Imágenes de dispersión Raman estimuladas en dos colores en tiempo real del cerebro del ratón para el diagnóstico de tejidos

Summary

La microscopía de dispersión Raman estimulada (SRS) es una técnica de imagen potente, no destructiva y sin etiquetas. Una aplicación emergente es la histología Raman estimulada, donde las imágenes SRS de dos colores en las transiciones Raman de proteínas y lípidos se utilizan para generar imágenes de pseudo-hematoxilina y eosina. Aquí, demostramos un protocolo para imágenes SRS de dos colores en tiempo real para el diagnóstico de tejidos.

Abstract

La microscopía de dispersión Raman estimulada (SRS) se ha convertido en una poderosa técnica de imagen óptica para el diagnóstico de tejidos. En los últimos años, se ha demostrado que el SRS de dos colores puede proporcionar imágenes equivalentes a hematoxilina y eosina (H&E) que permiten un diagnóstico rápido y confiable del cáncer cerebral. Tal capacidad ha permitido emocionantes aplicaciones de diagnóstico de cáncer intraoperatorio. Las imágenes SRS de dos colores del tejido se pueden realizar con una fuente láser de picosegundos o femtosegundos. Los láseres de femtosegundo tienen la ventaja de permitir modos de imagen flexibles, incluidas imágenes hiperespectrales rápidas e imágenes SRS de dos colores en tiempo real. Un enfoque de enfoque espectral con pulsos láser chirriados se usa típicamente con láseres de femtosegundo para lograr una alta resolución espectral.

La adquisición de SRS de dos colores se puede realizar con modulación ortogonal y detección de bloqueo. La complejidad del canto de pulso, la modulación y la caracterización es un cuello de botella para la adopción generalizada de este método. Este artículo proporciona un protocolo detallado para demostrar la implementación y optimización de SRS de enfoque espectral e imágenes en tiempo real de dos colores del tejido cerebral de ratón en el modo epi. Este protocolo se puede utilizar para una amplia gama de aplicaciones de imágenes SRS que aprovechan la alta velocidad y la capacidad de imágenes espectroscópicas de SRS.

Introduction

El diagnóstico tisular tradicional se basa en protocolos de tinción seguidos de un examen bajo un microscopio óptico. Un método de tinción común utilizado por los patólogos es la tinción H&E: la hematoxilina tiñe los núcleos celulares de un azul violáceo, y la eosina tiñe la matriz extracelular y el citoplasma de rosa. Esta simple tinción sigue siendo el estándar de oro en patología para muchas tareas de diagnóstico de tejidos, particularmente el diagnóstico de cáncer. Sin embargo, la histopatología de H&E, particularmente la técnica de seccionamiento congelado utilizada en un entorno intraoperatorio, todavía tiene limitaciones. El procedimiento de tinción es un proceso laborioso que implica incrustación, seccionamiento, fijación y tinción^{de tejidos 1}. El tiempo de respuesta típico es de 20 minutos o más. Realizar H&E durante la sección congelada a veces puede ser más difícil cuando se procesan varias secciones a la vez debido a la necesidad de evaluar las características celulares o los patrones de crecimiento en 3D para la evaluación de márgenes. Además, las técnicas histológicas intraoperatorias requieren técnicos y clínicos calificados. La limitación en el número de patólogos certificados por la junta en muchos hospitales es una limitación para la consulta intraoperatoria en muchos casos. Tales limitaciones pueden aliviarse con los intereses de rápido desarrollo en patología digital y diagnóstico basado en inteligencia artificial². Sin embargo, los resultados de tinción de H&E son variables, dependiendo de la experiencia del técnico, lo que presenta desafíos adicionales para el diagnóstico por computadora².

