Development of Imaging Mass Spectrometry Analysis of Lipids in Biological and Clinically Relevant Applications

La spectrométrie de masse mesure la masse des ions selon leur rapport masse sur charge. Cette technique est employée dans plusieurs domaines et peut analyser des mélanges complexes. L’imagerie par spectrométrie de masse (Imaging Mass Spectrometry en anglais, IMS), une branche de la spectrométrie de masse, permet l’analyse des ions sur une surface, tout en conservant l’organisation spatiale des ions détectés. Jusqu’à présent, les échantillons les plus étudiés en IMS sont des sections tissulaires végétales ou animales. Parmi les molécules couramment analysées par l’IMS, les lipides ont suscité beaucoup d'intérêt. Les lipides sont impliqués dans les maladies et le fonctionnement normal des cellules; ils forment la membrane cellulaire et ont plusieurs rôles, comme celui de réguler des événements cellulaires. Considérant l’implication des lipides dans la biologie et la capacité du MALDI IMS à les analyser, nous avons développé des stratégies analytiques pour la manipulation des échantillons et l’analyse de larges ensembles de données lipidiques. La dégradation des lipides est très importante dans l’industrie alimentaire. De la même façon, les lipides des sections tissulaires risquent de se dégrader. Leurs produits de dégradation peuvent donc introduire des artefacts dans l’analyse IMS ainsi que la perte d’espèces lipidiques pouvant nuire à la précision des mesures d’abondance. Puisque les lipides oxydés sont aussi des médiateurs importants dans le développement de plusieurs maladies, leur réelle préservation devient donc critique. Dans les études multi-institutionnelles où les échantillons sont souvent transportés d’un emplacement à l’autre, des protocoles adaptés et validés, et des mesures de dégradation sont nécessaires. Nos principaux résultats sont les suivants : un accroissement en fonction du temps des phospholipides oxydés et des lysophospholipides dans des conditions ambiantes, une diminution de la présence des lipides ayant des acides gras insaturés et un effet inhibitoire sur ses phénomènes de la conservation des sections au froid sous N2. A température et atmosphère ambiantes, les phospholipides sont oxydés sur une échelle de temps typique d’une préparation IMS normale (~30 minutes). Les phospholipides sont aussi décomposés en lysophospholipides sur une échelle de temps de plusieurs jours. La validation d’une méthode de manipulation d’échantillon est d’autant plus importante lorsqu’il s’agit d’analyser un plus grand nombre d’échantillons. L’athérosclérose est une maladie cardiovasculaire induite par l’accumulation de matériel cellulaire sur la paroi artérielle. Puisque l’athérosclérose est un phénomène en trois dimension (3D), l'IMS 3D en série devient donc utile, d'une part, car elle a la capacité à localiser les molécules sur la longueur totale d’une plaque athéromateuse et, d'autre part, car elle peut identifier des mécanismes moléculaires du développement ou de la rupture des plaques. l'IMS 3D en série fait face à certains défis spécifiques, dont beaucoup se rapportent simplement à la reconstruction en 3D et à l’interprétation de la reconstruction moléculaire en temps réel. En tenant compte de ces objectifs et en utilisant l’IMS des lipides pour l’étude des plaques d’athérosclérose d’une carotide humaine et d’un modèle murin d’athérosclérose, nous avons élaboré des méthodes «open-source» pour la reconstruction des données de l’IMS en 3D. Notre méthodologie fournit un moyen d’obtenir des visualisations de haute qualité et démontre une stratégie pour l’interprétation rapide des données de l’IMS 3D par la segmentation multivariée. L’analyse d’aortes d’un modèle murin a été le point de départ pour le développement des méthodes car ce sont des échantillons mieux contrôlés. En corrélant les données acquises en mode d’ionisation positive et négative, l’IMS en 3D a permis de démontrer une accumulation des phospholipides dans les sinus aortiques. De plus, l’IMS par AgLDI a mis en évidence une localisation différentielle des acides gras libres, du cholestérol, des esters du cholestérol et des triglycérides. La segmentation multivariée des signaux lipidiques suite à l’analyse par IMS d’une carotide humaine démontre une histologie moléculaire corrélée avec le degré de sténose de l’artère. Ces recherches aident à mieux comprendre la complexité biologique de l’athérosclérose et peuvent possiblement prédire le développement de certains cas cliniques. La métastase au foie du cancer colorectal (Colorectal cancer liver metastasis en anglais, CRCLM) est la maladie métastatique du cancer colorectal primaire, un des cancers le plus fréquent au monde. L’évaluation et le pronostic des tumeurs CRCLM sont effectués avec l’histopathologie avec une marge d’erreur. Nous avons utilisé l’IMS des lipides pour identifier les compartiments histologiques du CRCLM et extraire leurs signatures lipidiques. En exploitant ces signatures moléculaires, nous avons pu déterminer un score histopathologique quantitatif et objectif et qui corrèle avec le pronostic. De plus, par la dissection des signatures lipidiques, nous avons identifié des espèces lipidiques individuelles qui sont discriminants des différentes histologies du CRCLM et qui peuvent potentiellement être utilisées comme des biomarqueurs pour la détermination de la réponse à la thérapie. Plus spécifiquement, nous avons trouvé une série de plasmalogènes et sphingolipides qui permettent de distinguer deux différents types de nécrose (infarct-like necrosis et usual necrosis en anglais, ILN et UN, respectivement). L’ILN est associé avec la réponse aux traitements chimiothérapiques, alors que l’UN est associé au fonctionnement normal de la tumeur.

