probenvorbereitung
<ol><li>Färbung mit der Sonde von lebenden Gewebeproben ex vivo<ol><li>Für Ex-vivo-Anwendungen werden frisch isolierte Gewebeproben von 4 Wochen...

<ol>
	<li>Papkovsky, D. B., Dmitriev, R. I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Imaging+of+oxygen+and+hypoxia+in+cell+and+tissue+samples.">Imaging of oxygen and hypoxia in cell and tissue samples.</a> Cellular and Molecular Life Sciences. 75 (16), 2963-2980 (2018).</li><li>Carreau, A., El Hafny-Rahbi, B., Matejuk, A., Grillon, C., Kieda, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Why+is+the+partial+oxygen+pressure+of+human+tissues+a+crucial+parameter?+Small+molecules+and+hypoxia.">Why is the partial oxygen pressure of human tissues a crucial parameter? Small molecules and hypoxia.</a> Journal of Cellular and Molecular Medicine. 15 (6), 1239-1253 (2011).</li><li>Yoshihara, T., Hirakawa, Y., Hosaka, M., Nangaku, M., Tobita, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Oxygen+imaging+of+living+cells+and+tissues+using+luminescent+molecular+probes.">Oxygen imaging of living cells and tissues using luminescent molecular probes.</a> Journal of Photochemistry and Photobiology C: Photochemistry Reviews. 30, 71-95 (2017).</li><li>Papkovsky, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Phosphorescence+based+oxygen+sensors+essential+tools+for+cell+biology+and+life+science+research.">Phosphorescence based oxygen sensors essential tools for cell biology and life science research.</a> 17th International Meeting on Chemical Sensors - IMCS. , 71-72 (2018).</li><li>Tsytsarev, V., 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=In+vivo+imaging+of+brain+metabolism+activity+using+a+phosphorescent+oxygen-sensitive+probe.">In vivo imaging of brain metabolism activity using a phosphorescent oxygen-sensitive probe.</a> Journal of Neuroscience Methods. 216 (2), 146-151 (2013).</li><li>O'Donovan, C., Hynes, J., Yashunski, D., Papkovsky, D. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Phosphorescent+oxygen-sensitive+materials+for+biological+applications.">Phosphorescent oxygen-sensitive materials for biological applications.</a> Journal of Materials Chemistry. 15, 2946-2951 (2005).</li><li>Dmitriev, R. I., Papkovsky, D. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optical+probes+and+techniques+for+O+2+measurement+in+live+cells+and+tissue.">Optical probes and techniques for O 2 measurement in live cells and tissue.</a> Cellular and Molecular Life Sciences. 69 (12), 2025-2039 (2012).</li><li>Papkovsky, D. B., Zhdanov, A. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Phosphorescence+based+oxygen+sensors+and+probes+for+biomedical+research.">Phosphorescence based oxygen sensors and probes for biomedical research.</a> Advanced Environmental, Chemical, and Biological Sensing Technologies XIV. 10215, 102150 (2017).</li><li>Rumsey, W. L., Vanderkooi, J. M., Wilson, D. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Imaging+of+phosphorescence:+A+novel+method+for+measuring+oxygen+distribution+in+perfused+tissue.">Imaging of phosphorescence: A novel method for measuring oxygen distribution in perfused tissue.</a> Science. 241 (4873), 1649-1651 (1988).</li><li>Hogan, M. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Phosphorescence+quenching+method+for+measurement+of+intracellular+PO+2+in+isolated+skeletal+muscle+fibers.">Phosphorescence quenching method for measurement of intracellular PO 2 in isolated skeletal muscle fibers.</a> Journal of Applied Physiology. 86 (2), 720-724 (1999).</li><li>Apreleva, S. V., Wilson, D. F., Vinogradov, S. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Tomographic+imaging+of+oxygen+by+phosphorescence+lifetime.">Tomographic imaging of oxygen by phosphorescence lifetime.</a> Applied Optics. 45 (33), 8547-8559 (2006).</li><li>Becker, W., Shcheslavskiy, V., R&#252;ck, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Simultaneous+phosphorescence+and+fluorescence+lifetime+imaging+by+multi-dimensional+TCSPC+and+multi-pulse+excitation.">Simultaneous phosphorescence and fluorescence lifetime imaging by multi-dimensional TCSPC and multi-pulse excitation.</a> Advances in Experimental Medicine and Biology. 1035, 19-30 (2017).</li><li>Wolfbeis, O. