[論文レビュー] Multimodal microscopy for characterization of amyloid-${\unicode[Times]{x3B2}}$ plaques biomarkers in animal model of Alzheimer's disease

Renan Cunha, Lucas Lafetá+6 more|arXiv (Cornell University)|Feb 7, 2021

Spectroscopy Techniques in Biomedical and Chemical Research参考文献 56被引用数 21

ひとこと要約

本研究では、2光子励起自己蛍光（TPEA）、二次高調波生成（SHG）、自己発光ラマン散乱（SpRS）、コherentアンチストークスラマン散乱（CARS）、および刺激ラマン散乱（SRS）を組み合わせたラベルフリーのマルチモード顕微鏡法を、アルツハイマー病マウスモデルにおけるアミロイド-β（Aβ）プラークの特徴化に用いた。主な貢献は、Aβプラークコアにおける新しい高分解能SRSバイオマーカーとしてのフェニルアラニンおよびアミドBの同定であり、アミドBはプラークコアと明確に相関する空間的分布を示し、迅速なイメージングと診断応用への強い可能性を有する。

ABSTRACT

Given the long subclinical stage of Alzheimer's disease (AD), the study of biomarkers is relevant both for early diagnosis and the fundamental understanding of the pathophysiology of AD. Biomarkers provided by amyloid-${\unicode[Times]{x3B2}}$ (A${\unicode[Times]{x3B2}}$) plaques have led to an increasing interest in characterizing this hallmark of AD due to its promising potential. In this work, we characterize A${\unicode[Times]{x3B2}}$ plaques by label-free multimodal imaging: we combine two-photon excitation autofluorescence (TPEA), second harmonic generation (SHG), spontaneous Raman scattering (SpRS), coherent anti-Stokes Raman scattering (CARS), and stimulated Raman scattering (SRS) to describe and compare high-resolution images of A${\unicode[Times]{x3B2}}$ plaques in brain tissues of an AD mouse model. Comparing single-laser techniques images, we discuss the origin of the SHG, which can be used to locate the plaque core reliably. We study both the core and the halo with vibrational microscopy and compare SpRS and SRS microscopies for different frequencies. We also combine SpRS spectroscopy with SRS microscopy and present two core biomarkers unexplored with SRS microscopy: phenylalanine and amide B. We provide high-resolution SRS images with the spatial distribution of these biomarkers in the plaque and compared them with images of the amide I distribution. The obtained spatial correlation corroborates the feasibility of these biomarkers in the study of A${\unicode[Times]{x3B2}}$ plaques. Furthermore, since amide B enables rapid imaging, we discuss its potential as a novel fingerprint for diagnostic applications.

研究の動機と目的

• ラベルベースのイメージングの限界を克服するため、アルツハイマー病におけるAβプラークの高分解能特徴化を目的としたラベルフリーのマルチモード手法の開発。
• マルチモード光技術を用いて、Aβプラークのコア領域およびハロー領域における新たな内因性振動バイオマーカーの同定と検証。
• 既存のバイオマーカー（アミドI）と新たに同定されたバイオマーカー（フェニルアラニン、アミドB）の空間的分布を比較し、プラークの明確な輪郭化を実現。
• アミドBが診断応用のための迅速なイメージングフィンガープrintとしての可能性を評価。
• TPEF-ThioS染色を基準とする黄金標準と照らし合わせ、ラベルフリー手法の妥当性を検証。

提案手法

• アルツハイマー病マウスモデルの脳組織切片を用い、TPEA、SHG、SpRS、CARS、SRS顕微鏡法を統合して分析。
• TPEAおよびSHGには810 nmレーザーを、SpRSには532 nm連続波レーザーを、SRSおよびCARSには可変波長OPOベースのポンプおよびストークスビームを用いた。
• SpRSおよびSRSのさまざまな振動周波数におけるスペクトル解析と画像相関を実施し、バイオマーカーを同定。
• TPEAからのSHG寄与分を差し引いて自己蛍光信号を分離。
• すべてのラベルフリー画像を、プラーク局在の黄金標準としてのTPEF-ThioS染色と照合して検証。
• SRSの信号対ノイズ比を向上させるためにロックイン増幅および偏光変調を採用。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 AβプラークにおけるSHG信号の起源は何か？ また、プラークコアの局在に信頼性を持って利用可能か？
• RQ2 フェニルアラニンおよびアミドBの空間的分布は、AβプラークコアにおけるアミドIとどのように比較されるか？
• RQ3 SpRSおよびSRSは、異なる散乱幾何条件下でもAβプラークの同等の振動イメージを提供できるか？
• RQ4 ハロー領域における不飽和脂質の振動は、プラーク内の他の振動モードと相関を示すか？
• RQ5 アミドBは、診断応用のための迅速かつ高コントラストなバイオマーカーとして機能できるか？

主な発見

• SHG信号は、βシートを豊富に含むAβプラークコア由来であり、TPEF-ThioS染色と照合された結果、プラークコアの信頼性の高い局在を示した。
• SRS顕微鏡法においてこれまで未踏であったフェニルアラニンは、Aβプラークコアに強く空間的特異性を示し、アミドIと高い相関を示した。
• アミドB振動モードはプラークコアにおいて明確に特徴づけられる空間的分布を示し、高いラマン断面積のおかげで迅速なイメージングが可能となった。
• SRSおよびSpRS画像は、さまざまな振動周波数および散乱幾何条件下でもほぼ同一の一致を示し、技術の整合性が確認された。
• ハロー領域における不飽和脂質の振動は、他の脂質モードと強く空間的相関を示し、プラーク周囲環境のマルチモード的特徴化を裏付けた。
• アミドBとプラークコアとの空間的相関に加え、迅速なイメージング能力を併せ持つことから、アミドBは診断応用のための有望な新規フィンガープリントであると確立された。