Flow Cytometry Based on Serial Time-Encoded Amplified Microscopy

• Applicant: Professor Dr.-Ing. Jost Adam
• Subject Area: Electronic Semiconductors, Components and Circuits, Integrated Systems, Sensor Technology, Theoretical Electrical Engineering ; Measurement Systems
• Term: from 2011 to 2012
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 194100573

• Final Report Year: 2013

Final Report Abstract

In der Medizin, speziell in der Pathologie und Hämatologie, gewinnt die Fragestellung, wie in großen Zellpopulationen vereinzelte kranke Zellen sicher detektiert werden können, eine immer größere Bedeutung. Dazu werden Bildgebungsverfahren benötigt, die eine hohe Geschwindigkeit aufweisen (Hoch-Durchsatz-Mikroskopie). Weiterhin sollen die Diagnosen möglichst minimalinvasiv erstellt werden. Dies bedeutet insbesondere, dass eine Zellidentifikation möglichst auf Basis unmarkierter Zellen zu erreichen ist. Daraus resultieren sehr hohe Anforderungen an das Auflösungsvermögen des Bildgebungsverfahrens. Ein Verfahren mit einer hinreichenden Kombination aus Geschwindigkeit und Sensibilität übersteigt die Grenzen der klassischen Bildsensor-Technologie. Durch die sogenannte Durchflusszytometrie ist es heutzutage möglich, einen schnellen kontrollierten Zellfluss zur Analyse zu erzeugen. Jedoch sind aktuelle, mit auf CMOS- und CCD-Sensoren basierter Mikroskopie gekoppelte Durchlusszytometer nicht schnell genug, um große Zellpopulationen mit statistischer Sicherheit untersuchen zu können. Abhilfe verspricht hier die serielle zeitaufgelöste verstärkte Mikroskopie (serial time-encoded amplified microscopy, STEAM). STEAM ist ein am Photonics Laboratory der Universität von Kalifornien, Los Angeles (UCLA), entwickeltes Abbildungsverfahren, das bei hoher räumlicher Auflösung eine um bis zu zwei Größenordnungen höhere zeitliche Auflösung erreicht, als CMOS- und CCD-basierte Systeme. Im Rahmen des an der UCLA durchgeführten Forschungsvorhabens wurden optische Sensor-Systeme, die maßgeblich auf dem STEAM-Durchflusszytometrie-Konzept basieren, optimiert und weiterentwickelt. Es wurden Strategien und Algorithmen zur digitalen Echtzeit-Datenanalyse von STEAM- basierten Systemen konzipiert und angewendet. Weiterhin wurden numerische Machbarkeitsanalysen zur Miniaturisierung des optischen Aufbaus zur Integration in Endoskop-Köpfe durchgeführt und ein neuartiges System zur spektral kodierten winkelaufgelösten Beugungsmessung entwickelt, mathematisch modelliert und experimentell verifiziert. Über die Ergebnisse der entstandenen Veröffentlichungen zur STEAM-basierten Durchflusszytometrie wurde unter anderem im Time Magazine und im Scientific American berichtet.

Publications

• “High throughput automated microscope for detection of rare cells,” in “Joint Center for Translational Medicine Retreat Meeting,” (Lake Arrowhead, California, USA, 2012)
  B. Jalali, J. Adam, and K. Goda
  
• “High-throughput single-microparticle imaging flow analyzer,” Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 19, 11630–11635 (2012)
  K. Goda, A. Ayazi, D. R. Gossett, J. Sadasivam, C. K. Lonappan, E. Sollier, A. M. Fard, S. C. Hur, J. Adam, C. Murray, C. Wang, N. Brackbill, D. Di Carlo, and B. Jalali
  
• “Hybrid Dispersion Laser Scanner,” Scientific Reports 2 (2012)
  K. Goda, A. Mahjoubfar, C. Wang, A. Fard, J. Adam, D. R. Gossett, A. Ayazi, E. Sollier, O. Malik, E. Chen, Y. Liu, R. Brown, N. Sarkhosh, D. Di Carlo, and B. Jalali
  
• “Image(-free) processing for steam automated microscope,” in “Joint Center for Translational Medicine Retreat Meeting,” (Lake Arrowhead, California, USA, 2012)
  J. Adam, K. Goda, and B. Jalali
  
• “3d ultrafast laser scanner,” in “Frontiers in Ultrafast Optics: Biomedical, Scientific, and Industrial Applications XIII conference, SPIE LASE,” (San Francisco, California, USA, 2013)
  A. Mahjoubfar, K. Goda, C. Wang, A. M. Fard, J. Adam, D. R. Gosset, A. Ayazi, E. Sollier, O. Malik, E. Chen, Y. Liu, R. Brown, D. Di Carlo, and B. Jalali
  
• “Aktive Mikrooptiken auf Basis durchstimmbarer Dünnschichtresonatoren,” Dissertation, Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (2013)
  P. Metz
  
• “Miniaturized optical fiber endoscope without inertial scan for simultaneous imaging and laser microsurgery,” in “Proc. SPIE 8842, Novel Optical Systems Design and Optimization XVI,” (San Diego, California, USA, 2013)
  J. Adam, P. Metz, M. Gerken, and B. Jalali
  
• “Real-time image processor for detection of rare cells and particles in flow at 37 million line scans per second,” in “Imaging, Manipulation, and Analysis of Biomolecules, Cells, and Tissues XI conference, SPIE BiOS,” (San Francisco, California, USA, 2013)
  A. Ayazi, K. Goda, J. Sadasivam, C. K. Lonappan, J. Adam, D. R. Gosset, E. Sollier, A. M. Fard, S. C. Hur, C. Murray, C. Wang, N. Brackbill, D. Di Carlo, and B. Jalali