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Luminescent+sensing+and+imaging+of+oxygen:+Fierce+competition+to+the+Clark+electrode.">Luminescent sensing and imaging of oxygen: Fierce competition to the Clark electrode.</a> BioEssays. 37 (8), 921-928 (2015).</li><li>Dmitriev, R. I., Zhdanov, A. V., Nolan, Y. M., Papkovsky, D. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Imaging+of+neurosphere+oxygenation+with+phosphorescent+probes.">Imaging of neurosphere oxygenation with phosphorescent probes.</a> Biomaterials. 34 (37), 9307-9317 (2013).</li><li>Shcheslavskiy, V. I., Neubauer, A., Bukowiecki, R., Dinter, F., Becker, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Combined+fluorescence+and+phosphorescence+lifetime+imaging.">Combined fluorescence and phosphorescence lifetime imaging.</a> Applied Physics Letters. 108, 091111 (2016).</li><li>Babilas, P., 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=In+vivo+phosphorescence+imaging+of+pO2+using+planar+oxygen+sensors.">In vivo phosphorescence imaging of pO2 using planar oxygen sensors.</a> Microcirculation. 12 (6), 477-487 (2005).</li><li>Babilas, P., 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=Transcutaneous+pO2+imaging+during+tourniquet-induced+forearm+ischemia+using+planar+optical+oxygen+sensors.">Transcutaneous pO2 imaging during tourniquet-induced forearm ischemia using planar optical oxygen sensors.</a> Skin Research and Technology. 14 (3), 304-311 (2008).</li><li>Golub, A. S., Pittman, R. N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=PO2+measurements+in+the+microcirculation+using+phosphorescence+quenching+microscopy+at+high+magnification.">PO2 measurements in the microcirculation using phosphorescence quenching microscopy at high magnification.</a> American Journal of Physiology-Heart and Circulatory Physiology. 294 (6), 2905-2916 (2008).</li><li>Zhdanov, A. V., Golubeva, A. V., Okkelman, I. A., Cryan, J. F., Papkovsky, D. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Imaging+of+oxygen+gradients+in+giant+umbrella+cells:+An+ex+vivo+PLIM+study.">Imaging of oxygen gradients in giant umbrella cells: An ex vivo PLIM study.</a> American Journal of Physiology - Cell Physiology. 309 (7), 501-509 (2015).</li><li>Becker, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fluorescence+lifetime+imaging+-+Techniques+and+applications.">Fluorescence lifetime imaging - Techniques and applications.</a> Journal of Microscopy. 247 (2), 119-136 (2012).</li><li>Jenkins, J., Dmitriev, R. I., Papkovsky, D. B., Becker, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Imaging+cell+and+tissue+O+2+by+TCSPC-PLIM.">Imaging cell and tissue O 2 by TCSPC-PLIM.</a> Advanced Time-Correlated Single Photon Counting Applications. , 225-247 (2015).</li><li>Becker, W., K&#246;nig, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Advanced+TCSPC-FLIM+techniques.">Advanced TCSPC-FLIM techniques.</a> Multiphoton Microscopy and Fluorescence Lifetime Imaging: Applications in Biology and Medicine. , 23-52 (2018).</li><li>Wei, L., Yan, W., Ho, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Recent+advances+in+fluorescence+lifetime+analytical+microsystems:+Contact+optics+and+CMOS+time-resolved+electronics.">Recent advances in fluorescence lifetime analytical microsystems: Contact optics and CMOS time-resolved electronics.</a> Sensors. 17 (12), 2800 (2017).</li><li>Hirvonen, L. M., Suhling, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Wide-field+TCSPC:+Methods+and+applications.">Wide-field TCSPC: Methods and applications.</a> Measurement Science and Technology. 28, 012003 (2017).</li><li>Hirvonen, L. M., Festy, F., Suhling, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Wide-field+time-correlated+single-photon+counting+(TCSPC)+lifetime+microscopy+with+microsecond+time+resolution.">Wide-field time-correlated single-photon counting (TCSPC) lifetime microscopy with microsecond time resolution.</a> Optics Letters. 39 (19), 5602 (2014).</li><li>Sparks, H., 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=Characterisation+of+new+gated+optical+image+intensifiers+for+fluorescence+lifetime+imaging.">Characterisation of new gated optical image intensifiers for fluorescence lifetime imaging.</a> Review of Scientific Instruments. 