Fluorescence lifetime imaging (FLIM) is widely applied to obtain quantitative information from fluorescence signals, particularly using Förster Resonant Energy Transfer (FRET) measurements to map, for example, protein-protein interactions. Extracting FRET efficiencies or population fractions typically entails fitting data to complex fluorescence decay models but such experiments are frequently photon constrained, particularly for live cell or in vivo imaging, and this leads to unacceptable errors when analysing data on a pixel-wise basis. Lifetimes and population fractions may, however, be more robustly extracted using global analysis to simultaneously fit the fluorescence decay data of all pixels in an image or dataset to a multi-exponential model under the assumption that the lifetime components are invariant across the image (dataset). This approach is often considered to be prohibitively slow and/or computationally expensive but we present here a computationally efficient global analysis algorithm for the analysis of time-correlated single photon counting (TCSPC) or time-gated FLIM data based on variable projection. It makes efficient use of both computer processor and memory resources, requiring less than a minute to analyse time series and multiwell plate datasets with hundreds of FLIM images on standard personal computers. This lifetime analysis takes account of repetitive excitation, including fluorescence photons excited by earlier pulses contributing to the fit, and is able to accommodate time-varying backgrounds and instrument response functions. We demonstrate that this global approach allows us to readily fit time-resolved fluorescence data to complex models including a four-exponential model of a FRET system, for which the FRET efficiencies of the two species of a bi-exponential donor are linked, and polarisation-resolved lifetime data, where a fluorescence intensity and bi-exponential anisotropy decay model is applied to the analysis of live cell homo-FRET data. A software package implementing this algorithm, FLIMfit, is available under an open source licence through the Open Microscopy Environment.

Reduced nicotinamide adenine dinucleotide (NADH) is the principal electron donor in glycolysis and oxidative metabolism and is thus recognized as a key biomarker for probing metabolic state. While the fluorescence characteristics of NADH have been investigated extensively, there are discrepancies in the published data due to diverse experimental conditions, instrumentation and microenvironmental parameters that can affect NADH fluorescence. Using a cuvette-based time-resolved spectrofluorimeter employing one-photon excitation at 375 nm, we characterized the fluorescence intensity, lifetime, spectral response, anisotropy and time-resolved anisotropy of NADH in aqueous solution under varying microenvironmental conditions, namely temperature, pH, and binding to lactate dehydrogenase (LDH). Our results demonstrate how temperature, pH, and binding partners each impact the fluorescence signature of NADH and highlight the complexity of the fluorescence data when different parameters produce competing effects. We hope that the data presented in this study will provide a reference for potential sources of variation in experiments measuring NADH fluorescence.

Abstract Osteoarthritis (OA) is the most common arthritis and its hallmark is degradation of articular cartilage by proteolytic enzymes leading to loss of joint function. It is challenging to monitor the status of cartilage in vivo and this study explores the use of autofluorescence lifetime (AFL) measurements to provide a label-free optical readout of cartilage degradation that could enable earlier detection and evaluation of potential therapies. We previously reported that treatment of ex vivo porcine cartilage with proteolytic enzymes resulted in decreased AFL. Here we report changes in AFL of ex vivo mouse knee joints, porcine metacarpophalangeal joints, normal human metatarsophalangeal articular tissue and human OA tibial plateau tissues measured with or without treatment using a compact single-point time resolved spectrofluorometer. Our data show that proteolytically damaged areas in porcine metacarpophalangeal joints present a reduced AFL and that inducing aggrecanases in mouse and human joints also significantly reduces AFL. Further, human cartilage from OA patients presents a significantly lower AFL compared to normal human cartilage. Our data suggest that AFL can detect areas of cartilage erosion and may potentially be utilised as a minimally-invasive diagnostic readout for early stage OA in combination with arthroscopy devices.

Fluorescence lifetime imaging (FLIM) is increasingly used to read out cellular autofluorescence originating from the coenzyme NADH in the context of investigating cell metabolic state. We present here an automated multiwell plate reading FLIM microscope optimized for UV illumination with the goal of extending high content fluorescence lifetime assays to readouts of metabolism. We demonstrate its application to automated cellular autofluorescence lifetime imaging and discuss the key practical issues associated with its implementation. In particular, we illustrate its capability to read out the NADH-lifetime response of cells to metabolic modulators, thereby illustrating the potential of the instrument for cytotoxicity studies, assays for drug discovery and stratified medicine.

Degradation of articular cartilage extracellular matrix (ECM) by proteolytic enzyme is the hallmark of arthritis that leads to joint destruction. Detection of early biochemical changes in cartilage before irreversible structural damages become apparent is highly desirable. Here we report that the autofluorescence decay profile of cartilage is significantly affected by proteolytic degradation of cartilage ECM and can be characterised by measurements of the autofluorescence lifetime (AFL). A multidimensional fluorometer utilizing ultraviolet excitation at 355 nm or 375 nm coupled to a fibreoptic probe was developed for single point time-resolved AFL measurements of porcine articular cartilage explants treated with different proteinases. Degradation of cartilage matrix components by treating with bacterial collagenase, matrix metalloproteinase 1, or trypsin resulted in significant reduction of AFL of the cartilage in both a dose and time dependent manner. Differences in cartilage AFL were also confirmed by fluorescence lifetime imaging microscopy (FLIM). Our data suggest that AFL of cartilage tissue is a potential non-invasive readout to monitor cartilage matrix integrity that may be utilized for diagnosis of arthritis as well as monitoring the efficacy of anti-arthritic therapeutic agents.

Get PDF Email Share Share with Facebook Tweet This Post on reddit Share with LinkedIn Add to CiteULike Add to Mendeley Add to BibSonomy Get Citation Copy Citation Text S. Coda, D. J. Kelly, J. L. Lagarto, H. B. Manning, R. Patalay, H. Sparks, A. J. Thompson, S. C. Warren, J. Dudhia, G. Kennedy, M. B. Nickdel, C. B. Talbot, K. Yamamoto, M. A. A. Neil, Y. Itoh, J. McGinty, G. W. Stamp, A. V. Thillainayagam, C. Dunsby, and P. M. W. French, "Autofluorescence lifetime imaging and metrology for medical research and clinical diagnosis," in Optics in the Life Sciences, OSA Technical Digest (online) (Optica Publishing Group, 2013), paper MT3C.4. Export Citation BibTex Endnote (RIS) HTML Plain Text Citation alert Save article