Визуализирующая микроскопия с сохранением времени жизни флуоресценции - Fluorescence-lifetime imaging microscopy

«FLIM» перенаправляется сюда. Для использования в других целях см. Flim.

Визуализирующая микроскопия с сохранением времени жизни флуоресценции или FLIM представляет собой метод визуализации, основанный на различиях в скорости экспоненциального затухания флуорофор по образцу. Его можно использовать как метод визуализации в конфокальная микроскопия, микроскопия с двухфотонным возбуждением, и многофотонная томография.

В продолжительность жизни (FLT) флуорофора, а не его интенсивность, используется для создания изображения в FLIM. Время жизни флуоресценции зависит от локальной микросреды флуорофора, что исключает любые ошибочные измерения интенсивности флуоресценции из-за изменения яркости источника света, интенсивности фонового света или ограниченного фотообесцвечивания. Этот метод также имеет то преимущество, что сводит к минимуму эффект рассеяния фотонов в толстых слоях образца. Поскольку срок службы зависит от микросреды, измерения срока службы использовались в качестве индикатора pH,^[1] вязкость^[2] и концентрация химических веществ.^[3][4]

Время жизни флуоресценции

А флуорофор который возбужденный по фотон упадет до основное состояние с определенной вероятностью, основанной на скорости распада по ряду различных (радиационных и / или безызлучательных) путей распада. Чтобы наблюдать флуоресценцию, один из этих путей должен проходить по спонтанное излучение фотона. в ансамбль описание, излучаемая флуоресценция будет затухать со временем в соответствии с

${\displaystyle I(t)=I_{0}e^{-t/\tau }}$

где

${\displaystyle {\frac {1}{\tau }}=\sum k_{i}}$.

В приведенном выше описании ${\displaystyle t}$ время, ${\displaystyle \tau }$ - время жизни флуоресценции, ${\displaystyle I_{0}}$ - начальная флуоресценция при ${\displaystyle t=0}$, и ${\displaystyle k_{i}}$ - скорости для каждого пути распада, по крайней мере одна из которых должна быть скоростью затухания флуоресценции ${\displaystyle k_{f}}$. Что еще важнее, срок службы, ${\displaystyle \tau }$ не зависит от начальной интенсивности и испускаемого света. Это можно использовать для проведения измерений, не основанных на интенсивности, при химическом зондировании.^[5]

Измерение

Визуализация времени жизни флуоресценции дает изображения с интенсивностью каждого пикселя, определяемой ${\displaystyle \tau }$, что позволяет увидеть контраст между материалами с разной скоростью затухания флуоресценции (даже если эти материалы флуоресцируют на одной и той же длине волны), а также дает изображения, которые показывают изменения в других путях затухания, например, в FRET изображения.

Импульсное освещение

Время жизни флуоресценции можно определить во временной области с помощью импульсного источника. Когда популяция флуорофоров возбуждается ультракоротким или дельта светового импульса, флуоресценция с временным разрешением будет затухать экспоненциально, как описано выше. Однако, если возбуждающий импульс или реакция детектирования широкие, измеренная флуоресценция d (t) не будет чисто экспоненциальной. Инструментальная функция отклика IRF (t) будет свернутый или в сочетании с функцией распада F (t).

${\displaystyle {d}(t)={IRF}(t)\otimes {F}(t)}$

Инструментальный отклик источника, детектора и электроники можно измерить, обычно по рассеянному возбуждающему свету. Восстановление функции затухания (и соответствующих времен жизни) создает дополнительные проблемы, поскольку деление в частотной области имеет тенденцию производить высокий шум, когда знаменатель близок к нулю.

TCSPC

Коррелированный по времени счет одиночных фотонов (TCSPC ) обычно используется, поскольку он компенсирует вариации интенсивности источника и амплитуды однофотонных импульсов. Используя коммерческое оборудование TCSPC, можно записать кривую затухания флуоресценции с временным разрешением до 405 фс.^[6]Зарегистрированная гистограмма затухания флуоресценции подчиняется Статистика Пуассона что учитывается при определении степень соответствия во время примерки. В частности, TCSPC записывает время, в которое отдельные фотоны обнаруживаются быстрым однофотонным детектором (обычно фотоумножителем (ГУП ) или однофотонный лавинный фотодиод (SPAD)) относительно возбуждающего лазерного импульса. Записи повторяются для нескольких лазерных импульсов, и после достаточного количества записанных событий можно построить гистограмму количества событий по всем этим записанным временным точкам. Затем эту гистограмму можно подогнать к экспоненциальной функции, которая содержит интересующую экспоненциальную функцию уменьшения времени жизни, и, соответственно, можно извлечь параметр времени жизни. Многоканальные системы ФЭУ с 16^[7] до 64 элементов, в то время как недавно продемонстрированные системы CMOS с однофотонным лавинным диодом (SPAD) -TCSPC FLIM могут предложить еще большее количество каналов обнаружения и дополнительные недорогие опции.^[8]

