Development of Multi-modal and Super-resolved Retinal Imaging Systems

Advancements in retinal imaging technologies have drastically improved the quality of eye care in the past couple decades. Scanning laser ophthalmoscopy (SLO) and optical coherence tomography (OCT) are two examples of critical imaging modalities for the diagnosis of retinal pathologies. However current-generation SLO and OCT systems have limitations in diagnostic capability due to the following factors: the use of bulky tabletop systems, monochromatic imaging, and resolution degradation due to ocular aberrations and diffraction.

Bulky tabletop SLO and OCT systems are incapable of imaging patients that are supine, under anesthesia, or otherwise unable to maintain the required posture and fixation. Monochromatic SLO and OCT imaging prevents the identification of various color-specific diagnostic markers visible with color fundus photography like those of neovascular age-related macular degeneration. Resolution degradation due to ocular aberrations and diffraction has prevented the imaging of photoreceptors close to the fovea without the use of adaptive optics (AO), which require bulky and expensive components that limit the potential for widespread clinical use.

In this dissertation, techniques for extending the diagnostic capability of SLO and OCT systems are developed. These techniques include design strategies for miniaturizing and combining SLO and OCT to permit multi-modal, lightweight handheld probes to extend high quality retinal imaging to pediatric eye care. In addition, a method for extending true color retinal imaging to SLO to enable high-contrast, depth-resolved, high-fidelity color fundus imaging is demonstrated using a supercontinuum light source. Finally, the development and combination of SLO with a super-resolution confocal microscopy technique known as optical photon reassignment (OPRA) is demonstrated to enable high-resolution imaging of retinal photoreceptors without the use of adaptive optics.

Effects of antibacterial agents and drugs monitored by atomic force microscopy.

Originally invented for topographic imaging, atomic force microscopy (AFM) has evolved into a multifunctional biological toolkit, enabling to measure structural and functional details of cells and molecules. Its versatility and the large scope of information it can yield make it an invaluable tool in any biologically oriented laboratory, where researchers need to perform characterizations of living samples as well as single molecules in quasi-physiological conditions and with nanoscale resolution. In the last 20 years, AFM has revolutionized the characterization of microbial cells by allowing a better understanding of their cell wall and of the mechanism of action of drugs and by becoming itself a powerful diagnostic tool to study bacteria. Indeed, AFM is much more than a high-resolution microscopy technique. It can reconstruct force maps that can be used to explore the nanomechanical properties of microorganisms and probe at the same time the morphological and mechanical modifications induced by external stimuli. Furthermore it can be used to map chemical species or specific receptors with nanometric resolution directly on the membranes of living organisms. In summary, AFM offers new capabilities and a more in-depth insight in the structure and mechanics of biological specimens with an unrivaled spatial and force resolution. Its application to the study of bacteria is extremely significant since it has already delivered important information on the metabolism of these small microorganisms and, through new and exciting technical developments, will shed more light on the real-time interaction of antimicrobial agents and bacteria.

Platelet actin nodules are podosome-like structures dependent on Wiskott-Aldrich syndrome protein and ARP2/3 complex

The actin nodule is a novel F-actin structure present in platelets during early spreading. However, only limited detail is known regarding nodule organization and function. Here we use electron microscopy, SIM and dSTORM super-resolution, and live-cell TIRF microscopy to characterize the structural organization and signalling pathways associated with nodule formation. Nodules are composed of up to four actin-rich structures linked together by actin bundles. They are enriched in the adhesion-related proteins talin and vinculin, have a central core of tyrosine phosphorylated proteins and are depleted of integrins at the plasma membrane. Nodule formation is dependent on Wiskott-Aldrich syndrome protein (WASp) and the ARP2/3 complex. WASp(-/-) mouse blood displays impaired platelet aggregate formation at arteriolar shear rates. We propose actin nodules are platelet podosome-related structures required for platelet-platelet interaction and their absence contributes to the bleeding diathesis of Wiskott-Aldrich syndrome.