88 (1), 013707 (2017).</li><li>Chelushkin, P. S., Tunik, S. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Progress in Photon Science: Emerging New Directions. 115, (2017).</li><li>Sen, 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=A+new+macro-imager+based+on+Tpx3Cam+optical+camera+for+PLIM+applications.">A new macro-imager based on Tpx3Cam optical camera for PLIM applications.</a> Proceedings of SPIE. , 113591 (2020).</li><li>Fisher-Levine, M., Nomerotski, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=TimepixCam:+A+fast+optical+imager+with+time-stamping.">TimepixCam: A fast optical imager with time-stamping.</a> Journal of Instrumentation. 11, (2016).</li><li>Nomerotski, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Imaging+and+time+stamping+of+photons+with+nanosecond+resolution+in+Timepix+based+optical+cameras.">Imaging and time stamping of photons with nanosecond resolution in Timepix based optical cameras.</a> Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. 937. 937, 26-30 (2019).</li><li>Poikela, T., 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=Timepix3:+A+65K+channel+hybrid+pixel+readout+chip+with+simultaneous+ToA/ToT+and+sparse+readout.">Timepix3: A 65K channel hybrid pixel readout chip with simultaneous ToA/ToT and sparse readout.</a> Journal of Instrumentation. 9, 05013 (2014).</li><li>Nomerotski, 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=Characterization+of+TimepixCam,+a+fast+imager+for+the+time-stamping+of+optical+photons.">Characterization of TimepixCam, a fast imager for the time-stamping of optical photons.</a> Journal of Instrumentation. 12, 01017 (2017).</li><li>Hirvonen, L. M., Fisher-Levine, M., Suhling, K., Nomerotski, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Photon+counting+phosphorescence+lifetime+imaging+with+TimepixCam.">Photon counting phosphorescence lifetime imaging with TimepixCam.</a> Review of Scientific Instruments. 88, 013104 (2017).</li><li>Visser, 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=SPIDR:+A+read-out+system+for+Medipix3+&amp;+Timepix3.">SPIDR: A read-out system for Medipix3 &amp; Timepix3.</a> Journal of Instrumentation. 10, 12028 (2015).</li><li>Tsytsarev, V., 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=In+vivo+imaging+of+brain+metabolism+activity+using+a+phosphorescent+oxygen-sensitive+probe.">In vivo imaging of brain metabolism activity using a phosphorescent oxygen-sensitive probe.</a> Journal of Neuroscience Methods. 216 (2), 146-151 (2013).</li><li>Sen, 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=Mapping+O2+concentration+in+ex-vivo+tissue+samples+on+a+fast+PLIM+macro-imager.">Mapping O2 concentration in ex-vivo tissue samples on a fast PLIM macro-imager.</a> Scientific Reports. 10, 19006 (2020).</li><li>Kersemans, V., Cornelissen, B., Allen, P. D., Beech, J. S., Smart, S. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Subcutaneous+tumor+volume+measurement+in+the+awake,+manually+restrained+mouse+using+MRI.">Subcutaneous tumor volume measurement in the awake, manually restrained mouse using MRI.</a> Journal of Magnetic Resonance Imaging. 37 (6), 1499-1504 (2013).</li><li>Sen, 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=New+luminescence+lifetime+macro-imager+based+on+a+Tpx3Cam+optical+camera.">New luminescence lifetime macro-imager based on a Tpx3Cam optical camera.</a> Biomedical Optics Express. 11 (1), 77-88 (2020).</li><li>Papkovsky, D. 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=Phosphorescent+polymer+films+for+optical+oxygen+sensors.">Phosphorescent polymer films for optical oxygen sensors.</a> Biosensors and Bioelectronics. 7 (3), 199-206 (1992).</li><li>Sen, 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=Characterization+of+planar+phosphorescence+based+oxygen+sensors+on+a+TCSPC-PLIM+macro-imager.">Characterization of planar phosphorescence based oxygen sensors on a TCSPC-PLIM macro-imager.</a> Sensors and Actuators, B: Chemical. 321, 128459 (2020).</li><li>Lakowicz, J. R., Szmacinski, H., Nowaczyk, K., Berndt, K. W., Johnson, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fluorescence+lifetime+imaging.">Fluorescence lifetime imaging.</a> Analytical Biochemistry. 202 (2), 316-330 (1992).</li></ol>