Метод стробирования

В этом методе до сих пор используется импульсное возбуждение. Прежде чем импульс достигнет образца, часть света отражается дихроичным зеркалом и обнаруживается фотодиодом, который активирует генератор задержки, управляющий стробируемым оптическим усилителем (GOI), который находится перед детектором CCD. GOI позволяет обнаруживать только ту долю времени, когда он открыт после задержки. Таким образом, с помощью настраиваемого генератора задержки можно собирать излучение флуоресценции после нескольких времен задержки, охватывающих временной диапазон затухания флуоресценции образца.^[9][10] В последние годы на рынок вышли интегрированные усиленные ПЗС-камеры. Эти камеры состоят из усилителя изображения, ПЗС-матрицы и встроенного генератора задержки. Камеры ICCD с самым коротким временем стробирования до 200ps и шагом задержки 10ps позволяют использовать FLIM с субнаносекундным разрешением. В сочетании с эндоскопом этот метод используется для интраоперационной диагностики опухолей головного мозга.^[11]

Фазовая модуляция

Время жизни флуоресценции можно определить в частотной области с помощью метода фазовой модуляции. В этом методе используется источник света, который является импульсным или модулируемым на высокой частоте (до 500 МГц), такой как светодиод, диодный лазер или непрерывная волна источник в сочетании с электрооптическим модулятором или акустооптический модулятор. Флуоресценция (а) демодулируется и (б) сдвигается по фазе; обе величины связаны с характерными временами затухания флуорофора. Кроме того, y-компоненты для синусоидальных волн возбуждения и флуоресценции будут модулироваться, и время жизни может быть определено из коэффициента модуляции этих y-компонентов. Следовательно, 2 значения срока службы могут быть определены методом фазовой модуляции. Время жизни определяется с помощью процедур подбора этих экспериментальных параметров. Преимуществом FLIM на основе ФЭУ или камеры в частотной области является быстрое получение изображений в течение всего срока службы, что делает его пригодным для таких приложений, как исследование живых клеток.^[12]

Анализ

Цель алгоритма анализа состоит в том, чтобы извлечь чистую кривую распада из измеренного распада и оценить время жизни (а). Последнее обычно достигается путем подбора одно- или многоэкспоненциальных функций. Для решения этой проблемы было разработано множество методов. Наиболее широко используемый метод - это итеративная повторная свертка по методу наименьших квадратов, основанная на минимизации взвешенной суммы остатков. В этом методе теоретические кривые экспоненциального затухания свертываются с функцией отклика прибора, которая измеряется отдельно, и наилучшее соответствие находится путем итеративного вычисления остатков для различных входных данных до тех пор, пока не будет найден минимум. Для набора наблюдений ${\displaystyle d({{t}_{i}})}$ сигнала флуоресценции во временном интервале i оценка срока службы выполняется путем минимизации:

${\displaystyle {{\chi }^{2}}=\sum \limits _{i}{{\left[{{d}_{i}}({{t}_{i}})-{{d}_{0i}}({{t}_{i}},a,\tau )\right]}^{2}}}$

Помимо экспериментальных трудностей, включая функцию отклика прибора, зависящую от длины волны, математическая обработка итеративной задачи дек-свертки непроста, и это медленный процесс, который на заре FLIM сделал его непрактичным для попиксельного анализа. Неподходящие методы привлекательны, потому что они предлагают очень быстрое решение для оценки срока службы. Одним из основных и простых методов в этой категории является метод быстрого определения срока службы (RLD). RLD вычисляет времена жизни и их амплитуды напрямую, разделяя кривую затухания на две части равной ширины. ${\displaystyle \delta }$т. Анализ проводится путем интегрирования кривой спада через равные промежутки времени. ${\displaystyle \delta }$t:

${\displaystyle {\begin{matrix}{{D}_{0}}=\sum \limits _{i=1}^{K/2}{{{I}_{i}}\delta t}&{{D}_{1}}=\sum \limits _{i=K/2}^{K}{{{I}_{i}}\delta t}\\\end{matrix}}}$