Estos desafíos pueden abordarse potencialmente con técnicas de imágenes ópticas sin etiquetas. Una de esas técnicas es la microscopía SRS. SRS utiliza láseres pulsados sincronizados (bomba y Stokes) para excitar vibraciones moleculares con alta eficiencia³. Informes recientes han demostrado que las imágenes SRS de proteínas y lípidos pueden generar imágenes equivalentes a H&E (también conocidas como histología Raman estimulada o SRH) con tejido fresco intacto, lo que evita la necesidad de cualquier procesamiento tisular, acorta significativamente el tiempo necesario para el diagnóstico y se ha adaptado intraoperatoriamente⁴. Además, las imágenes SRS pueden proporcionar imágenes 3D, lo que ofrece información adicional para el diagnóstico cuando las imágenes 2D son insuficientes⁵. La SSR es imparcial y genera imágenes digitales que están fácilmente disponibles para el diagnóstico basado en computadora. Surge rápidamente como una posible solución para el diagnóstico intraoperatorio del cáncer y el análisis del margen tumoral, especialmente en el cáncer cerebral ^6,7,8. Más recientemente, también se ha sugerido que las imágenes SRS de los cambios químicos del tejido proporcionan información diagnóstica útil que puede ayudar aún más a los médicos a estratificar diferentes tipos de cáncer o etapas⁹.

A pesar de su tremendo potencial en aplicaciones de diagnóstico de tejidos, las imágenes SRS se limitan principalmente a laboratorios académicos especializados en óptica debido a la complejidad asociada con la plataforma de imágenes, que incluye láseres ultrarrápidos, el microscopio de escaneo láser y la sofisticada electrónica de detección. Este protocolo proporciona un flujo de trabajo detallado para demostrar el uso de una fuente láser de femtosegundo común para imágenes SRS de dos colores en tiempo real y la generación de imágenes pseudo-H&E a partir de tejido cerebral de ratón. El protocolo abarcará los siguientes procedimientos:

Optimización de alineación y chirrido
La mayoría de los esquemas de imágenes SRS utilizan láseres de picosegundos o femtosegundos como fuente de excitación. Con los láseres de femtosegundo, el ancho de banda del láser es mucho mayor que el ancho de línea Raman. Para superar esta limitación, se utiliza un enfoque de enfoque espectral para chirriar los láseres de femtosegundo a una escala de tiempo de picosegundos para lograr una resolución espectral estrecha¹⁰. La resolución espectral óptima solo se logra cuando el chirrido temporal (también conocido como dispersión de retardo de grupo o simplemente dispersión) se combina adecuadamente para la bomba y los láseres Stokes. El procedimiento de alineación y los pasos necesarios para optimizar la dispersión de los rayos láser utilizando varillas de vidrio altamente dispersivas se muestran aquí.

Calibración de frecuencia
Una ventaja del SRS de enfoque espectral es que la excitación Raman se puede ajustar rápidamente cambiando el retardo de tiempo entre la bomba y los láseres Stokes. Dicha sintonización ofrece imágenes rápidas y una adquisición espectral confiable en comparación con la sintonización de longitudes de onda láser. Sin embargo, la relación lineal entre la frecuencia de excitación y el retardo de tiempo requiere calibración externa. Los disolventes orgánicos con picos Raman conocidos se utilizan para calibrar la frecuencia Raman para el ENFOQUE espectral SRS.

Imágenes en tiempo real a dos colores
Es importante aumentar la velocidad de las imágenes en las aplicaciones de diagnóstico de tejidos para acortar el tiempo necesario para analizar muestras de tejido grande. Las imágenes simultáneas de SRS de dos colores de lípidos y proteínas evitan la necesidad de ajustar el láser o el retraso de tiempo, lo que aumenta la velocidad de imagen en más del doble. Esto se logra mediante el uso de una novedosa técnica de modulación ortogonal y demodulación de doble canal con un amplificador de bloqueo¹¹. Este artículo describe el protocolo para la modulación ortogonal y la adquisición de imágenes de doble canal.