Die obigen Protokolle geben eine detaillierte Beschreibung des Zusammenbaus des neuen Imagers und seines Betriebs im Mikrosekunden-FLIM/PLIM-Modus. Die TCSPC-basierte Tpx3Cam-Kamera der neuen Generation, die über den opto-mechanischen Adapter Cricket mit dem Bildverstärker, dem Emissionsfilter und dem Makroobjektiv gekoppelt ist, ergibt ein stabiles, kompaktes und flexibles optisches Modul, das einfach zu bedienen ist. Es wurde gezeigt, dass der Imager bei einer Reihe verschiedener Proben und analytischer Aufgaben gut ...

O2 ist einer der wichtigsten Umweltparameter für lebende Systeme, und die Kenntnis der Verteilung vonO2 und seiner Dynamik ist für viele biologische Studien wichtig 1,2,3. Die Bestimmung der Sauerstoffversorgung des Gewebes mit Hilfe der phosphoreszierenden Sonden 4,5,6,7,8 und PLIM 9,10,11,12,13 erfreut sich in der biologischen und medizinischen Forschung zunehmender Beliebtheit 3,9,14,15,16, 17,18,19. Dies liegt daran, dass PLIM im Gegensatz zu Fluoreszenz- oder Phosphoreszenzintensitätsmessungen nicht von externen Faktoren wie Sondenkonzentration, Photobleichung, Anregungsintensität, optischer Ausrichtung, Streuung und Autofluoreszenz beeinflusst wird.
Aktuelle O2 PLIM-Plattformen sind jedoch durch ihre Empfindlichkeit, Bildaufnahmegeschwindigkeit, Genauigkeit und allgemeine Benutzerfreundlichkeit eingeschränkt. Die zeitkorrelierte Einzelphotonenzählung (TCSPC) in Kombination mit einem Raster-Scanning-Verfahren wird häufig in PLIM- und FLIM-Geräten (Fluoreszenzlebensdauer-Bildgebungsmikroskopie) verwendet20,21,22. Da PLIM jedoch eine lange Pixelverweilzeit (im Millisekundenbereich) erfordert, ist die Zeit der Bildaufnahme viel länger als für FLIM-Anwendungen erforderlich 20,22,23. Andere Techniken, wie z. B. geschlossene CCD/CMOS-Kameras, haben keine Einzelphotonenempfindlichkeit und niedrige Bildraten20,24,25,26. Darüber hinaus werden die bestehenden PLIM-Systeme meist im mikroskopischen Format verwendet, während makroskopische Systeme weniger verbreitet sind27.
Der TCSPC-basierte PLIM-Makro-Imager28 wurde eingerichtet, um viele dieser Einschränkungen zu überwinden. Das Design des Imagers wurde durch die Verwendung eines neuen opto-mechanischen Adapters, Cricket, erheblich erleichtert, der über Folgendes verfügt: i) zwei C-Mount-Adapter, die eine einfache Kopplung des Kameramoduls auf der Rückseite und des Objektivs auf der Vorderseite ermöglichen; ii) ein internes Gehäuse für einen Bildverstärker und eine Steckdose für letzteren an der Außenseite der Grille; iii) ein Innenraum hinter dem frontseitigen C-Mount-Adapter, in dem ein Standard-25-mm-Emissionsfilter vor dem Druckübersetzer untergebracht werden kann; und iv) eine eingebaute Lichtkollimationsoptik mit Ringregulatoren, die eine optische Ausrichtung/Fokussierung zwischen dem Objektiv und der Kamera ermöglichen, um gestochen scharfe Bilder auf dem Kamerachip zu erzeugen.
Im zusammengebauten Imager ist das Kameramodul mit der Rückseite des Cricket-Adapters gekoppelt, der auch einen Bildverstärker enthält, der aus einer Photokathode besteht, gefolgt von einer Mikrokanalplatte (MCP), einem Verstärker und einem schnellen Szintillator, P47-Phosphor. Im Inneren des Cricket ist ein 760-nm- ± 50-nm-Emissionsfilter angebracht, und ein Objektiv, NMV-50M11'', ist am vorderseitigen C-Mount-Adapter angebracht. Schließlich werden das Objektiv und die Kamera optisch mit Ringreglern ausgerichtet.
Die Aufgabe des Verstärkers besteht darin, einfallende Photonen zu detektieren und sie in schnelle Lichtblitze auf dem Kamerachip umzuwandeln, die registriert und zur Erzeugung von Emissionszerfällen und Lebensdauerbildern verwendet werden. Das Kameramodul besteht aus einem fortschrittlichen TCSPC-basierten optischen Sensorarray (256 Pixel x 256 Pixel) und einem Auslesechip der neuen Generation 29,30,31,32,33, die die gleichzeitige Aufzeichnung der Ankunftszeit (TOA) undder Zeit über dem Schwellenwert (TOT) von Photonenausbrüchen an jedem Pixel des Bildgebungschips mit einer Zeitauflösung von 1,6 ns und einer Ausleserate von 80 Mpixel/s ermöglichen.
In dieser Konfiguration hat die Kamera mit dem Verstärker eine Einzelphotonenempfindlichkeit. Es ist datengesteuert und basiert auf dem SPIDR-System (Speedy Pixel Detector Readout)34. Die räumliche Auflösung des Imagers wurde zuvor mit planaren phosphoreszierendenO2-Sensoren und einer Auflösungsplattenmaske charakterisiert. Die Instrumentenantwortfunktion (IRF) wurde durch die Abbildung eines planaren Fluoreszenzsensors unter den gleichen Einstellungen wie bei allen anderen Messungen gemessen. Die Lebensdauer des Farbstoffs von rund 2,6 ns war kurz genug, um ihn für die IRF-Messung im PLIM-Modus zu verwenden. Der Imager kann Objekte mit einer Größe von bis zu 18 mm x 18 mm mit räumlichen und zeitlichen Auflösungen von 39,4 μm bzw. 30,6 ns (volle Breite bei halbem Maximum) abbilden.
