Coherent Raman Imaging for the Molecular Study of the Origin of Diseases

CRIMSON ha avuto l’obiettivo di fornire un dispositivo di imaging bio-fotonico di nuova generazione basato sulla spettroscopia vibrazionale, con il potenziale di rivoluzionare lo studio dell’origine cellulare delle malattie, aprendo la strada a nuovi approcci verso terapie personalizzate.

Abbiamo utilizzato la tecnica del label-free Coherent Raman Scattering (CRS) a banda larga estesa alla regione delle fingerprint, in combinazione con l’analisi spettroscopica dei dati basata su intelligenza artificiale, per una rapida classificazione di cellule e tessuti con una sensibilità biochimica senza precedenti.

Abbiamo sviluppato un microscopio iperspettrale CRS per l’imaging quantitativo 3D dei compartimenti sub-cellulari in cellule viventi e organoidi. Abbiamo simulato studi futuri in vivo e dimostrato la capacità di ottenere immagini all’interno del corpo, realizzando un endoscopio CRS innovativo e applicandolo a sezioni di tessuto spesso ex vivo.

Per validare la piattaforma CRS, abbiamo indagato tre domande biologiche aperte relative al cancro, come esempi rappresentativi della complessità e dell’eterogeneità delle malattie cellulari. I risultati hanno un impatto sociale profondo, migliorando la qualità della vita dei pazienti e riducendo i costi della sanità pubblica.

CRIMSON si è basato sullo sviluppo di nuovi laser ultraveloci compatti, su schemi innovativi di rilevamento CRS a banda larga e su routine avanzate di analisi spettrale.

CRIMSON riunisce un team multidisciplinare composto da organizzazioni accademiche leader a livello mondiale, utenti finali in ambito biomedico e PMI innovative, con un’integrazione verticale di tutte le competenze necessarie. Il progetto colma il divario tra ricerca e sviluppo di prodotto, aumentando il livello di maturità tecnologica (TRL) e rendendo il CRS uno strumento comune, robusto, facile da usare ed economicamente accessibile per l’ampia comunità di ricerca biologica. L’utilizzo commerciale da parte delle PMI partecipanti, inclusi produttori di attrezzature biomediche, creerà un vantaggio competitivo nel mercato europeo legato alla biopotonica, per microscopi e strumenti di ricerca e sviluppo.

L’obiettivo principale del progetto CRIMSON era sviluppare un sistema bio-fotonico innovativo per l’imaging di cellule e tessuti, che potrà essere utilizzato come strumento di ricerca per comprendere l’origine cellulare delle malattie.

La nostra tecnica di imaging era il Coherent Raman Scattering (CRS) a banda larga esteso alla regione delle fingerprint, cruciale per l’identificazione chimica. Il CRS a banda larga combina i seguenti vantaggi:

1. Imaging label-free, evitando l’uso di marcatori esogeni o endogeni.
2. Capacità di imaging di cellule viventi.
3. Elevata velocità di acquisizione, che consente l’osservazione di processi cellulari dinamici tramite imaging time-lapse.
4. Alta sensibilità biochimica, grazie alla possibilità di acquisire immagini iperspettrali quantitative che permettono l’identificazione delle molecole tramite il loro spettro vibrazionale unico.
5. Possibilità di coniugare questi vantaggi con l’imaging in vivo tramite endoscopia.

Nonostante il suo potenziale come metodo rivoluzionario per l’imaging di cellule e tessuti, la microscopia CRS non è ancora utilizzata dai biologi come strumento di ricerca standard e rimane confinata ad applicazioni di laboratorio a basso TRL.

Ciò è dovuto a diverse limitazioni delle attuali implementazioni del CRS:

1. La sorgente laser necessaria per il CRS è complessa, costosa e richiede un allineamento o una manutenzione regolare, rendendola inadatta ai laboratori di ricerca biomedica.
2. Il CRS misura tipicamente il segnale solo a poche frequenze vibrazionali selezionate e non fornisce le ricche informazioni chimiche contenute nello spettro Raman spontaneo, che copre l’intero spettro vibrazionale.
3. La maggior parte dei sistemi CRS opera nella regione di stiramento CH (2800–3100 cm⁻¹), che genera segnali più forti ma fornisce meno informazioni spettroscopiche rispetto alla regione delle fingerprint (700–1800 cm⁻¹), molto sensibile alla struttura chimica.

CRIMSON ha mirato a superare queste limitazioni, aumentando il contenuto informativo della microscopia CRS e portandola fuori dai laboratori di ricerca, rendendola accessibile ai ricercatori biomedici tradizionali. In particolare, CRIMSON ha puntato a:

1. Sviluppare un sistema laser compatto, senza necessità di allineamento e a basso costo per il CRS basato sulla tecnologia laser a fibra, grazie al nostro partner Active Fiber Systems GmbH.
2. Estendere la microscopia CRS da operazioni a singola frequenza a operazioni a banda larga.
3. Estendere il rilevamento del segnale CRS alla regione delle fingerprint, che offre un contenuto informativo più elevato.
4. Configurare il sistema microscopico per soddisfare tutti i requisiti dell’imaging time-lapse su cellule vive.
5. Sviluppare una sonda endoscopica flessibile per imaging CRS compatibile con l’imaging in vivo semi-invasivo, grazie al nostro partner LIGHTCORE TECHNOLOGIES.
6. Utilizzare l’estrema ricchezza spettrale Raman in ogni punto dell’immagine (cubo di dati iperspettrali) tramite metodi basati su intelligenza artificiale (AI), come la chemometria, il machine learning e il deep learning, per ottenere un imaging quantitativo con un livello di specificità e sensibilità senza precedenti nello studio dei processi intra- e inter-cellulari, grazie al nostro partner 3rd Place.
7. Combinare questi avanzamenti tecnologici in un microscopio CRS a banda larga completo per lo sfruttamento commerciale, integrato con un endoscopio CRS flessibile per il futuro imaging in vivo, grazie al nostro partner CRIL.

Il microscopio/endoscopio CRS sviluppato da CRIMSON offre un importante passo avanti nella comprensione dei processi intra- e inter-cellulari e rafforza la posizione industriale dell’Europa nel mercato della biopotonica, in particolare per microscopi e strumenti di ricerca e sviluppo.