Ii - записанный сигнал в i-м канале, K - количество каналов. Срок службы можно оценить с помощью:

${\displaystyle \tau =\delta t/\ln({{D}_{0}}/{{D}_{1}})}$

Для многоэкспоненциальных распадов это уравнение дает среднее время жизни. Этот метод может быть расширен для анализа биэкспоненциальных распадов. Одним из основных недостатков этого метода является то, что он не может учесть влияние отклика прибора, и по этой причине при анализе следует игнорировать раннюю часть измеренных кривых затухания. Это означает, что часть сигнала отбрасывается и точность оценки коротких времен жизни снижается.

Одна из интересных особенностей теоремы о свертке заключается в том, что интеграл от свертки является произведением факторов, составляющих интеграл. Есть несколько методов, которые работают в преобразованном пространстве, которые используют это свойство для восстановления чистой кривой затухания из измеренной кривой. Преобразование Лапласа и Фурье наряду с разложением Лагерра по Гауссу использовалось для оценки времени жизни в преобразованном пространстве. Эти подходы быстрее, чем методы, основанные на деконволюции, но страдают от проблем с усечением и выборкой. Более того, применение таких методов, как разложение Лагерра-Гаусса, математически сложно. В методах Фурье время жизни одной экспоненциальной кривой спада определяется как:

${\displaystyle \tau ={\frac {1}{n\omega }}{\frac {{A}_{n}}{{B}_{n}}}}$

Куда:

${\displaystyle {\begin{matrix}{{A}_{n}}={\frac {\sum \limits _{t}{d(t)\sin(n\omega t)}}{\sum \limits _{t}{IRF(t)\sin(n\omega t)}}}={\frac {\omega \tau }{1+{{\omega }^{2}}{{\tau }^{2}}}},&{{B}_{n}}={\frac {\sum \limits _{t}{d(t)\cos(n\omega t)}}{\sum \limits _{t}{IRF\cos(n\omega t)}}}={\frac {1}{1+n{{\omega }^{2}}{{\tau }^{2}}}},&\omega ={\frac {2\pi }{T}}\\\end{matrix}}}$

n - номер гармоники, а T - общий временной диапазон обнаружения.

Приложения

FLIM в первую очередь использовался в биологии как метод обнаружения фотосенсибилизаторов в клетках и опухолях, а также FRET в случаях, когда логометрическая визуализация трудно. Этот метод был разработан в конце 1980-х - начале 1990-х годов (метод Гейтинга: Bugiel et al. 1989. König 1989,^[13] Фазовая модуляция: Lakowicz et al. 1992,^[14][15]) до более широкого применения в конце 1990-х годов. В культуре клеток он был использован для изучения Рецептор EGF сигнализация^[16] и торговля людьми.^[17] Временная область FLIM (tdFLIM) также использовалась для демонстрации взаимодействия обоих типов ядерных белков промежуточных филаментов ламинов A и B1 в отдельных гомополимерах ядерной оболочки, которые в дальнейшем взаимодействуют друг с другом в структурах более высокого порядка.^[18] Визуализация FLIM особенно полезна в нейронах, где рассеяние света тканью мозга проблематично для логометрической визуализации.^[19] В нейронах визуализация FLIM с использованием импульсного освещения использовалась для изучения Рас,^[20] CaMKII, Rac, и Ран^[21] семейство белков. FLIM использовался в клинической многофотонной томографии для обнаружения внутрикожных раковых клеток, а также фармацевтических и косметических соединений.

Совсем недавно FLIM также использовался для обнаружения флаванолы в растительных клетках^[22]

FRET изображения

Поскольку время жизни флуоресценции флуорофора зависит как от радиационных (то есть флуоресценции), так и от безызлучательных (то есть тушения, FRET) процессов, передача энергии от молекулы донора к молекуле акцептора будет уменьшать время жизни донора. Таким образом, измерения FRET с использованием FLIM могут предоставить метод различения состояний / окружения флуорофора.^[23] В отличие от измерений FRET на основе интенсивности, измерения FRET на основе FLIM также нечувствительны к концентрации флуорофоров и, таким образом, могут отфильтровывать артефакты, вносимые изменениями концентрации и интенсивности излучения в образце.

