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.

We investigate the potential of an instrument combining time-resolved spectrofluorometry and diffuse reflectance spectroscopy to measure structural and metabolic changes in cardiac tissue in vivo in a 16 week post-myocardial infarction heart failure model in rats. In the scar region, we observed changes in the fluorescence signal that can be explained by increased collagen content, which is in good agreement with histology. In areas remote from the scar tissue, we measured changes in the fluorescence signal (p < 0.001) that cannot be explained by differences in collagen content and we attribute this to altered metabolism within the myocardium. A linear discriminant analysis algorithm was applied to the measurements to predict the tissue disease state. When we combine all measurements, our results reveal high diagnostic accuracy in the infarcted area (100%) and border zone (94.44%) as well as in remote regions from the scar (> 77%). Overall, our results demonstrate the potential of our instrument to characterize structural and metabolic changes in a failing heart in vivo without using exogenous labels.

Autofluorescence spectroscopy is a promising label-free approach to characterize biological samples with demonstrated potential to report structural and biochemical alterations in tissues in a number of clinical applications. We report a characterization of the ex vivo autofluorescence fingerprint of cardiac tissue, exploiting a Langendorff-perfused isolated rat heart model to induce physiological insults to the heart, with a view to understanding how metabolic alterations affect the autofluorescence signals. Changes in the autofluorescence intensity and lifetime signatures associated with reduced nicotinamide adenine dinucleotide (phosphate) (NAD(P)H) and flavin adenine dinucleotide (FAD) were characterized during oxygen- or glucose-depletion protocols. Results suggest that both NAD(P)H and FAD autofluorescence intensity and lifetime parameters are sensitive to changes in the metabolic state of the heart owing to oxygen deprivation. We also observed changes in NAD(P)H fluorescence intensity and FAD lifetime parameter on reperfusion of oxygen, which might provide information on reperfusion injury, and permanent tissue damage or changes to the tissue during recovery from oxygen deprivation. We found that changes in the autofluorescence signature following glucose-depletion are, in general, less pronounced, and most clearly visible in NAD(P)H related parameters. Overall, the results reported in this investigation can serve as baseline for future investigations of cardiac tissue involving autofluorescence measurements.

A correction is proposed to the Delta function convolution method (DFCM) for fitting a multiexponential decay model to time-resolved fluorescence decay data using a monoexponential reference fluorophore. A theoretical analysis of the discretised DFCM multiexponential decay function shows the presence an extra exponential decay term with the same lifetime as the reference fluorophore that we denote as the residual reference component. This extra decay component arises as a result of the discretised convolution of one of the two terms in the modified model function required by the DFCM. The effect of the residual reference component becomes more pronounced when the fluorescence lifetime of the reference is longer than all of the individual components of the specimen under inspection and when the temporal sampling interval is not negligible compared to the quantity (τR (-1) - τ(-1))(-1), where τR and τ are the fluorescence lifetimes of the reference and the specimen respectively. It is shown that the unwanted residual reference component results in systematic errors when fitting simulated data and that these errors are not present when the proposed correction is applied. The correction is also verified using real data obtained from experiment.

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.

Cardiac remodeling following myocardial infarction (MI) involves structural and functional alterations in the infarcted and remote viable myocardium that can ultimately lead to heart failure. The underlying mechanisms are not fully understood and, following our previous study of the autofluorescence lifetime and diffuse reflectance signatures of the myocardium in vivo at 16 weeks post MI in rats [Biomed. Opt. Express6(2), 324 (2015)], we here present data obtained at 1, 2 and 4 weeks post myocardial infarction that help follow the temporal progression of these changes. Our results demonstrate that both structural and metabolic changes in the heart can be monitored from the earliest time points following MI using label-free optical readouts, not only in the region of infarction but also in the remote non-infarcted myocardium. Changes in the autofluorescence intensity and lifetime parameters associated with collagen type I autofluorescence were indicative of progressive collagen deposition in tissue that was most pronounced at earlier time points and in the region of infarction. In addition to significant collagen deposition in infarcted and non-infarcted myocardium, we also report changes in the autofluorescence parameters associated with reduced nicotinamide adenine (phosphate) dinucleotide (NAD(P)H) and flavin adenine dinucleotide (FAD), which we associate with metabolic alterations throughout the heart. Parallel measurements of the diffuse reflectance spectra indicated an increased contribution of reduced cytochrome c. Our findings suggest that combining time-resolved spectrofluorometry and diffuse reflectance spectroscopy could provide a useful means to monitor cardiac function in vivo at the time of surgery.

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.

Raw data of paper entitled "Characterisation of NADH fluorescence properties under different environmental conditions and single-photon excitation" Abstract 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 single-photon excitation at 375 nm, we characterised 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 partners. 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.

 Fluorescence spectroscopy is a promising tool for the characterisation of biological tissues and shows the potential for in vivo  clinical diagnosis in many diseases. It exploits the inherent photo-physical properties of a number of endogenous molecules. Fluorescence lifetime measurements of these fluorophores such as NADH and flavoproteins present an opportunity to discern functional information concerning myocardial energetics without issues of toxicity or systemic effects associated with the introduction of exogenous compounds. Additionally, autofluorescence from extra-cellular matrix molecules e.g. collagen may provide information on structural changes to the heart. Measurements of fluorescence lifetime are independent of fluorophore concentration, excitation intensity, sample attenuation and other experimental artefacts and can also report on changes to the fluorophore microenvironment e.g. pH and protein binding state. Thus we are interested to develop autofluorescence lifetime (AFL)-based techniques as a myocardial "optical biopsy". We report the application of a custom fibre-optic probe-based time-resolved spectrofluorometer utilising time-correlated single photon counting that we developed to characterise the autofluorescence signatures associated with the histological, morphological, metabolic and functional changes in myocardial tissue in health and disease states. We studied an in vivo  rat left anterior descending coronary artery ligation heart failure (MI-HF) model 16 weeks post-infarction, which is a model well characterised in our institution. We observed stable AFL signals across age-matched control (AMC) hearts (n = 6) in different anatomical locations. We observed significant differences in AFL signals between MI-HF (n = 6) and AMC (n = 6) in infarcted regions: left ventricle (LV) anterior wall (p < 0.0001) and "border zone" region (p < 0.0001). We also observed significant differences between MI-HF and AMC in remodelled regions distant to the infarct: LV posterior wall (p < 0.01) and right ventricle (RV) (p < 0.001). Application of principal component analysis and linear discriminant analysis to the data facilitated development of a diagnostic algorithm to differentiate MI-HF and AMC in a given anatomical location with a high degree of accuracy both in infarcted regions (specificity 100%, sensitivity 100%) and even in remote regions e.g. RV (specificity 96%, sensitivity 89%). This represents, to the best of our knowledge, the first in vivo  application of time-resolved fluorescence spectroscopy to the study of the heart. This technique shows promise as a diagnostic tool and could be readily and rapidly translatable into clinical cardiology practice.