Nonlinear imaging of neural and cardiac biomolecules in tissues

Abstract

The need to understand fundamental biological mechanisms through the observation and extraction of information at the cellular and subcellular levels constitutes an interdisciplinary field of high research interest. Nonlinear optical microscopy is a minimally invasive, high-resolution imaging technique which, through specialized processing of the acquired signals, provides a reliable diagnostic tool for biomedical research. This doctoral dissertation focuses on the application of polarization-resolved nonlinear imaging, as well as conventional nonlinear imaging, which, through the use of appropriate post-processing and signal analysis methods, aim to address important biological questions. In particular, in polarization-resolved nonlinear imaging, the laser beam is raster-scanned across the sample using galvanometric mirrors, and images are formed through the simultaneous detection of endogenous nonlinear signals. Imaging is performed as the linear polarization of the excitation beam is rotated, with each image corresponding to a different polarization angle of the light. The resulting measurements are interpreted using an appropriate biophysical model, with the aim of detecting and subsequently mapping microscopic structural changes in tissues of high clinical relevance. In addition, in conventional nonlinear imaging, specialized post-processing and data analysis algorithms for nonlinear signals were developed, aiming at the in-depth characterization of biological samples. This doctoral dissertation advances nonlinear optical imaging methodologies with the goal of detecting and subsequently mapping microscopic structural changes in tissues of high clinical relevance. By moving beyond intensity-based imaging and incorporating polarization-resolved measurements, the proposed approach provides reliable quantitative metrics that can serve as biomarkers for early detection and monitoring of disease progression.

Η ανάγκη κατανόησης θεμελιωδών βιολογικών μηχανισμών μέσω της παρατήρησης και της εξαγωγής πληροφορίας σε κυτταρικό και υποκυτταρικό επίπεδο συνιστά ένα διεπιστημονικό πεδίο υψηλού ερευνητικού ενδιαφέροντος. Η μη γραμμική οπτική μικροσκοπία αποτελεί μια ελάχιστα επεμβατική τεχνική απεικόνισης υψηλής ανάλυσης, η οποία, μέσω εξειδικευμένης επεξεργασίας των καταγεγραμμένων σημάτων, παρέχει ένα αξιόπιστο διαγνωστικό εργαλείο για τη βιοϊατρική έρευνα. Η παρούσα διδακτορική διατριβή εστιάζει στην εφαρμογή της μη γραμμικής απεικόνισης εξαρτώμενης από την πόλωση του φωτός, καθώς και της συμβατικής μη γραμμικής απεικόνισης, οι οποίες, με τη χρήση κατάλληλων μεθόδων μετα-επεξεργασίας και ανάλυσης σήματος, στοχεύουν στην απάντηση σημαντικών βιολογικών ερωτημάτων. Ειδικότερα, στη μη γραμμική απεικόνιση εξαρτώμενη από την πόλωση του φωτός, η δέσμη λέιζερ σαρώνεται (raster-scan) πάνω στο δείγμα μέσω γαλβανομετρικών κατόπτρων και, με ταυτόχρονη ανίχνευση των ενδογενών μη γραμμικών σημάτων, σχηματίζονται εικόνες. Η απεικόνιση πραγματοποιείται καθώς η γραμμική πόλωση της διεγείρουσας δέσμης περιστρέφεται, με κάθε εικόνα να αντιστοιχεί σε διαφορετική γωνία πόλωσης του φωτός. Οι μετρήσεις που προκύπτουν ερμηνεύονται με κατάλληλο βιοφυσικό μοντέλο, με στόχο την ανίχνευση και, στη συνέχεια, τη χαρτογράφηση μικροσκοπικών δομικών μεταβολών σε ιστούς υψηλής κλινικής σημασίας. Επιπλέον, στη συμβατική μη γραμμική απεικόνιση αναπτύχθηκαν εξειδικευμένοι αλγόριθμοι μετα-επεξεργασίας και ανάλυσης δεδομένων μη γραμμικών σημάτων, με στόχο τον εις βάθος χαρακτηρισμό βιολογικών δειγμάτων. Αυτή η διδακτορική διατριβή προάγει τις μεθοδολογίες μη γραμμικής οπτικής απεικόνισης με στόχο την ανίχνευση και, στη συνέχεια, τη χαρτογράφηση μικροσκοπικών δομικών μεταβολών σε ιστούς με υψηλή κλινική σημασία. Υπερβαίνοντας την απεικόνιση που βασίζεται αποκλειστικά στην ένταση και ενσωματώνοντας μετρήσεις με ανάλυση πόλωσης, η προτεινόμενη προσέγγιση παρέχει αξιόπιστους ποσοτικούς δείκτες, οι οποίοι μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως βιοδείκτες για την έγκαιρη ανίχνευση και την παρακολούθηση της εξέλιξης ασθενειών.