Die folgenden Protokolle beschreiben den Zusammenbau des Makro-Imagers und seine anschließende Verwendung zur Kartierung der O2-Konzentration in biologischen Proben, die mit der zuvor charakterisierten Nahinfrarot-O2-SondeNanO2-IR 35 gefärbt wurden. Bei der Sonde handelt es sich um eine helle, photostabile, zelldurchlässige O2-Sonde, die auf dem Farbstoff Platin(II)-benzoporphyrin (PtBP) basiert. Es ist bei 625 nm erregbar, emittiert bei 760 nm und bietet eine robuste optische Reaktion auf O2 im physiologischen Bereich (0%-21% oder 0-210 μM vonO2). Der Imager wird auch demonstriert, um verschiedene Sensormaterialien auf Basis von Pt(II)-Porphyrin-Farbstoffen zu charakterisieren. Insgesamt ist der Imager kompakt und flexibel, ähnlich wie eine herkömmliche Fotokamera. Im aktuellen Setup ist der Imager für verschiedene Weitfeld-PLIM-Anwendungen geeignet. Der Ersatz der LED durch eine schnelle Laserquelle wird die Leistung des Imagers weiter verbessern und könnte potenziell FLIM-Anwendungen im Nanosekundenbereich ermöglichen.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>627 nm LED</td>
			<td>Parts Express</td>
			<td></td>
			<td>Can be replaced with different LED based on the excitation wavelength of the sensor. Used 390 nm LED for Pt-porphyrin dyes.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>760 &#177; 50 nm emission filter</td>
			<td>Edmund Optics</td>
			<td>84-788</td>
			<td>Can be replaced with different filter based on the emission wavelength of the sensor. Used 650 &#177; 50 nm bandpass filter for Pt-porphyrin dyes.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Balb/c mice</td>
			<td>Envigo, UK</td>
			<td>Balb/c</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Black box</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>XE25C9/M</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Cricket Adapter</td>
			<td>Photonis</td>
			<td>Cricket-2</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>CT26 cells&#160;</td>
			<td>ATCC</td>
			<td>CT26.WT</td>
			<td>https://www.atcc.org/products/crl-2638</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>DMEM</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>D0697</td>
			<td>Other media can also be used</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>ImageJ Software</td>
			<td>ImageJ</td>
			<td></td>
			<td>Free Image analysis software. Can be downloaded from: https://imagej.nih.gov/ij/index.html</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>MCP-125 image intensifier with P47 phosphor screen</td>
			<td>Photonis</td>
			<td>PP0360EF</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Mini dishes</td>
			<td>Sarstedt</td>
			<td>83.3900.300</td>
			<td>35 mm diameter&#160;</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Mylar plastic film, 75 micron&#160;</td>
			<td>RS Ireland</td>
			<td>785-0795</td>
			<td>Othe plastic substrates can also be used</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>NanO2-IR</td>
			<td>home-made</td>
			<td>n/a</td>
			<td>The probe can be synthesised according to the published method &#39;Tsytsarev V, Arakawa H, Borisov S, Pumbo E, Erzurumlu RS, Papkovsky DB. In vivo imaging of brain metabolism activity using a phosphorescent oxygen-sensitive probe. J Neurosci Methods. 2013 Jun 15;216(2):146-51. doi: 10.1016/j.jneumeth.2013.04.005. Epub 2013 Apr 25. PMID: 23624034; PMCID: PMC3719178.&#39; or provided by our lab.&#160;</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>NMV-50M11&#8221; 50 mm lens</td>
			<td>Navitar</td>
			<td></td>
			<td>Other lenses compatibel with C-mount adators can be used</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Optical breadboard</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>MB1836</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Petri Dishes</td>
			<td>Sarstedt</td>
			<td>82.1472.001</td>
			<td>92 mm diameter</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Power Supply</td>
			<td>Tenma</td>
			<td>72-10495</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Pulse Generator</td>
			<td>Tenma</td>
			<td>TGP110</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sophy</td>
			<td>Amsterdam Scientific Instruments</td>
			<td>n/z</td>
			<td>Provided by ASI together with the Tpx3Cam</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Tpx3Cam</td>
			<td>Amsterdam Scientific Instruments</td>
			<td>TPXCAM</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Tri2 Software</td>
			<td>University of Oxford</td>
			<td>n/a</td>
			<td>Free Time Resolved Imaging software, can be downloaded from: https://users.ox.ac.uk/~atdgroup/index.shtml</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>XYZ Translation Stage</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>LT3</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