A new technique to automatically quantify microstructures of fine grained carbonate mylonites: two-step etching combined with SEM imaging and image analysis

A two-step etching technique for fine-grained calcite mylonites using 0.37% hydrochloric and 0.1% acetic acid produces a topographic relief which reflects the grain boundary geometry. With this technique, calcite grain boundaries become more intensely dissolved than their grain interiors but second phase minerals like dolomite, quartz, feldspars, apatite, hematite and pyrite are not affected by the acid and therefore form topographic peaks. Based on digital backscatter electron images and element distribution maps acquired on a scanning electron microscope, the geometry of calcite and the second phase minerals can be automatically quantified using image analysis software. For research on fine-grained carbonate rocks (e.g. dolomite calcite mixtures), this low-cost approach is an attractive alternative to the generation of manual grain boundary maps based on photographs from ultra-thin sections or orientation contrast images.

Development of Imaging Mass Spectrometry Analysis of Lipids in Biological and Clinically Relevant Applications

La spectrométrie de masse mesure la masse des ions selon leur rapport masse sur charge. Cette technique est employée dans plusieurs domaines et peut analyser des mélanges complexes. L’imagerie par spectrométrie de masse (Imaging Mass Spectrometry en anglais, IMS), une branche de la spectrométrie de masse, permet l’analyse des ions sur une surface, tout en conservant l’organisation spatiale des ions détectés. Jusqu’à présent, les échantillons les plus étudiés en IMS sont des sections tissulaires végétales ou animales. Parmi les molécules couramment analysées par l’IMS, les lipides ont suscité beaucoup d'intérêt. Les lipides sont impliqués dans les maladies et le fonctionnement normal des cellules; ils forment la membrane cellulaire et ont plusieurs rôles, comme celui de réguler des événements cellulaires. Considérant l’implication des lipides dans la biologie et la capacité du MALDI IMS à les analyser, nous avons développé des stratégies analytiques pour la manipulation des échantillons et l’analyse de larges ensembles de données lipidiques. La dégradation des lipides est très importante dans l’industrie alimentaire. De la même façon, les lipides des sections tissulaires risquent de se dégrader. Leurs produits de dégradation peuvent donc introduire des artefacts dans l’analyse IMS ainsi que la perte d’espèces lipidiques pouvant nuire à la précision des mesures d’abondance. Puisque les lipides oxydés sont aussi des médiateurs importants dans le développement de plusieurs maladies, leur réelle préservation devient donc critique. Dans les études multi-institutionnelles où les échantillons sont souvent transportés d’un emplacement à l’autre, des protocoles adaptés et validés, et des mesures de dégradation sont nécessaires. Nos principaux résultats sont les suivants : un accroissement en fonction du temps des phospholipides oxydés et des lysophospholipides dans des conditions ambiantes, une diminution de la présence des lipides ayant des acides gras insaturés et un effet inhibitoire sur ses phénomènes de la conservation des sections au froid sous N2. A température et atmosphère ambiantes, les phospholipides sont oxydés sur une échelle de temps typique d’une préparation IMS normale (~30 minutes). Les