Tracking individual membrane proteins and their biochemistry: The power of direct observation

The advent of single molecule fluorescence microscopy has allowed experimental molecular biophysics and biochemistry to transcend traditional ensemble measurements, where the behavior of individual proteins could not be precisely sampled. The recent explosion in popularity of new super-resolution and super-localization techniques coupled with technical advances in optical designs and fast highly sensitive cameras with single photon sensitivity and millisecond time resolution have made it possible to track key motions, reactions, and interactions of individual proteins with high temporal resolution and spatial resolution well beyond the diffraction limit. Within the purview of membrane proteins and ligand gated ion channels (LGICs), these outstanding advances in single molecule microscopy allow for the direct observation of discrete biochemical states and their fluctuation dynamics. Such observations are fundamentally important for understanding molecular-level mechanisms governing these systems. Examples reviewed here include the effects of allostery on the stoichiometry of ligand binding in the presence of fluorescent ligands; the observation of subdomain partitioning of membrane proteins due to microenvironment effects; and the use of single particle tracking experiments to elucidate characteristics of membrane protein diffusion and the direct measurement of thermodynamic properties, which govern the free energy landscape of protein dimerization. The review of such characteristic topics represents a snapshot of efforts to push the boundaries of fluorescence microscopy of membrane proteins to the absolute limit.

Photoacoustic tomography: principles and advances.

Photoacoustic tomography (PAT) is an emerging imaging modality that shows great potential for preclinical research and clinical practice. As a hybrid technique, PAT is based on the acoustic detection of optical absorption from either endogenous chromophores, such as oxy-hemoglobin and deoxy-hemoglobin, or exogenous contrast agents, such as organic dyes and nanoparticles. Because ultrasound scatters much less than light in tissue, PAT generates high-resolution images in both the optical ballistic and diffusive regimes. Over the past decade, the photoacoustic technique has been evolving rapidly, leading to a variety of exciting discoveries and applications. This review covers the basic principles of PAT and its different implementations. Strengths of PAT are highlighted, along with the most recent imaging results.

Three-dimensional space-borne synthetic aperture radar (SAR) imaging with multiple pass processing

Three-dimensional (3D) synthetic aperture radar (SAR) imaging via multiple-pass processing is an extension of interferometric SAR imaging. It exploits more than two flight passes to achieve a desired resolution in elevation. In this paper, a novel approach is developed to reconstruct a 3D space-borne SAR image with multiple-pass processing. It involves image registration, phase correction and elevational imaging. An image model matching is developed for multiple image registration, an eigenvector method is proposed for the phase correction and the elevational imaging is conducted using a Fourier transform or a super-resolution method for enhancement of elevational resolution. 3D SAR images are obtained by processing simulated data and real data from the first European Remote Sensing satellite (ERS-1) with the proposed approaches.

Enhancing the performance of spread spectrum techniques in different applications

Spread spectrum, Automotive Radar, Indoor Positioning Systems, Ultrasonic and Microwave Imaging, super resolution technique and wavelet transform

Trypanosoma cruzi trypomastigotes induce cytoskeleton modifications during HeLa cell invasion

It has been recently shown that Trypanosoma cruzi trypomastigotes subvert a constitutive membrane repair mechanism to invade HeLa cells. Using a membrane extraction protocol and high-resolution microscopy, the HeLa cytoskeleton and T. cruzi parasites were imaged during the invasion process after 15 min and 45 min. Parasites were initially found under cells and were later observed in the cytoplasm. At later stages, parasite-driven protrusions with parallel filaments were observed, with trypomastigotes at their tips. We conclude that T. cruzi trypomastigotes induce deformations of the cortical actin cytoskeleton shortly after invasion, leading to the formation of pseudopod-like structures.

Microscòpia d'alta resolució aplicada a anàlisis traceològiques, tafonòmiques i zooarqueològiques

