Breakthrough sub-cellular 3D chemical composition research platform for live cells, based on the new invention of nanoscale - confocal photothermal IR micro-spectroscopy (n-CPIR)

基于纳米级新发明——共焦光热红外显微光谱（n-CPIR）的突破性活细胞亚细胞3D化学成分研究平台

• 批准号: 9466345
• 负责人: Ji-Xin Cheng
• 金额: $ 22.5万
• 依托单位: ANASYS INSTRUMENTS CORPORATION
• 依托单位国家: 美国
• 财政年份: 2017
• 资助国家: 美国
• 起止时间: 2017-09-30 至 2018-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://reporter.nih.gov/project-details/9466345
• 关键词: Ache; Amino Acids; Antineoplastic Agents; Biological; Biological Sciences; Boston; Brain; Cells; Characteristics; Chemicals; Cholesterol Esters; Complex; Detection; Development; Disease; Fatty Acids; Fingerprint; Genes; Genetic study; Goals; Image; Imagery; Label; Lasers; Legal patent; Letters; Lighting; Lipids; Lipoproteins; Liquid substance; Malignant Neoplasms; Malignant neoplasm of brain; Malignant neoplasm of prostate; Mammary gland; Maps; Measures; Metabolic; Metabolic Pathway; Metabolism; Microscope; Microscopy; Monitor; Morphologic artifacts; Optics; Organism; Performance; Population; Prognostic Factor; Prostate; Publishing; Raman Spectrum Analysis; Renal carcinoma; Research; Research Personnel; Resolution; Role; Sampling; Scanning Probe Microscopes; Signal Transduction; Small Business Technology Transfer Research; Spectrum Analysis; Speed; System; Techniques; Technology; Time; Tissues; Triglycerides; Universities; Warburg Effect; Water; Work; absorption; anticancer research; base; cancer cell; cancer imaging; commercialization; experimental study; imaging platform; improved; in vivo imaging; innovation; instrument; interest; invention; leukemia; lipid biosynthesis; lipid metabolism; live cell imaging; malignant breast neoplasm; malignant mouth neoplasm; nanoscale; neoplastic cell; nutrition; simulation; spectroscopic imaging; submicron; targeted treatment; therapy development; tool; vibration

Abstract This proposal will lead to a Breakthrough sub‐cellular 3D chemical composition research platform for live  cells, based on the new invention of sub‐micron  confocal photothermal IR micro‐spectroscopy (CPIR).   Label‐free sub‐micron chemical imaging and spectroscopy has long been sought for visualization of  biomolecules and materials in complex living systems. Many diseases first manifest themselves at the  cellular, or subcellular level. IR micro‐spectroscopy is a powerful technique but its use in life sciences in  general and cellular analysis in particular has been limited due to the following 2 key limitations:             a) Spatial resolution limited by diffraction to ~ 10 µm.                                                                                            b) Inability for in‐vivo imaging due to strong IR absorption by water.                                                               This proposal eliminates both of the above limitations and is based on a recently published patent‐ pending breakthroughby the PI, Prof. Ji‐Xin Cheng of Boston University and is licensed exclusively by  Anasys Instruments for commercialization. Prof. Cheng is one of the world's leading vibrational  spectroscopy researchers and is the co‐inventor of the CARS (Coherent Anti‐Stokes Raman Scattering)  microscope, which is a major innovation in the field of Raman Spectroscopy. Anasys pioneered the field  of AFM (Atomic force microscope) based photothermal nanoscale IR Spectroscopy where an AFM  probe detects the photothermal signal induced by IR absorption.   The goal of this proposal is to create a high speed confocal optical microscopy platform capable of 300  nm IR Spectroscopy in fluid.  This platform can be used in sub‐cellular chemical composition research of  live cells which has many applications in the life sciences.   The proposed CPIR platform is highly innovative because it would enable real‐time imaging of lipid  metabolites in single live tumor cells based on fingerprint IR bands. Compared to the widely studied  genetic aspect of cancer and the well‐known Warburg effect, appreciation of the role of lipids in cancer  development is still emerging. Aberrant expressions of lipogenic genes have been found in brain,  mammary, prostate and many other cancer. Even with these discoveries, lipid metabolism has not been  used as a prognostic factor for cancer aggressiveness due to lack of differential detection and  quantitation technology. Our proposal aims to fill this gap by quantifying the amount and composition of  lipid droplets, an important aspect of lipogenesis in tumor cells. Though we focus on lipid metabolites  here, our spectroscopic imaging platform is generally applicable to monitor the intracellular dynamics of  other metabolites, anti‐cancer drugs, and nutrition molecules such as fatty acids and amino acids, thus  having a far‐reaching impact on cancer research.

摘要 该提案将为活细胞的亚细胞3D化学成分研究平台带来突破性进展。 细胞，基于亚微米共焦光热红外显微光谱（CPIR）的新发明。 长期以来，人们一直在寻求无标记的亚微米化学成像和光谱学， 复杂生命系统中的生物分子和材料。许多疾病首先表现在 红外显微光谱是一种强大的技术，但它在生命科学中的应用， 由于以下两个关键限制，一般分析和细胞分析特别受到限制： a）空间分辨率受衍射限制为~ 10 µm。 B）由于水的强IR吸收，无法进行体内成像。 该提案消除了上述两种限制，并基于最近公布的专利。 波士顿大学的Ji-Xin Cheng教授正在等待PI的突破，并由 郑教授是世界领先的振动分析仪器制造商之一， 相干反斯托克斯拉曼散射（汽车）的共同发明者 这是拉曼光谱领域的一项重大创新。Anasys是该领域的先驱 基于AFM（原子力显微镜）的光热纳米级IR光谱，其中AFM 探针检测由红外吸收引起的光热信号。 本提案的目标是建立一个高速共焦光学显微镜平台，能够300 该平台可用于流体中的亚细胞化学成分研究， 活细胞在生命科学中有许多应用。 所提出的CPIR平台具有高度创新性，因为它可以实现脂质的真实的实时成像 基于指纹红外波段的单个活肿瘤细胞中的代谢物。与广泛研究的 癌症的遗传方面和众所周知的瓦尔堡效应，对脂质在癌症中的作用的评价 在脑中发现了脂肪生成基因的异常表达， 乳腺癌、前列腺癌和许多其他癌症。即使有了这些发现， 由于缺乏鉴别检测，用作癌症侵袭性的预后因素， 我们的建议旨在通过量化的数量和组成来填补这一空白， 脂滴是肿瘤细胞中脂肪生成的重要方面。虽然我们关注的是脂质代谢产物， 在这里，我们的光谱成像平台通常适用于监测细胞内动力学， 其他代谢物、抗癌药物和营养分子，如脂肪酸和氨基酸， 对癌症研究产生了深远的影响

项目成果

Bond-Selective Imaging of Cells by Mid-Infrared Photothermal Microscopy in High Wavenumber Region.

• DOI: 10.1021/acs.jpcb.7b09570
• 发表时间: 2017-11-09
• 期刊: The journal of physical chemistry. B
• 作者: Bai Y;Zhang D;Li C;Liu C;Cheng JX
• 通讯作者: Cheng JX