phospholipides sont aussi décomposés en lysophospholipides sur une échelle de temps de plusieurs jours. La validation d’une méthode de manipulation d’échantillon est d’autant plus importante lorsqu’il s’agit d’analyser un plus grand nombre d’échantillons. L’athérosclérose est une maladie cardiovasculaire induite par l’accumulation de matériel cellulaire sur la paroi artérielle. Puisque l’athérosclérose est un phénomène en trois dimension (3D), l'IMS 3D en série devient donc utile, d'une part, car elle a la capacité à localiser les molécules sur la longueur totale d’une plaque athéromateuse et, d'autre part, car elle peut identifier des mécanismes moléculaires du développement ou de la rupture des plaques. l'IMS 3D en série fait face à certains défis spécifiques, dont beaucoup se rapportent simplement à la reconstruction en 3D et à l’interprétation de la reconstruction moléculaire en temps réel. En tenant compte de ces objectifs et en utilisant l’IMS des lipides pour l’étude des plaques d’athérosclérose d’une carotide humaine et d’un modèle murin d’athérosclérose, nous avons élaboré des méthodes «open-source» pour la reconstruction des données de l’IMS en 3D. Notre méthodologie fournit un moyen d’obtenir des visualisations de haute qualité et démontre une stratégie pour l’interprétation rapide des données de l’IMS 3D par la segmentation multivariée. L’analyse d’aortes d’un modèle murin a été le point de départ pour le développement des méthodes car ce sont des échantillons mieux contrôlés. En corrélant les données acquises en mode d’ionisation positive et négative, l’IMS en 3D a permis de démontrer une accumulation des phospholipides dans les sinus aortiques. De plus, l’IMS par AgLDI a mis en évidence une localisation différentielle des acides gras libres, du cholestérol, des esters du cholestérol et des triglycérides. La segmentation multivariée des signaux lipidiques suite à l’analyse par IMS d’une carotide humaine démontre une histologie moléculaire corrélée avec le degré de sténose de l’artère. Ces recherches aident à mieux comprendre la complexité biologique de l’athérosclérose et peuvent possiblement prédire le développement de certains cas cliniques. La métastase au foie du cancer colorectal (Colorectal cancer liver metastasis en anglais, CRCLM) est la maladie métastatique du cancer colorectal primaire, un des cancers le plus fréquent au monde. L’évaluation et le pronostic des tumeurs CRCLM sont effectués avec l’histopathologie avec une marge d’erreur. Nous avons utilisé l’IMS des lipides pour identifier les compartiments histologiques du CRCLM et extraire leurs signatures lipidiques. En exploitant ces signatures moléculaires, nous avons pu déterminer un score histopathologique quantitatif et objectif et qui corrèle avec le pronostic. De plus, par la dissection des signatures lipidiques, nous avons identifié des espèces lipidiques individuelles qui sont discriminants des différentes histologies du CRCLM et qui peuvent potentiellement être utilisées comme des biomarqueurs pour la détermination de la réponse à la thérapie. Plus spécifiquement, nous avons trouvé une série de plasmalogènes et sphingolipides qui permettent de distinguer deux différents types de nécrose (infarct-like necrosis et usual necrosis en anglais, ILN et UN, respectivement). L’ILN est associé avec la réponse aux traitements chimiothérapiques, alors que l’UN est associé au fonctionnement normal de la tumeur.

