[论文解读] 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 21

一句话总结

本研究提出了一种无标记的多模态显微成像方法，结合双光子激发自发荧光（TPEA）、二次谐波生成（SHG）、自发拉曼散射（SpRS）、相干反斯托克斯拉曼散射（CARS）和受激拉曼散射（SRS），用于表征阿尔茨海默病小鼠模型中淀粉样蛋白-β（Aβ）斑块。其主要贡献在于识别出苯丙氨酸和酰胺B作为Aβ斑块核心的新型高分辨率SRS生物标志物，其中酰胺B因与斑块核心具有显著的空间相关性，展现出快速成像能力及强大的诊断应用潜力。

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.

研究动机与目标

• 为克服标记成像的局限性，开发一种无标记的多模态方法，以实现对阿尔茨海默病中Aβ斑块的高分辨率表征。
• 利用多模态光学技术，识别并验证Aβ斑块核心区和晕环区的新型内源性振动生物标志物。
• 比较已知（酰胺I）与新识别（苯丙氨酸、酰胺B）生物标志物的空间分布，以实现更精确的斑块边界划分。
• 评估酰胺B作为快速成像指纹在潜在诊断应用中的可行性。
• 将无标记技术与TPEF-ThioS染色这一斑块定位的金标准进行验证。

提出的方法

• 在阿尔茨海默病小鼠模型的脑组织切片上，联合使用TPEA、SHG、SpRS、CARS和SRS显微成像。
• 采用810 nm激光进行TPEA和SHG成像；使用532 nm连续波激光进行SpRS成像；采用可调谐OPO泵浦光束和斯托克斯光束实现SRS和CARS成像。
• 在不同振动频率下对SpRS与SRS图像进行光谱分析和图像相关性分析，以识别生物标志物。
• 从TPEA信号中减去SHG贡献，以分离自体荧光信号。
• 将所有无标记图像与TPEF-ThioS染色结果进行对比，作为斑块定位的金标准。
• 采用锁相放大和偏振调制技术以提高SRS信噪比。

实验结果

研究问题

• RQ1 Aβ斑块中的SHG信号源自何处？其是否能可靠地定位斑块核心？
• RQ2 苯丙氨酸和酰胺B在Aβ斑块核心中的空间分布与酰胺I相比如何？
• RQ3 SpRS与SRS在不同散射几何条件下是否能产生一致的Aβ斑块振动图像？
• RQ4 斑块晕环区的不饱和脂质振动是否与其他振动模式存在空间相关性？
• RQ5 酰胺B能否作为Aβ斑块成像的快速、高对比度生物标志物用于诊断应用？

主要发现

• SHG信号源自Aβ斑块中富含β-折叠结构的核心区域，其核心定位经TPEF-ThioS染色验证可靠。
• 苯丙氨酸作为SRS显微成像中此前未被探索的生物标志物，表现出对Aβ斑块核心的强烈空间特异性，且与酰胺I具有高度相关性。
• 酰胺B振动模式在斑块核心中表现出独特的空间分布，因其具有高的拉曼截面，可实现快速成像。
• SRS与SpRS图像在不同振动频率和散射几何条件下几乎完全一致，证实了该技术的一致性。
• 斑块晕环区的不饱和脂质振动与其它脂质模式表现出强烈的空间相关性，支持对斑块微环境的多模态表征。
• 酰胺B与斑块核心之间的空间相关性，结合其快速成像能力，确立了酰胺B作为潜在诊断应用中极具前景的新指纹标志物。