fluorescence lifetime macro imager for biomedical applications

In diesem Artikel wird ein neuer Photolumineszenz-Lifetime-Imager vorgestellt, der entwickelt wurde, um die molekulare Sauerstoffkonzentration (O2) in verschiedenen phosphoreszierenden Proben abzubilden, die vonO2-empfindlichen Festkörperbeschichtungen bis hin zu lebenden tierischen Gewebeproben, die mit löslichenO2-empfindlichen Sonden gefärbt wurden, reichen. Insbesondere wurde die nanopartikelbasierte Nahinfrarotsonde NanO2-IR verwendet, die mit einer 625 nm Leuchtdiode (LED) anregbar ist und bei 760 nm emittiert. Das Bildgebungssystem basiert auf der Timepix3-Kamera (Tpx3Cam) und dem opto-mechanischen Adapter, der auch einen Bildverstärker beherbergt. Die Phosphoreszenz-Lebensdauer-Bildgebungsmikroskopie (PLIM) wird häufig für verschiedene Studien benötigt, aber die aktuellen Plattformen haben Einschränkungen in ihrer Genauigkeit, allgemeinen Flexibilität und Benutzerfreundlichkeit.
Bei dem hier vorgestellten System handelt es sich um einen schnellen und hochempfindlichen Imager, der auf einem integrierten optischen Sensor und einem Auslesechip-Modul, Tpx3Cam, aufgebaut ist. Es wird gezeigt, dass es hochintensive Phosphoreszenzsignale und stabile Lebensdauerwerte aus oberflächengefärbten Darmgewebeproben oder intraluminal gefärbten Fragmenten des Dickdarms erzeugt und die detaillierte Kartierung desO2-Spiegels im Gewebe in etwa 20 s oder weniger ermöglicht. Erste Experimente zur Bildgebung von Hypoxie in transplantierten Tumoren bei bewusstlosen Tieren werden ebenfalls vorgestellt. Wir beschreiben auch, wie der Imager für die Verwendungmit O2-empfindlichen Materialien auf Basis von Pt-Porphyrin-Farbstoffen neu konfiguriert werden kann, wobei eine 390-nm-LED für die Anregung und ein 650-nm-Bandpassfilter für die Emission verwendet werden. Insgesamt konnte festgestellt werden, dass der PLIM-Imager genaue quantitative Messungen der Lebensdauerwerte für die verwendeten Sonden und entsprechende zweidimensionale Karten derO2-Konzentration liefert. Es ist auch nützlich für die metabolische Bildgebung von Ex-vivo-Gewebemodellen und lebenden Tieren.

Für Ex-vivo-Bildgebungsanwendungen wurden Fragmente von Darmgewebe durch die topische Anwendung der NanO2-IR-Sonde auf der serosalen Seite des Gewebes gefärbt. Für eine tiefere Färbung wurde 1 μL der Sonde in das Lumen injiziert. In letzterem Fall schirmte die 0,2-0,25 mm dicke Darmwand die Sonde von der Kamera ab. Die beiden Färbeverfahren sind in Abbildung 2A dargestellt.
Die resultierenden Intensitäts- und PLIM-Bilder sind in <...

Watch this Scientific Journal Video about Fluorescence Lifetime Macro Imager for Biomedical Applications at JoVE.com

Fluorescence Lifetime Macro Imager for Biomedical Applications

Dieser Artikel beschreibt die Verwendung eines neuen, schnellen optischen Bildgebungsgeräts für die makroskopische Photolumineszenz-Lebensdauer-Bildgebung von Proben mit langem Zerfall. Die Integrations-, Bildaufnahme- und Analyseverfahren werden ebenso beschrieben wie die Präparation und Charakterisierung der Sensormaterialien für die Bildgebung und die Anwendung des Imagers bei der Untersuchung biologischer Proben.