El projecte Microscòpia d'alta resolució aplicada a anàlisis traceològiques, tafonòmiques y zooarqueològiques ha permès donar continuïtat i ampliar la xarxa científica posada en marxa gràcies a dos projectes PBR anteriors entre l’IPHES i quatre centres anglesos: l’Institute of Archaeology del University College of London, el Dept of Prehistory and Europe del British Museum, el Dept of Palaeontology del Natural History Museum, i el Lithic Microwear Research Laboratory de la University of Bradford. El tema tractat ha estat l’avaluació de la resolució i de la possible complementarietat de diferents tècniques avançades de microscòpia per a l’anàlisi de les superfícies d’ossos i eines de pedra prehistòriques: microscòpia òptica, electrònica (SEM i ESEM), microscòpia làser confocal (LSCM) i el sistema Alicona 3D Infinite Imaging. Les diverses accions de mobilitat entre Catalunya i el Regne Unit realitzades han permès satisfactòriament posar en comú els procediments emprats pels diferents especialistes de cada centre. Les proves realitzades sobre materials de jaciments arqueològics clau tant britànics com de l’estat espanyol han permès avaluar els avantatges i limitacions que cada tècnica presentava segons la mostra estudiada (eines de pedra, ossos, dents...) i segons els requeriments específics de l’estudi plantejat. En termes generals, s’ha posat en evidència que les diferents tècniques explorades són força complementàries. És a dir, la gran capacitat d’augments i de resolució d’imatge dels microscopis electrònics es complementa amb unes meravelloses prestacions quant anàlisi de textures, de perfils i de reconstrucció 3D dels altres aparells. La principal conclusió que podem extreure, doncs, és que l’estudi d’aquest tipus d’objectes arqueològics requereix de l’ús combinat de diferents aparells de microscòpia. Tant els treballs realitzats com els contactes entre especialistes establerts al llarg del projecte s’han plasmat ja en treballs concrets, alguns d’ells ja publicats o en fase final de publicació.

Efficient total variation algorithm for fetal MRI reconstruction

Fetal MRI reconstruction aims at finding a high-resolution image given a small set of low-resolution images. It is usually modeled as an inverse problem where the regularization term plays a central role in the reconstruction quality. Literature has considered several regularization terms s.a. Dirichlet/Laplacian energy [1], Total Variation (TV)based energies [2,3] and more recently non-local means [4]. Although TV energies are quite attractive because of their ability in edge preservation, standard explicit steepest gradient techniques have been applied to optimize fetal-based TV energies. The main contribution of this work lies in the introduction of a well-posed TV algorithm from the point of view of convex optimization. Specifically, our proposed TV optimization algorithm for fetal reconstruction is optimal w.r.t. the asymptotic and iterative convergence speeds O(1/n(2)) and O(1/root epsilon), while existing techniques are in O(1/n) and O(1/epsilon). We apply our algorithm to (1) clinical newborn data, considered as ground truth, and (2) clinical fetal acquisitions. Our algorithm compares favorably with the literature in terms of speed and accuracy.

Models to study intermediate filament dynamics and functions

Intermediate filaments are part of the cytoskeleton and nucleoskeleton; they provide cells with structure and have important roles in cell signalling. The IFs are a large protein family with more than 70 members; each tightly regulated and expressed in a cell type-specific manner. Although the IFs have been known and studied for decades, our knowledge about their specific functions is still limited, despite the fact that mutations in IF genes cause numerous severe human diseases. In this work, three IF proteins are examined more closely; the nuclear lamin A/C and the cytoplasmic nestin and vimentin. In particular the regulation of lamin A/C dynamics, the role of nestin in muscle and body homeostasis as well as the functions and evolutionary aspects of vimentin are investigated. Together this data highlights some less well understood functions of these IFs. We used mass-spectrometry to identify inter-phase specific phosphorylation sites on lamin A. With the use of genetically engineered lamin A protein in combination with high resolution microscopy and biochemical methods we discovered novel roles for this phosphorylation in regulation of lamin dynamics. More specifically, our data suggests that the phosphorylation of certain amino acids in lamin A determines the localization and dynamics of the protein. In addition, we present results demonstrating that lamin A regulates Cdk5-activity. In the second study we use mice lacking nestin to gain more knowledge of this seldom studied protein. Our results show that nestin is essential for muscle regeneration; mice lacking nestin recover more slowly from muscle injury and show signs of spontaneous muscle regeneration, indicating that their muscles are more sensitive to stresses and injury. The absence of nestin also leads to decreased over-all muscle mass and slower body growth. Furthermore, nestin has a role in controlling testicle homeostasis as nestin-/- male mice show a greater variation in testicle size. The common fruit fly Drosophila melanogaster lacks cytoplasmic IFs as most insects do. By creating a fly that expresses human vimentin we establish a new research platform for vimentin studies, as well as provide a new tool for the studies of IF evolution.