Смотрите также

• Фазорный подход к времени жизни флуоресценции и спектральной визуализации

использованная литература

1. Накабаяси, Такакадзу; Ван, Хуэй-Пин; Киндзё, Масатака; Охта, Нобухиро (4 июня 2008 г.). «Применение изображения времени жизни флуоресценции усиленного зеленого флуоресцентного белка для измерения внутриклеточного pH». Фотохимические и фотобиологические науки. 7 (6): 668–670. Дои:10.1039 / B800391B. ISSN  1474-9092.
2. Левитт, Джеймс А .; Куимова, Марина К .; Яхиоглу, Гохан; Чунг, Пей-Хуа; Зулинг, Клаус; Филлипс, Дэвид (9 июля 2009 г.). «Связанные с мембраной молекулярные роторы измеряют вязкость в живых клетках с помощью флуоресцентной визуализации времени жизни». Журнал физической химии C. 113 (27): 11634–11642. Дои:10.1021 / jp9013493. HDL:10044/1/15590. ISSN  1932-7447.
3. Руэдас-Рама, Мария Дж .; Орте, Ангел; Холл, Элизабет А. Х .; Alvarez-Pez, Jose M .; Талавера, Ева М. (20 февраля 2012 г.). «Наносенсор хлорид-иона для флуориметрии с временным разрешением и визуализации времени жизни флуоресценции». Аналитик. 137 (6): 1500–1508. Дои:10.1039 / C2AN15851E. ISSN  1364-5528.
4. Агронская, Александра В .; Tertoolen, L .; Герритсен, Ханс К. (ноябрь 2004 г.). «Быстрая визуализация времени жизни флуоресценции кальция в живых клетках». Журнал биомедицинской оптики. 9 (6): 1230–1237. Дои:10.1117/1.1806472. ISSN  1083-3668.
5. Джозеф Р. Лакович. Принципы флуоресцентной спектроскопии 3-е издание. Springer (2006). ISBN  978-0387-31278-1.^{[страница нужна ]}
6. «SPC-150NX, Описание продукта». Беккер и Хикл. Becker & Hickl GmbH. 26 апреля 2017 г.. Получено 26 апреля, 2017.
7. «ПМЛ-16, Описание товара». Беккер и Хикл. Becker & Hickl GmbH. 26 апреля 2017 г.. Получено 26 апреля, 2017.
8. Ли, Дай-Уэй; Арльт, Йохен; Ричардсон, Джастин; Уокер, Ричард; Но, Алекс; Стоппа, Дэвид; Шарбон, Эдоардо; Хендерсон, Роберт (2010). «Система визуализации времени жизни флуоресценции в реальном времени с матрицей однофотонных лавинных диодов CMOS 32 × 32 0,13 мкм с низким счетом темноты». Оптика Экспресс. 18 (10): 10257–69. Bibcode:2010OExpr..1810257L. Дои:10.1364 / OE.18.010257. PMID  20588879.
9. Чанг, CW; Sud, D; Мычек, Массачусетс (2007). Визуализирующая микроскопия на протяжении жизни флуоресценции. Методы клеточной биологии. 81. стр.495–524. Дои:10.1016 / S0091-679X (06) 81024-1. ISBN  9780123740250. PMID  17519182.
10. Elson, D. S .; Манро, I; Requejo-Isidro, J; МакГинти, Дж; Дансби, К; Галлетлы, N; Марка, G Вт; Нил, МА А; Рычаг, М Дж; Kellett, PA; Даймоук-Брэдшоу, А; Hares, J; Французский, P M W (2004). «Визуализация времени жизни флуоресценции во временной области в реальном времени, включая однократное получение изображений с помощью сегментированного оптического усилителя изображения». Новый журнал физики. 6 (1): 180. Bibcode:2004NJPh .... 6..180E. Дои:10.1088/1367-2630/6/1/180.
11. Сунь, Инхуа; Хатами, Ниса; Да, Мэтью; Марку, Дженнифер; Elson, Daniel S .; Горин, Фредрик; Schrot, Rudolph J .; Фиппс, Лаура (2010). «Визуализирующая микроскопия на протяжении всей жизни флуоресценции для хирургии под контролем изображения опухоли головного мозга» (PDF). Журнал биомедицинской оптики. 15 (5): 056022–056022–5. Bibcode:2010JBO .... 15e6022S. Дои:10.1117/1.3486612. ЧВК  2966493. PMID  21054116.
12. Гаделла, T.W.J., редактор, методы FRET и FLIM. Эльзевир, 2009 г. https://books.google.com/books/about/FRET_and_FLIM_Techniques.html?id=uHvqu4hLhH8C&redir_esc=y^{[страница нужна ]}