Fluoreszenzlebensdauer-Makro-Imager für biomedizinische Anwendungen

This paper presents a new photoluminescence lifetime imager designed to map the molecular oxygen (O2) concentration in different phosphorescent samples ...

Unser Protokoll bietet eine detaillierte 2D-Kartierung der Phosphoreszenzlebensdauer und der Sauerstoffkonzentration in makroskopischen Objekten, insbesondere in lebendem tierischem Gewebe und ganzen Tieren, mit Hilfe spezieller Sonden und Sensormaterialien. Diese Informationen sind für viele Forschungsbereiche wichtig. Unser Protokoll verwendet ein integriertes und kompaktes Bildgebungsmodul, das im TCSPC-Modus arbeitet und eine einfache und genaue Visualisierung der Lebensdauer und Sauerstoffverteilung in komplexen biologischen Proben, wie z. B. lebendem Gewebe, ermöglicht.Nehmen Sie den Cricket-Adapter und inspizieren Sie ihn von verschiedenen Seiten. Entfernen Sie den vorderseitigen C-Mount-Adapter, um den Photonis PP0360EF-Verstärker im Cricket zu zeigen, und setzen Sie dann den C-Mount-Adapter wieder ein. Entfernen Sie den vorderseitigen C-Mount-Adapter des Cricket und setzen Sie den 650 plus/minus 50 Nanometer Emissionsfilter ein.Reparieren Sie es, indem Sie die C-Halterung wieder einsetzen. Verbinden Sie dann das TPX-Kameramodul mit drei Kameras über die Ringadapter mit der Rückseite des Cricket-Moduls. Verbinden Sie das Objektiv über den C-Mount-Adapter mit der Vorderseite des Cricket-Moduls.Schließen Sie die LED an eine Stromversorgung und einen Impulsgeber an. Montieren Sie nun die superhelle 390-Nanometer-LED an einem Pfosten, der an einem Steckbrett in der Blackbox befestigt ist. Schalten Sie die LED ein und fokussieren Sie sie, um eine effektive und gleichmäßige Anregung der abgebildeten Probe zu gewährleisten.Montieren Sie die Kamerabaugruppe oben auf der optischen Blackbox mit Blick nach unten in Richtung des Tisches, auf dem die Proben abgebildet werden sollen. Schließen Sie die Kamera und die LED an Zwei-Puls-Generatoren und ein Vierkanal-Oszilloskop an. Synchronisieren Sie mit den Einstellungen des Oszilloskops und der Impulsgeneratoren die an die Kamera gesendeten Impulse und die LED.Verwenden Sie das spezielle Kabel und die Buchse am Cricket-Gerät, um den Verstärker an ein Standardnetzteil anzuschließen, und stellen Sie die Verstärkung auf 2,7 Volt ein. Positionieren Sie die Probe vor dem Kameraobjektiv. Schalten Sie dann die Kamera und alle elektrischen Module mit Ausnahme des Verstärkers ein.Aktivieren Sie die SOFI-Software, um die Betriebsparameter wie Fokussierung und Probenausrichtung einzustellen. Stellen Sie in den Modulen die Bildbelichtung auf 0,01 Sekunden ein. Wählen Sie Unendliche Frames und stellen Sie den Pixelbetriebsmodus auf Zeit über Schwellenwert ein.Gehen Sie dann zur Vorschau und wählen Sie Aktives Modul, um das Medipix/Timepix-Rahmenfenster zu öffnen. Passen Sie im nächsten Schritt nach dem Start der Aufnahme die Farbskala an und drehen Sie das Bild in die gewünschte Ausrichtung. Schalten Sie danach das Licht im Raum aus und schalten Sie den Verstärker ein.Fokussieren Sie die Kameraoptik mit den Fokussierfunktionen des Objektivs und des Cricket-Adapters auf den Probentisch, um klare Bilder von Proben mit gutem Kontrast und guter Helligkeit zu erzeugen. Sobald der Fokus abgeschlossen ist, schließen Sie die SOFI-Software. Gehen Sie dann zum Terminal, führen Sie die Befehle der benutzerdefinierten Software aus, um die Rohdaten im Binärformat zu erfassen, und schließen Sie das Terminal.Öffnen Sie ein neues Terminal, um die erfassten Daten zu verarbeiten. Laden Sie die Datendatei und führen Sie den Datenreduzierer aus. Analysieren Sie die Nachbearbeitungsdaten mit einem speziellen Programm, das in der Programmiersprache C geschrieben ist und die Daten in eine ICS-Bilddatei schreibt.Öffnen Sie anschließend die ICS-Bilddateien mit der frei verfügbaren Software Time Resolved Imaging und verwenden Sie zwei Exponentialfunktionen, um die Phosphoreszenzzerfälle anzupassen. Öffnen Sie zum Schluss die Fitted. ICS-Bilddateien mit der verfügbaren Bildanalyse-Software.Generieren Sie Bilder mit Phosphoreszenzlebensdauer mithilfe von Lookup-Tabellen und kodieren Sie sie in einer Pseudofarbskala. Verwenden Sie die Funktion Messen, um die durchschnittlichen Lebensdauerwerte für das gesamte Bild oder die relevanten Bereiche zu berechnen. Phosphoreszenzintensität und Phosphoreszenzlebensdauer bildgebende Mikroskopiebilder des Platin-Octaethylporphyrin-Farbstoff-Sensorspots im sauerstoffhaltigen und sauerstoffarmen Zustand werden gezeigt.Stellen Sie sicher, dass der richtige Emissionsfilter im Cricket montiert ist und die richtige LED, Kabelverbindungen und Impulseinstellungen verwendet werden. Derzeit ist dieses Protokoll auf Tiermodelle beschränkt, kann aber potenziell zur Diagnose und Behandlung pathologischer Zustände im Zusammenhang mit Gewebehypoxie wie Krebs, Schlaganfall und Entzündungen angewendet werden.

