High-resolution extended-depth phase-engineered objectives to accelerate spatial 'omics R&D through computational optics

高分辨率扩展深度阶段工程物镜加速空间组学研究

基本信息

  • 批准号:
    10761173
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 38.72万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
  • 财政年份:
    2023
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2023-09-01 至 2024-02-29
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

Summary This SBIR Phase I project is focused on the design, development, and testing of groundbreaking engineered point spread function (ePSF) objective lenses, and matched computational algorithms for spatial omics research and development, which will be suitable for fixed and live-cell applications and will enable breakthroughs in fast live-cell spatial omics R&D by increasing the depth of field, with high-NA, for 3D volumetric projection and 3D volume data capture. By exploiting Double Helix Optics’ (DHO) Light Engineering™ technology, we will design, develop, and validate engineered Point Spread Function (ePSF) microscope objective lenses that extend the depth of field 2 to 5 times. This project will transform experiments by increasing the speed of data capture, enabling increased sample labeling density, reducing the size of datasets, reducing the burden on downstream bioinformatics pipelines, and empowering the spatio-temporal study of omics processes in living cells with decreased phototoxicity. The ePSF objectives will be easily integrated into commercially available microscopes, enhancing any closed-box imaging system or lab-built optical microscope. Recent research has demonstrated the need for novel optical imaging approaches in spatial omics applications, including ratiometric imaging of protein complexes, counting of mRNA in gene expression, localization and quantification of genomic loci, and understanding of chromatin dynamics. Unfortunately, current techniques rely on high resolution widefield microscopes, designed to perform best at focus with limited depth of field, leading to missed information. Thus, current techniques turn to axial scanning to capture the entirety of sample information, resulting in longer sample acquisition times, additional photodamage, bloated datasets, increased data storage, and n-fold increases in computation needed in bioinformatics pipelines. The ability to capture more information about a biological system under investigation in a single image with extended depth of field will enhance spatial omics studies by providing researchers with more quality information in less time, with less data to process; hence, it will improve their understanding of biological system structure, function, and dynamics. This will aid in the advancement of spatial genomics, transcriptomics, proteomics, and epigenomics. The ePSF objectives proposed here will address bottlenecks in spatial omics assays by accelerating capture of quality data, replacing the need for complex and time-consuming multi-slice imaging. Advances in spatial imaging will help elucidate many outstanding questions in biological systems. Ultimately, the ePSF objectives will provide a commercially available high-throughput imaging tool that will generate high-quality data for use in spatial omics studies, thus contributing to our knowledge of human disease processes. Double Helix Optics, a leader in 3D imaging, with exclusive licensing rights to its Light Engineering technology from U of Colorado and Stanford University, is optimally positioned to successfully bring this product to market.
概括 该 SBIR 第一阶段项目专注于突破性工程的设计、开发和测试 点扩散函数 (ePSF) 物镜以及用于空间组学研究的匹配计算算法 和开发,这将适用于固定和活细胞应用,并将在快速 通过增加景深和高数值孔径进行活细胞空间组学研发,用于 3D 体积投影和 3D 通过利用双螺旋光学 (DHO) 的 Light Engineering™ 技术,我们将设计、 开发并验证工程点扩散函数 (ePSF) 显微镜物镜,可扩展 该项目将通过提高数据捕获速度来改变实验, 提高样本标记密度,减小数据集大小,减轻下游负担 生物信息学管道,并增强活细胞组学过程的时空研究 ePSF 物镜可轻松集成到市售显微镜中, 增强任何封闭式成像系统或实验室建造的光学显微镜。 最近的研究表明,在空间组学应用中需要新颖的光学成像方法, 包括蛋白质复合物的比率成像、基因表达中 mRNA 的计数、定位和 不幸的是,目前的技术依赖于基因组位点的量化和染色质动力学的理解。 高分辨率宽视野显微镜,旨在在有限景深的情况下在聚焦时表现最佳,从而 因此,当前的技术转向轴向扫描来捕获全部样本信息, 导致样本采集时间更长、额外的光损伤、数据集臃肿、数据存储增加, 生物信息学流程所需的计算量增加了 n 倍。 能够在单个图像中捕获有关正在研究的生物系统的更多信息 扩展的景深将为研究人员提供更多优质信息,从而增强空间组学研究 在更短的时间内,处理更少的数据,因此,它将提高他们对生物系统结构的理解, 这将有助于空间基因组学、转录组学、蛋白质组学和动力学的发展。 这里提出的 ePSF 目标将通过以下方式解决空间组学分析中的瓶颈。 加速高质量数据的捕获,取代复杂且耗时的多层成像的需要。 空间成像的进步最终将有助于阐明生物系统中的许多悬而未决的问题。 ePSF 物镜将提供一种商用高通量成像工具,可生成高质量的图像 用于空间组学研究的数据,从而有助于我们了解人类疾病过程。 Double Helix Optics,3D 成像领域的领导者,拥有其光工程技术的独家许可权 来自科罗拉多大学和斯坦福大学的研究人员处于最佳位置,能够成功将该产品推向市场。

项目成果

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