Recent advances in two-photon imaging: Technology developments and biomedical applications

Chinese Optics Letters

Volumn 11, Issue 1, 2013, Pages

  Chen, Yu ^a   Guo, Hengchang ^a,b   Gong, Wei ^a,c   Qin, Luye ^b   Aleyasin, Hossein ^b   Ratan, Rajiv R ^b   Cho, Sunghee ^b   Chen, Jianxin ^c   Xie, Shusen ^c  

^a UNIVERSITY OF MARYLAND   (United States)

^b WEILL CORNELL MEDICAL COLLEGE   (United States)

^c FUJIAN NORMAL UNIVERSITY   (China)

Author keywords

[No Author keywords available]

Indexed keywords

BIOMEDICAL APPLICATIONS; CANCER DETECTION; FLAVIN ADENINE DINUCLEOTIDE; LABEL-FREE IMAGING; REACTIVE OXYGEN SPECIES; TECHNOLOGY DEVELOPMENT; TWO PHOTON IMAGING; TWO PHOTON MICROSCOPY;

MOLECULAR IMAGING;

MEDICAL APPLICATIONS;

EID: 84875954081     PISSN: 16717694     EISSN: None     Source Type: Journal    
DOI: 10.3788/COL201311.011703     Document Type: Article

References (121)

