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)

摘要 该提案将带来突破性的亚细胞 3D 化学成分研究平台  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来可视化  复杂生命系统中的生物分子和材料。 许多疾病首先表现在  细胞或亚细胞水平。 红外显微光谱学是一种强大的技术，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尤其受到限制：             a) 空间分辨率受衍射限制为 ~ 10 µm。                                                                                            b) 由于水对红外线的强烈吸收而无法进行体内成像。                                                               该提案消除了上述两个限制，并且基于最近发布的专利- 正在等待 PI、波士顿大学 Ji-Xin Cheng 教授的突破，并由以下公司独家授权  Anasys 仪器的商业化。 程教授是世界领先的振动学家之一  光谱研究人员，是 CARS（相干反斯托克斯拉曼散射）的共同发明者  显微镜，这是拉曼光谱领域的一项重大创新。 Anasys 开创了该领域  基于 AFM（原子力显微镜）的光热纳米级红外光谱，其中 AFM  探头检测由红外吸收引起的光热信号。   该提案的目标是创建一个能够容纳 300 人的高速共焦光学显微镜平台  流体中的纳米红外光谱。  该平台可用于亚细胞化学成分研究  活细胞在生命科学中有许多应用。   拟议的 CPIR 平台具有高度创新性，因为它可以实现脂质的实时成像  基于指纹红外波段的单个活肿瘤细胞中的代谢物。 与广泛研究的相比  癌症的遗传因素和众所周知的瓦尔堡效应，了解脂质在癌症中的作用  发展仍在不断涌现。 在大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，脂质代谢仍未得到解决  由于缺乏差异检测而被用作癌症侵袭性的预后因素  定量技术。 我们的建议旨在通过量化以下物质的数量和成分来填补这一空白  脂滴，肿瘤细胞脂肪生成的一个重要方面。 尽管我们专注于脂质代谢物  在这里，我们的光谱成像平台通常适用于监测细胞内的动态  其他代谢物、抗癌药物和营养分子，例如脂肪酸和氨基酸，因此  对癌症研究产生深远的影响。

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.