New bodipy dyads for two-photons fluorescence imaging in cells

Fluorescent probes are essential tools for studying biological systems. The last decade has witnessed particular interest in the development of two-photon excitable probes, due to their advantageous features in tissue imaging compared to the corresponding one-photon probes [1]. Recently, we have designed and synthetized an aminonaphthalimide–BODIPY derivative as energy transfer cassettes and were found to show very fast and efficient BODIPY fluorescence sensitization [2]. This was observed upon one- and two-photon excitation, which extends the application range of the investigated bichromophoric dyads in terms of accessible excitation wavelengths. In order to increase the two-photon absorption of the system aminonaphthalimide fluorophore was replace with a Prodan analog (BODIPY dyad 1), which presents found a variety of applications as probes and labels in biology [3]. The two-photon absorption cross-section  of the dyads is significantly incremented by the presence of the 6-acetyl-2-naphthylamine donor group. The emission maximum of a BODIPY fluorophore can significantly be red-shifted in comparison to their precursors by conjugation with aromatic aldehydes. [4] We use a synthetic strategy to obtain BODIPY dyad 2 that incorporates an imidazole ring. This molecule can be used in biological media as a near-neutral pH indicator based on one- and two-photon excitable BODIPY acceptor.

Remodeling of purinergic receptor-mediated Ca 2+ signaling as a consequence of EGF-induced epithelial-mesenchymal transition in breast cancer cells

Background The microenvironment plays a pivotal role in tumor cell proliferation, survival and migration. Invasive cancer cells face a new set of environmental challenges as they breach the basement membrane and colonize distant organs during the process of metastasis. Phenotypic switching, such as that which occurs during epithelial-mesenchymal transition (EMT), may be associated with a remodeling of cell surface receptors and thus altered responses to signals from the tumor microenvironment. Methodology/Principal Findings We assessed changes in intracellular Ca 2+ in cells loaded with Fluo-4 AM using a fluorometric imaging plate reader (FLIPR TETRA) and observed significant changes in the potency of ATP (EC 50 0.175 μM (-EGF) versus 1.731 μM (+EGF), P<0.05), and the nature of the ATP-induced Ca 2+ transient, corresponding with a 10-fold increase in the mesenchymal marker vimentin (P<0.05). We observed no change in the sensitivity to PAR2-mediated Ca 2+ signaling, indicating that these alterations are not simply a consequence of changes in global Ca 2+ homeostasis. To determine whether changes in ATP-mediated Ca 2+ signaling are preceded by alterations in the transcriptional profile of purinergic receptors, we analyzed the expression of a panel of P2X ionotropic and P2Y metabotropic purinergic receptors using real-time RT-PCR and found significant and specific alterations in the suite of ATP-activated purinergic receptors during EGF-induced EMT in breast cancer cells. Our studies are the first to show that P2X 5 ionotropic receptors are enriched in the mesenchymal phenotype and that silencing of P2X 5 leads to a significant reduction (25%, P<0.05) in EGF-induced vimentin protein expression. Conclusions The acquisition of a new suite of cell surface purinergic receptors is a feature of EGF-mediated EMT in MDA-MB-468 breast cancer cells. Such changes may impart advantageous phenotypic traits and represent a novel mechanism for the targeting of cancer metastasis.

Stimuli-responsive colorimetric and NIR fluorescence combination probe for selective reporting of cellular hydrogen peroxide

Hydrogen peroxide (H2O2) is a key reactive oxygen species and a messenger in cellular signal transduction apart from playing a vital role in many biological processes in living organisms. In this article, we present phenyl boronic acid-functionalized quinone-cyanine (QCy-BA) in combination with AT-rich DNA (exogenous or endogenous cellular DNA), i.e., QCy-BA subset of DNA as a stimuli-responsive NIR fluorescence probe for measuring in vitro levels of H2O2. In response to cellular H2O2 stimulus, QCy-BA converts into QCy-DT, a one-donor-two-acceptor (D2A) system that exhibits switch-on NIR fluorescence upon binding to the DNA minor groove. Fluorescence studies on the combination probe QCy-BA subset of DNA showed strong NIR fluorescence selectively in the presence of H2O2. Furthermore, glucose oxidase (GOx) assay confirmed the high efficiency of the combination probe QCy-BA subset of DNA for probing H2O2 generated in situ through GOx-mediated glucose oxidation. Quantitative analysis through fluorescence plate reader, flow cytometry and live imaging approaches showed that QCy-BA is a promising probe to detect the normal as well as elevated levels of H2O2 produced by EGF/Nox pathways and post-genotoxic stress in both primary and senescent cells. Overall, QCy-BA, in combination with exogenous or cellular DNA, is a versatile probe to quantify and image H2O2 in normal and disease-associated cells.