Research

JoVE Journal

Biology

BioMEMS and Cellular Biology: Perspectives and Applications

BioMEMS and Cellular Biology: Perspektiven und Anwendungen

The ability to culture cells has revolutionized hypothesis testing in basic cell and molecular biology research. It has become a standard methodology in ...

Forschung

Biologie

Microfluidic Applications for Disposable Diagnostics

Mikrofluidik-Anwendungen für Einweg-Diagnostics

In this interview, Dr. Klapperich discusses the fabrication of thermoplastic microfluidic devices and their application for development of new ...

Automated System for Single Molecule Fluorescence Measurements of Surface-immobilized Biomolecules

Automated System für Single Molecule Fluorescence Messungen der Oberflächen-immobilisierten Biomoleküle

Fluorescence Resonance Energy Transfer (FRET) microscopy has been widely used to study the structure and dynamics of molecules of biological interest, ...

Time-lapse Imaging of Mitosis After siRNA Transfection

Zeitraffer-Imaging der Mitose Nach siRNA-Transfektion

Changes in cellular organization and chromosome dynamics that occur during mitosis are tightly coordinated to ensure accurate inheritance of genomic and ...

An ex-ovo Chicken Embryo Culture System Suitable for Imaging and Microsurgery Applications

An ex-ovo Chicken Embryo Culture System Suitable for Imaging and Microsurgery Applications

Ein Ex-ovo Chicken Embryo Culture-System Geeignet für Imaging und Mikrochirurgie Anwendungen

Understanding the relationships between genetic and microenvironmental factors that drive normal and malformed embryonic development is fundamental for ...

A Fluorescence Microscopy Assay for Monitoring Mitophagy in the Yeast Saccharomyces cerevisiae

A Fluorescence Microscopy Assay for Monitoring Mitophagy in the Yeast Saccharomyces cerevisiae

Eine Fluoreszenz-Mikroskopie Assay zur Überwachung Mitophagy in der Hefe Saccharomyces cerevisiae

Autophagy is important for turnover of cellular components under a range of different conditions. It serves an essential homeostatic function as well as a ...

Absolute Quantum Yield Measurement of Powder Samples

Absolute Quantenausbeute Messung von Pulverproben

Measurement of fluorescence quantum yield has become an important tool in the search for new solutions in the development, evaluation, quality control and ...

Infinium Assay for Large-scale SNP Genotyping Applications

Infinium-Assay für Groß SNP Genotypisierung Anwendungen

Genotyping variants in the human genome has proven to be an efficient method to identify genetic associations with phenotypes. The distribution of ...

Recovery of Adult Zebrafish Hearts for High-throughput Applications

Rückgewinnung von Adult Zebrafisch-Herzen für Hochdurchsatz-Anwendungen

Use of the zebrafish model system for studying development, regeneration, and disease is expanding toward use of adult hearts for cell dissociation and ...

Genetic Barcoding with Fluorescent Proteins for Multiplexed Applications

Genetische Barcoding mit Fluoreszierende Proteine ​​für Multiplex-Anwendungen

Fluorescent proteins, fluorescent dyes and fluorophores in general have revolutionized the field of molecular cell biology. In particular, the discovery ...