13. Oida, T .; Sako, Y; Кусуми, А (1993). «Визуализирующая микроскопия на протяжении жизни флуоресценции (флимскопия). Разработка методологии и ее применение для изучения слияния эндосом в отдельных клетках». Биофизический журнал. 64 (3): 676–85. Bibcode:1993BpJ .... 64..676O. Дои:10.1016 / S0006-3495 (93) 81427-9. ЧВК  1262380. PMID  8471720.
14. Lakowicz, Joseph R .; Шмацински, Хенрик; Новачик, Казимеж; Берндт, Клаус В .; Джонсон, Майкл (1992). «Визуализация времени жизни флуоресценции». Аналитическая биохимия. 202 (2): 316–30. Дои:10.1016 / 0003-2697 (92) 90112-К. ЧВК  6986422. PMID  1519759.
15. Lakowicz, Joseph R .; Шмацински, H; Новачик, К; Джонсон, ML (1992). «Визуализация флуоресценции свободного и связанного с белком НАДН». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. 89 (4): 1271–5. Bibcode:1992ПНАС ... 89.1271Л. Дои:10.1073 / pnas.89.4.1271. ЧВК  48431. PMID  1741380.
16. Wouters, Fred S .; Bastiaens, Philippe I.H. (1999). «Визуализация времени жизни флуоресценции активности рецепторной тирозинкиназы в клетках». Текущая биология. 9 (19): 1127–30. Дои:10.1016 / S0960-9822 (99) 80484-9. PMID  10531012.
17. Verveer, Питер Дж .; Wouters, FS; Рейнольдс, АР; Bastiaens, PI (2000). «Количественная визуализация латерального распространения сигнала рецептора ErbB1 в плазменной мембране». Наука. 290 (5496): 1567–70. Bibcode:2000Sci ... 290.1567V. Дои:10.1126 / science.290.5496.1567. PMID  11090353.
18. Дельбарре, Эрван; Трамайер, Марк; Коппи-Мойзан, Майте; Гайяр, Клэр; Курвалин, Жан-Клод; Буэндиа, Бриджит (2006). «Усеченный преламин А при синдроме прогерии Хатчинсона-Гилфорда изменяет сегрегацию гомополимеров ламина А-типа и В-типа» (PDF). Молекулярная генетика человека. 15 (7): 1113–1122. Дои:10.1093 / hmg / ddl026. PMID  16481358.
19. Ясуда, Рёхей (2006). «Визуализация пространственно-временной динамики нейрональных сигналов с использованием флуоресцентного резонансного переноса энергии и микроскопии визуализации времени жизни флуоресценции». Текущее мнение в нейробиологии. 16 (5): 551–61. Дои:10.1016 / j.conb.2006.08.012. PMID  16971112.
20. Харви, Кристофер Д .; Yasuda, R; Чжун, Н; Свобода, К (2008). «Распространение активности Ras, вызванное активацией одного дендритного отростка». Наука. 321 (5885): 136–40. Bibcode:2008Sci ... 321..136H. Дои:10.1126 / science.1159675. ЧВК  2745709. PMID  18556515.
21. Калаб, Петр; Содерхольм, Джон (2010). «Разработка молекулярных сенсоров на основе Förster (флуоресценции) с резонансным переносом энергии (FRET) для Ran GTPase». Методы. 51 (2): 220–32. Дои:10.1016 / j.ymeth.2010.01.022. ЧВК  2884063. PMID  20096786.
22. Мюллер-Харви, Ирэн; Фейхт, Вальтер; Польстер, Юрген; Трнкова, Люси; Бургос, Пьер; Паркер, Энтони У .; Ботчуэй, Стэнли В. (2012). «Двухфотонное возбуждение с пикосекундной визуализацией времени жизни флуоресценции для обнаружения ядерной ассоциации флаванолов». Analytica Chimica Acta. 719: 68–75. Дои:10.1016 / j.aca.2011.12.068. PMID  22340533.
23. Беккер, Вольфганг; Бергманн, Аксель (2003). «Пожизненные методы визуализации для оптической микроскопии» (PDF). п. 4.

внешние ссылки

• Визуализация в возбужденном состоянии флуоресценции в течение всей жизни
• Инструменты анализа времени жизни и спектрального анализа в ImageJ: http://spechron.com
• Флуоресцентная микроскопия для визуализации на протяжении всей жизни
• Принцип TCSPC FLIM (Becker & Hickl GmbH)