Bright-field and fluorescence chip-scale microscopy for biological imaging

Optical microscopy is an essential tool in biological science and one of the gold standards for medical examinations. Miniaturization of microscopes can be a crucial stepping stone towards realizing compact, cost-effective and portable platforms for biomedical research and healthcare. This thesis reports on implementations of bright-field and fluorescence chip-scale microscopes for a variety of biological imaging applications. The term “chip-scale microscopy” refers to lensless imaging techniques realized in the form of mass-producible semiconductor devices, which transforms the fundamental design of optical microscopes.

Our strategy for chip-scale microscopy involves utilization of low-cost Complementary metal Oxide Semiconductor (CMOS) image sensors, computational image processing and micro-fabricated structural components. First, the sub-pixel resolving optofluidic microscope (SROFM), will be presented, which combines microfluidics and pixel super-resolution image reconstruction to perform high-throughput imaging of fluidic samples, such as blood cells. We discuss design parameters and construction of the device, as well as the resulting images and the resolution of the device, which was 0.66 µm at the highest acuity. The potential applications of SROFM for clinical diagnosis of malaria in the resource-limited settings is discussed.

Next, the implementations of ePetri, a self-imaging Petri dish platform with microscopy resolution, are presented. Here, we simply place the sample of interest on the surface of the image sensor and capture the direct shadow images under the illumination. By taking advantage of the inherent motion of the microorganisms, we achieve high resolution (~1 µm) imaging and long term culture of motile microorganisms over ultra large field-of-view (5.7 mm × 4.4 mm) in a specialized ePetri platform. We apply the pixel super-resolution reconstruction to a set of low-resolution shadow images of the microorganisms as they move across the sensing area of an image sensor chip and render an improved resolution image. We perform longitudinal study of Euglena gracilis cultured in an ePetri platform and image based analysis on the motion and morphology of the cells. The ePetri device for imaging non-motile cells are also demonstrated, by using the sweeping illumination of a light emitting diode (LED) matrix for pixel super-resolution reconstruction of sub-pixel shifted shadow images. Using this prototype device, we demonstrate the detection of waterborne parasites for the effective diagnosis of enteric parasite infection in resource-limited settings.

Then, we demonstrate the adaptation of a smartphone’s camera to function as a compact lensless microscope, which uses ambient illumination as its light source and does not require the incorporation of a dedicated light source. The method is also based on the image reconstruction with sweeping illumination technique, where the sequence of images are captured while the user is manually tilting the device around any ambient light source, such as the sun or a lamp. Image acquisition and reconstruction is performed on the device using a custom-built android application, constructing a stand-alone imaging device for field applications. We discuss the construction of the device using a commercial smartphone and demonstrate the imaging capabilities of our system.

Finally, we report on the implementation of fluorescence chip-scale microscope, based on a silo-filter structure fabricated on the pixel array of a CMOS image sensor. The extruded pixel design with metal walls between neighboring pixels successfully guides fluorescence emission through the thick absorptive filter to the photodiode layer of a pixel. Our silo-filter CMOS image sensor prototype achieves 13-µm resolution for fluorescence imaging over a wide field-of-view (4.8 mm × 4.4 mm). Here, we demonstrate bright-field and fluorescence longitudinal imaging of living cells in a compact, low-cost configuration.

