Development of a multiparametric label-free imaging system for the early diagnosis of neurodegenerative disorders through the ocular cavity

Abstract

In this novel imaging system, we have combined three non-invasive and label free imaging techniques: Optoacoustic microscopy (OAM) , non-linear microscopy (NLM) and Stimulated Raman Scattering (SRS) microscopy . OAM exhibits resolution comparable to that of optical microscopy, but can penetrate deeper into high-scattering tissue. The increased possibilities stem from the fundamental scattering difference between light and sound, which constitute the signal for optical microscopy and OAM, respectively. NLM includes two photon excitation fluorescence (TPEF) and Second Harmonic Generation (SHG). OAM, TPEF, SHG and SRS are combined complementary and thus reveal a wide range of discrete and non-overlapping information. TPEF presents crisp contrast between bio-molecules that possess different excitation or emission spectra. SHG can provide information about biological structures such as lipid depositions while OAM pinpoints photon absorbing molecules with non-radiative relaxation. SRS imaging provides chemical information with high specificity allowing molecular pattern recognition inside tissues and their association with diseases and pathological conditions. Using these techniques, even sensitive and unreachable structures like the retina and the ocular cavity can be investigated with high resolution. The nerve fibers in the ocular cavity are essentially an extension of the central nervous system and since several neurodegenerative disorders present symptoms in the cavity, they could be diagnosed before the manifestation of conventional symptoms. The presence of possible bio-markers was investigated with TPEF, SHG and OAM in retina samples from mouse models of the Alzheimer's disease.

Σε αυτό το καινοτόμο σύστημα απεικόνισης, συνδυάσαμε τρεις μη επεμβατικές και χωρίς ιχνηθέτες τεχνικές απεικόνισης: οπτο-ακουστική μικροσκοπία (OAM) , μη γραμμική μικροσκοπία (NLM) και μικροσκοπία διεγερμένης σκέδασης Raman (SRS). Η OAM παρουσιάζει χωρική ανάλυση συγκρίσιμη με εκείνη της οπτικής μικροσκοπίας, αλλά μπορεί να διεισδύσει βαθύτερα σε ιστούς με υψηλή σκέδαση. Οι αυξημένες δυνατότητες απορρέουν από τη θεμελιώδη διαφορά σκέδασης μεταξύ του φωτός και του ήχου, που αποτελούν το σήμα για την οπτική μικροσκοπία και την OAM, αντίστοιχα. Το NLM περιλαμβάνει φθορισμό διέγερσης δύο φωτονίων (TPEF) και γένεση δεύτερη αρμονικής (SHG). Η OAM, η TPEF, η SHG και η SRS συνδυάζονται συμπληρωματικά και έτσι αποκαλύπτουν ένα ευρύ φάσμα διακριτών και μη επικαλυπτόμενων πληροφοριών. Η TPEF παρουσιάζει ευκρινή αντίθεση μεταξύ βιομορίων που διαθέτουν διαφορετικά φάσματα διέγερσης ή εκπομπής. Το SHG μπορεί να παρέχει πληροφορίες σχετικά με βιολογικές δομές, όπως εναποθέσεις λιπιδίων, ενώ το OAM εντοπίζει μόρια που απορροφούν φωτόνια με μη ακτινοβολούμενη χαλάρωση. Η απεικόνιση SRS παρέχει χημικές πληροφορίες με υψηλή εξειδίκευση, επιτρέποντας την αναγνώριση μοριακών προτύπων στο εσωτερικό των ιστών και τη συσχέτισή τους με ασθένειες και παθολογικές καταστάσεις. Χρησιμοποιώντας αυτές τις τεχνικές, μπορούν να διερευνηθούν με υψηλή ανάλυση ακόμη και ευαίσθητες και απρόσιτες δομές όπως ο αμφιβληστροειδής και η οφθαλμική κοιλότητα. Οι νευρικές ίνες στην οφθαλμική κοιλότητα αποτελούν ουσιαστικά προέκταση του κεντρικού νευρικού συστήματος και, δεδομένου ότι αρκετές νευροεκφυλιστικές διαταραχές παρουσιάζουν συμπτώματα στην κοιλότητα, θα μπορούσαν να διαγνωστούν πριν από την εκδήλωση συμβατικών συμπτωμάτων. Η παρουσία πιθανών βιοδεικτών διερευνήθηκε με TPEF, SHG και OAM σε δείγματα αμφιβληστροειδούς από μοντέλα ποντικών της νόσου του Alzheimer.