Interpretation of the centromere epigenetic mark to maintain genome stability

Le centromère est la région chromosomique où le kinétochore s'assemble en mitose. Contrairement à certaines caractéristiques géniques, la séquence centromérique n'est ni conservée entre les espèces ni suffisante à la fonction centromérique. Il est donc bien accepté dans la littérature que le centromère est régulé épigénétiquement par une variante de l'histone H3, CENP-A. KNL-2, aussi connu sous le nom de M18BP1, ainsi que ces partenaires Mis18α et Mis18β sont des protéines essentielles pour l'incorporation de CENP-A nouvellement synthétisé aux centromères. Des évidences expérimentales démontrent que KNL-2, ayant un domaine de liaison à l'ADN nommé Myb, est la protéine la plus en amont pour l'incorporation de CENP-A aux centromères en phase G1. Par contre, sa fonction dans le processus d'incorporation de CENP-A aux centromères n'est pas bien comprise et ces partenaires de liaison ne sont pas tous connus. De nouveaux partenaires de liaison de KNL-2 ont été identifiés par des expériences d'immunoprécipitation suivies d'une analyse en spectrométrie de masse. Un rôle dans l'incorporation de CENP-A nouvellement synthétisé aux centromères a été attribué à MgcRacGAP, une des 60 protéines identifiées par l'essai. MgcRacGAP ainsi que les protéines ECT-2 (GEF) et la petite GTPase Cdc42 ont été démontrées comme étant requises pour la stabilité de CENP-A incorporé aux centromères. Ces différentes observations ont mené à l'identification d'une troisième étape au niveau moléculaire pour l'incorporation de CENP-A nouvellement synthétisé en phase G1, celle de la stabilité de CENP-A nouvellement incorporé aux centromères. Cette étape est importante pour le maintien de l'identité centromérique à chaque division cellulaire. Pour caractériser la fonction de KNL-2 lors de l'incorporation de CENP-A nouvellement synthétisé aux centromères, une technique de microscopie à haute résolution couplée à une quantification d'image a été utilisée. Les résultats générés démontrent que le recrutement de KNL-2 au centromère est rapide, environ 5 minutes après la sortie de la mitose. De plus, la structure du domaine Myb de KNL-2 provenant du nématode C. elegans a été résolue par RMN et celle-ci démontre un motif hélice-tour-hélice, une structure connue pour les domaines de liaison à l'ADN de la famille Myb. De plus, les domaines humain (HsMyb) et C. elegans (CeMyb) Myb lient l'ADN in vitro, mais aucune séquence n'est reconnue spécifiquement par ces domaines. Cependant, il a été possible de démontrer que ces deux domaines lient préférentiellement la chromatine CENP-A-YFP comparativement à la chromatine H2B-GFP par un essai modifié de SIMPull sous le microscope TIRF. Donc, le domaine Myb de KNL-2 est suffisant pour reconnaître de façon spécifique la chromatine centromérique. Finalement, l'élément reconnu par les domaines Myb in vitro a potentiellement été identifié. En effet, il a été démontré que les domaines HsMyb et CeMyb lient l'ADN simple brin in vitro. De plus, les domaines HsMyb et CeMyb ne colocalisent pas avec CENP-A lorsqu'exprimés dans les cellules HeLa, mais plutôt avec les corps nucléaires PML, des structures nucléaires composées d'ARN. Donc, en liant potentiellement les transcrits centromériques, les domaines Myb de KNL-2 pourraient spécifier l'incorporation de CENP-A nouvellement synthétisé uniquement aux régions centromériques.

Dissection du processus d’export des ARNm nucléaires par des approches de molécules uniques chez Saccharomyces cerevisae