MPGDs based radiation imaging devices and applications

Este trabalho descreve o desenvolvimento e aplicação de sistemas baseados em detetores gasosos microestruturados, para imagiologia de fluorescência de raios-X por dispersão em energia (EDXRF). A técnica de imagiologia por fluorescência de raios-X assume-se como uma técnica poderosa, não-destrutiva, em análises da distribuição espacial de elementos em materiais. Os sistemas para imagiologia de EDXRF desenvolvidos são constituídos por: um tubo de raios-X, usado para excitar os elementos da amostra; um detetor gasoso microestruturado; e uma lente pinhole que foca a radiação de fluorescência no plano do detetor formando assim a imagem e permitindo a sua ampliação. Por outro lado é estudada a influência do diâmetro da abertura do pinhole bem como do fator de ampliação obtido para a imagem, na resolução em posição do sistema. Foram usados dois conceitos diferentes de detetores gasosos microestruturados. O primeiro, baseado na microestrutura designada por 2D-Micro-Hole & Strip Plate (2D-MHSP) com uma área ativa de 3 3 cm2, enquanto que o segundo, baseado na estrutura 2D-Thick-COBRA (2D-THCOBRA) apresenta uma área ativa de deteção de 10 10 cm2. Estes detetores de raios-X de baixo custo têm a particularidade de funcionar em regime de fotão único permitindo a determinação da energia e posição de interação de cada fotão que chega ao detetor. Deste modo permitem detetar a energia dos fotões X de fluorescência, bem como obter imagens 2D da distribuição desses fotões X para o intervalo de energias desejado. São por isso adequados a aplicações de imagiologia de EDXRF. Os detetores desenvolvidos mostraram resoluções em energia de 17% e 22% para fotões incidentes com uma energia de 5.9 keV, respectivamente para o detetor 2D-MHSP e 2D-THCOBRA e resoluções em posição adequadas para um vasto número de aplicações. Ao longo deste trabalho é detalhado o desenvolvimento, o estudo das características e do desempenho de cada um dos detetores, e sua influência na performance final de cada sistema proposto. Numa fase mais avançada apresentam-se os resultados correspondentes à aplicação dos dois sistemas a diversas amostras, incluindo algumas do nosso património cultural e também uma amostra biológica.

Use of fluorescence lifetime imaging microscopy (FLIM) as a timer of cell cycle S phase

Incorporation of thymidine analogues in replicating DNA, coupled with antibody and fluorophore staining, allows analysis of cell proliferation, but is currently limited to monolayer cultures, fixed cells and end-point assays. We describe a simple microscopy imaging method for live real-time analysis of cell proliferation, S phase progression over several division cycles, effects of anti-proliferative drugs and other applications. It is based on the prominent (~ 1.7-fold) quenching of fluorescence lifetime of a common cell-permeable nuclear stain, Hoechst 33342 upon the incorporation of 5-bromo-2’-deoxyuridine (BrdU) in genomic DNA and detection by fluorescence lifetime imaging microscopy (FLIM). We show that quantitative and accurate FLIM technique allows high-content, multi-parametric dynamic analyses, far superior to the intensity-based imaging. We demonstrate its uses with monolayer cell cultures, complex 3D tissue models of tumor cell spheroids and intestinal organoids, and in physiological study with metformin treatment.

Identifying vulnerable carotid plaques in vivo using high resolution magnetic resonance imaging-based finite element analysis

Object. Individuals with carotid atherosclerosis develop symptoms following rupture of vulnerable plaques. Biomechanical stresses within this plaque may increase vulnerability to rupture. In this report the authors describe the use of in vivo carotid plaque imaging and computational mechanics to document the magnitude and distribution of intrinsic plaque stresses. Methods. Ten (five symptomatic and five asymptomatic) individuals underwent plaque characterization magnetic resonance (MR) imaging. Plaque geometry and composition were determined by multisequence review. Intrinsic plaque stress profiles were generated from 3D meshes by using finite element computational analysis. Differences in principal (shear) stress between normal and diseased sections of the carotid artery and between symptomatic and asymptomatic plaques were noted. Results. There was a significant difference in peak principal stress between diseased and nondiseased segments of the artery (mean difference 537.65 kPa, p < 0.05). Symptomatic plaques had higher mean stresses than asymptomatic plaques (627.6 kPa compared with 370.2 kPa, p = 0.05), which were independent of luminal stenosis and plaque composition. Conclusions. Significant differences in plaque stress exist between plaques from symptomatic individuals and those from asymptomatic individuals. The MR imaging-based computational analysis may therefore be a useful aid to identification of vulnerable plaques in vivo.