Imágenes SRS en modo Epi
La mayoría de las imágenes SRS mostradas hasta la fecha se realizan en modo de transmisión. Las imágenes en modo epi detectan fotones retrodispersados del tejido¹². Para aplicaciones de patología, las muestras quirúrgicas pueden ser bastante grandes. Para las imágenes en modo de transmisión, a menudo es necesario seccionar el tejido, lo que indeseablemente requiere tiempo adicional. Por el contrario, las imágenes en modo epi pueden funcionar con muestras quirúrgicas intactas. Debido a que el mismo objetivo se utiliza para recoger la luz retrodispersada, tampoco hay necesidad de alinear un condensador de alta apertura numérica requerido para la transmisión de imágenes. El modo Epi también es la única opción cuando la sección de tejido es difícil, como con el hueso. Anteriormente hemos demostrado que para el tejido cerebral, las imágenes en modo epi ofrecen una calidad de imagen superior para el grosor del tejido > 2 mm¹³. Este protocolo utiliza un divisor de haz polarizador (PBS) para recolectar fotones dispersos despolarizados por el tejido. Es posible recolectar más fotones con un detector anular a expensas de la complejidad del conjunto de detectores^{personalizados 12}. El enfoque PBS es más simple de implementar (similar a la fluorescencia), con el fotodiodo estándar que ya se utiliza para la detección del modo de transmisión.

Generación de imágenes Pseudo-H&E
Una vez que se recopilan las imágenes SRS de dos colores, se pueden volver a colorear para simular la tinción de H&E. Este artículo demuestra el procedimiento para convertir imágenes SRS de lípidos y proteínas en imágenes SRS pseudo-H&E para aplicaciones de patología. El protocolo experimental detalla los pasos críticos necesarios para generar imágenes SRS de alta calidad. El procedimiento que se muestra aquí no solo es aplicable al diagnóstico de tejidos, sino que también se puede adaptar para muchas otras aplicaciones de imágenes srS hiperespectrales, como imágenes de medicamentos e imágenes metabólicas^14,15.

Requisitos generales del sistema
El sistema láser para este protocolo debe ser capaz de emitir 2 rayos láser de femtosegundo sincronizados. Los sistemas cuentan idealmente con un oscilador óptico paramétrico (OPO) para el ajuste de longitud de onda amplia de uno de los rayos láser. La configuración de este protocolo utiliza un sistema láser comercial Insight DS+ que emite dos láseres (un haz fijo a 1.040 nm y un haz sintonizable basado en OPO, que van desde 680 a 1.300 nm) con una tasa de repetición de 80 MHz. Los microscopios de barrido láser, ya sea de los principales fabricantes de microscopios o de fabricación casera, se pueden utilizar para imágenes SRS. El microscopio utilizado es un microscopio de barrido láser vertical construido sobre un marco de microscopio vertical comercial. Se utilizan un par de espejos galvo de 5 mm para escanear el rayo láser. Para los usuarios que elijan adoptar un microscopio de escaneo láser casero, consulte un protocolo publicado previamente para la construcción de un microscopio de escaneo láser¹⁶.

Protocol

Todos los procedimientos experimentales con animales se llevaron a cabo con cerebros de ratón de 200 μm, fijos y seccionados, de acuerdo con el protocolo (# 4395-01) aprobado por el Comité del Instituto de Cuidado y Uso animal (IACUC) de la Universidad de Washington. Los ratones de tipo salvaje (cepa C57BL/6J) son sacrificados con CO2. Luego, se realiza una craneotomía para extraer sus cerebros para la fijación en paraformaldehído al 4% en solución salina tamponada con fosfato. Los cerebros están incru…

Representative Results

Optimización de la resolución espectral:La dispersión a través de un material se ve afectada por el medio dispersivo (longitud y material) y la longitud de onda. Cambiar la longitud de la varilla de dispersión afecta la resolución espectral y el tamaño de la señal. Es una relación de toma y daca que se puede sopesar de manera diferente dependiendo de la aplicación. Las varillas estiran el pulso del haz de ser ancho en frecuencia y estrecho en el tiempo a ser estrecho en frecuencia y ancho e…

Discussion

El esquema de imágenes SRS de dos colores presentado en este protocolo depende de la implementación adecuada de imágenes SRS de un solo color. En las imágenes SRS de un solo color, los pasos críticos son la alineación espacial, la alineación temporal, la profundidad de modulación y el cambio de fase. La combinación espacial de los dos haces se logra mediante un espejo dicroico. Se utilizan varios espejos de dirección para un ajuste fino al enviar las vigas al espejo dicroico. Una vez que los haces se combinan c…

Materials

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