Enfermer le porteur de l’information génétique dans le noyau a obligée la cellule a créé un système de transport complexe, qui permet l’export d’un ARNm du noyau au cytoplasme. Le mécanisme général de l’export des ARNm est encore mal connu, même si les facteurs principaux ont été découverts il y a longtemps. De récents progrès en microscopie nous ont permis d’étudier directement le comportement des ARNm durant le processus d’export. Durant ma maitrise, nous avons été capables de localiser et suivre des ARNm en temps réel pour la première fois chez Saccharomyces cerevisiae. Nous avons créé un gène rapporteur en mettant le gène GLT1 sous le contrôle du promoteur GAL1. Nous avons aussi marqué l’ARNm de GLT1 avec plusieurs boucles PP7. L’ARNm sera visible après l’attachement de plusieurs protéines PP7-GFP aux boucles. En utilisant la technique d’imagerie en cellules vivantes, nous sommes capable de visualiser et suivre chaque ARNm, depuis son relâchement du site de transcription jusqu’à l’export. Une fois relâché du site de transcription, l’ARNm diffuse librement dans le nucléoplasme, mais une fois à la périphérie nucléaire, il commence à « scanner » l’enveloppe nucléaire avant d’être exporté. Nous avons trouvé que le « scanning » dépend de la présence des Myosin Like Proteins (Mlp1p et Mlp2p), protéines qui forment le panier nucléaire, car suite à la délétion de MLP1 et MLP2, les ARNm n’étaient plus capable de « scanner ». Nous avons également trouvé que la partie C-terminale de Mlp1p était nécessaire au « scanning ». De plus, suite à la délétion du gène TOM1, gène codant pour une ubiquitine ligase, les ARNm ont un comportement similaire aux ARNm d’une souche ∆mlp1/mlp2, suggérant que le « scanning » permet à Tom1p d’ubiquitiner Yra1p, ce qui causera son relâchement de l’ARNm. Également, nous avons montré que les ARNm endogènes MDN1 et CBL2 scannent aussi la périphérie nucléaire. Ensemble, nos résultats suggèrent que le scanning est un processus par lequel passent tout les ARNm nucléaire lorsqu’ils se retrouvent à la périphérie du noyau, pour initier plusieurs étapes de réarrangements nécessaires à leurs export. De plus, nous avons examiné le rôle de Yhr127p, une protéine nouvellement identifiée qui se lie à l’ARN. Après avoir marqué cette protéine avec la GFP, nous avons montré qu’elle forme des foci dans le noyau et que ces derniers vont disparaitre suite à l’arrêt de la transcription. La délétion de YHR127 à conduit à une augmentation de la transcription de quelques gènes spécifiques, mais n’affecte pas la capacité de la cellule à exporter les ARNm. Nos résultats suggèrent que cette protéine joue un rôle dans la régulation de la transcription et/ou dans la stabilité de l’ARNm.

L'implication de la Cycline B dans le processus de cytocinèse

Un dérèglement du cycle cellulaire peut causer le cancer. Lors de la cytocinèse un anneau contractile d’actine et de myosine se forme, se contracte, et donne un anneau du midbody qui mène à l’abscision. Le processus de cytocinèse est sous le contrôle de protéines telles que la GTPase Rho qui active la cytocinèse et les cyclines-Cdks qui l'inhibent. La Drosophile possède 3 cyclines mitotiques CycA/ CycB/ CycB3 qui sont successivement dégradées en fin de mitose et permettent l'initiation de la cytocinèse. La dernière étape d’abscission est un phénomène qui reste encore peu connu. Les protéines Vps4 et CHMP4C liées à ANCHR vont, sous la dépendance de la kinase Aurora B, promouvoir l’abscision mais, suite à quelques études récentes, il semble y avoir une implication de la cycline B. Ici, le but était de tester l’implication de cette cycline dans les processus de cytocinèse et d’abscision, elle a été menée par microscopie à haute résolution en temps réel avec des cellules S2 de l’organisme Drosophila melanogaster par le suivi de protéines recombinantes fluorescentes. L’étude a été divisée en deux axes : gain et perte de fonction par l’intermédiaire respectivement de la protéine Cycline B recombinante stable, non dégradable (CycBstable-GFP) et l’inhibition par l’utilisation d’ARN double brin (ARNdb) sur l’endogène. La CycBstable-GFP a perturbé la cytocinèse en induisant plusieurs anneaux contractiles et midbodies. En revanche la réduction de l’expression de CycB n'a pas eu d’effet observable, et elle ne semble pas avoir d’action sur l’abscission malgré le recrutement de CycB-GFP au midbody tardif. En revanche la protéine Cdk1 semble avoir un rôle dans l'abscision puisque sa réduction d’expression a induit un délai. Elle a donc une implication potentielle sur la cytocinèse.

Aplicação de programa de análise de imagens na interpretação de fotomicrografias de alta resolução de argilominerais

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)