Crystallization and preliminary X-ray crystallographic analysis of a galactose-specific lectin from Dolichos lablab

The galactose-specific lectin from the seeds of Dolichos lablab has been crystallized using the hanging-drop vapour-diffusion technique. The crystals belong to space group P1, with unit-cell parameters a = 73.99, b = 84.13, c = 93.15 angstrom, alpha = 89.92, beta = 76.01, gamma = 76.99 degrees. X-ray diffraction data to a resolution of 3.0 angstrom have been collected under cryoconditions ( 100 K) using a MAR imaging-plate detector system mounted on a rotating-anode X-ray generator. Molecular-replacement calculations carried out using the available structures of legume lectins as search models revealed that the galactose-specific lectin from D. lablab forms a tetramer similar to soybean agglutinin; two such tetramers are present in the asymmetric unit.

Impact of metal binding on the antitumor activity and cellular imaging of a metal chelator cationic imidazopyridine derivative

A new water soluble cationic imidazopyridine species, viz. (1E)-1-((pyridin-2-yl)methyleneamino)-3-(3(pyridin-2-yl) imidazo1,5-a]pyridin-2(3H)-yl)propan-2-ol (1), as a metal chelator is prepared as its PF6 salt and characterized. Compound 1 shows fluorescence at 438 nm on excitation at 342 nm in Tris-HCl buffer giving a fluorescence quantum yield (phi) of 0.105 and a life-time of 5.4 ns. Compound 1, as an avid DNA minor groove binder, shows pUC19 DNA cleavage activity in UV-A light of 365 nm forming singlet oxygen species in a type-II pathway. The photonuclease potential of 1 gets enhanced in the presence of Fe2+, Cu2+ or Zn2+. Compound 1 itself displays anticancer activity in HeLa, HepG2 and Jurkat cells with an enhancement on addition of the metal ions. Photodynamic effect of 1 at 365 nm also gets enhanced in the presence of Fe2+ and Zn2+. Fluorescence-based cell cycle analysis shows a significant dead cell population in the sub-G1 phase of the cell cycle suggesting apoptosis via ROS generation. A significant change in the nuclear morphology is observed from Hoechst 33258 and an acridine orange/ethidium bromide (AO/EB) dual nuclear staining suggesting apoptosis in cells when treated with 1 alone or in the presence of the metal ions. Apoptosis is found to be caspase-dependent. Fluorescence imaging to monitor the distribution of 1 in cells shows that 1 in the presence of metal ions accumulates predominantly in the cytoplasm. Enhanced uptake of 1 into the cells within 12 h is observed in the presence of Fe2+ and Zn2+.

Spatial Filter Based Bessel-Like Beam for Improved Penetration Depth Imaging in Fluorescence Microscopy

Monitoring and visualizing specimens at a large penetration depth is a challenge. At depths of hundreds of microns, several physical effects (such as, scattering, PSF distortion and noise) deteriorate the image quality and prohibit a detailed study of key biological phenomena. In this study, we use a Bessel-like beam in-conjugation with an orthogonal detection system to achieve depth imaging. A Bessel-like penetrating diffractionless beam is generated by engineering the back-aperture of the excitation objective. The proposed excitation scheme allows continuous scanning by simply translating the detection PSF. This type of imaging system is beneficial for obtaining depth information from any desired specimen layer, including nano-particle tracking in thick tissue. As demonstrated by imaging the fluorescent polymer-tagged-CaCO3 particles and yeast cells in a tissue-like gel-matrix, the system offers a penetration depth that extends up to 650 mu m. This achievement will advance the field of fluorescence imaging and deep nano-particle tracking.