1. W. Denk, J. H. Strickler, and W. W. Webb, Science 248, 73 (1990).
2. D. Kobat, M. E. Durst, N. Nishimura, A. W. Wong, C. B. Schaffer, and C. Xu, Opt. Express 17, 13354 (2009).
3. D. Kobat, N. G. Horton, and C. Xu, J. Biomed. Opt. 16, 106014 (2011).
4. Y. Chen, C. P. Liang, Y. Liu, A. H. Fischer, A. V. Parwani, and L. Pantanowitz, J. Pathol. Inform. 3, 22 (2012).
5. W. R. Zipfel, R. M. Williams, and W. W. Webb, Nat. Biotechnol. 21, 1369 (2003).
6. K. Svoboda and R. Yasuda, Neuron 50, 823 (2006).
7. A. C. Kwan and Y. Dan, Current Biology 22, 1459 (2012).
8. H. Guo, H. Aleyasin, S. Howard, B. C. Dickinson, R. Haskew-Layton, D. Kobat, V. S. Lin, D. Rivera, C. J. Chang, R. R. Ratan, and C. Xu, in Proceedings of Optical Molecular Probes, Imaging and Drug Delivery 2011 OtuD3 (2011).
9. Y. Li, H. Lu, P. L. Cheng, S. Ge, H. Xu, S. H. Shi, and Y. Dan, Nature 486, 118 (2012).
10. D. Huber, D. A. Gutnisky, S. Peron, D. H. O'Connor, J. S. Wiegert, L. Tian, T. G. Oertner, L. L. Looger, and K. Svoboda, Nature 484, 473 (2012).
11. T. Ladewig, P. Kloppenburg, P. M. Lalley, W. R. Zipfel, W. W. Webb, and B. U. Keller, J. Physiol. 547, 775 (2003).
12. M. E. McLellan, S. T. Kajdasz, B. T. Hyman, and B. J. Bacskai, J. Neurosci. 23, 2212 (2003).
13. M. Meyer-Luehmann, T. L. Spires-Jones, C. Prada, M. Garcia-Alloza, A. de Calignon, A. Rozkalne, J. Koenigsknecht-Talboo, D. M. Holtzman, B. J. Bacskai, and B. T. Hyman, Nature 451, 720 (2008).
14. M. C. Skala, K. M. Riching, A. Gendron-Fitzpatrick, J. Eickhoff, K. W. Eliceiri, J. G. White, and N. Ramanujam, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 104, 19494 (2007).
15. H.-C. Guo, K. Takashima, A. Sato, H. Yokoyama, M. Mure, Y. Iseki, and H. Tsubokawa, Proc. SPIE 6860, 686020 (2008).
16. D. M. McDonald and P. L. Choyke, Nat. Med. 9, 713 (2003).
17. W.Wang, J. B.Wyckoff, V. C. Frohlich, Y. Oleynikov, S. Huttelmaier, J. Zavadil, L. Cermak, E. P. Bottinger, R. H. Singer, J. G. White, J. E. Segall, and J. S. Condeelis, Cancer Res. 62, 6278 (2002).
18. M. C. Skala, J. M. Squirrell, K. M. Vrotsos, V. C. Eickhoff, A. Gendron-Fitzpatrick, K. W. Eliceiri, and N. Ramanujam, Cancer Res. 65, 1180 (2005).
19. R. K. Jain, L. L. Munn, and D. Fukumura, Nat. Rev. Cancer 2, 266 (2002).
20. S. W. Perry, R. M. Burke, and E. B. Brown, Ann. Biomed. Eng. 40, 277 (2012).
21. J. M. Squirrell, D. L. Wokosin, J. G. White, and B. D. Bavister, Nat. Biotechnol. 17, 763 (1999).
22. T. H. Harris, E. J. Banigan, D. A. Christian, C. Konradt, E. D. TaitWojno, K. Norose, E. H. Wilson, B. John,W. Weninger, A. D. Luster, A. J. Liu, and C. A. Hunter, Nature 486, 545 (2012).
23. H. D. Moreau, F. Lemaitre, E. Terriac, G. Azar, M. Piel, A.-M. Lennon-Dumenil, and P. Bousso, Immunity 37, 351 (2012).
24. P. Steven, F. Bock, G. Huttmann, and C. Cursiefen, PLoS One 6, e26253 (2011).
25. G. D. Victora, T. A. Schwickert, D. R. Fooksman, A. O. Kamphorst, M. Meyer-Hermann, M. L. Dustin, and M. C. Nussenzweig, Cell 143, 592 (2010).
26. M. D. Duncan, J. Reintjes, and T. J. Manuccia, Opt. Lett. 7, 350 (1982).
27. H. Yokoyama, A. Sato, H. C. Guo, K. Sato, M. Murc, and H. Tsubokawa, Opt. Express 16, 17752 (2008).
28. S. Sakadzic, E. Roussakis, M. A. Yaseen, E. T. Mandeville, V. J. Srinivasan, K. Arai, S. Ruvinskaya, A. Devor, E. H. Lo, S. A. Vinogradov, and D. A. Boas, Nat. Methods 7, 755 (2010).
29. X. K. Shu, A. Royant, M. Z. Lin, T. A. Aguilera, V. Lev-Ram, P. A. Steinbach, and R. Y. Tsien, Science 324, 804 (2009).
30. N. C. Shaner, P. A. Steinbach, and R. Y. Tsien, Nat. Methods 2, 905 (2005).
31. D. Shcherbo, I. I. Shemiakina, A. V. Ryabova, K. E. Luker, B. T. Schmidt, E. A. Souslova, T. V. Gorodnicheva, L. Strukova, K. M. Shidlovskiy, O. V. Britanova, A. G. Zaraisky, K. A. Lukyanov, V. B. Loschenov, G. D. Luker, and D. M. Chudakov, Nat. Methods 7, 827 (2010).
32. P. S Weiss, ACS Nano 2, 1977 (2008).
33. A. Roda, Anal. Bioanal. Chem. 396, 1619 (2010).
34. D. R. Larson, W. R. Zipfel, R. M. Williams, S. W. Clark, M. P. Bruchez, F. W. Wise, and W. W. Webb, Science 300, 1434 (2003).
35. J. Park, A. Estrada, K. Sharp, K. Sang, J. A. Schwartz, D. K. Smith, C. Coleman, J. D. Payne, B. A. Korgel, A. K. Dunn, and J. W. Tunnell, Opt. Express 16, 1590 (2008).
36. L. Cao, X.Wang, M. J. Meziani, F. S. Lu, H. F. Wang, P. J. G. Luo, Y. Lin, B. A. Harruff, L. M. Veca, D. Murray, S. Y. Xie, and Y. P. Sun, J. Am. Chem. Soc. 129, 11318 (2007).
37. A. H. Fu, W. W. Gu, C. Larabell, and A. P. Alivisatos, Curr. Opin. Neurobiol. 15, 568 (2005).
38. R. E. Rumbaut and A. J. Sial, Microcirculation 6, 205 (1999).
39. A. M. Derfus, W. C. W. Chan, and S. N. Bhatia, Nano Lett. 4, 11 (2004).
40. M. P. Jain, A. O. Choi, K. D. Nebibert, and D.Maysinger, Nanomed. 4, 277 (2009).
41. W. R. Zipfel, R. M. Williams, R. Christie, A. Y. Nikitin, B. T. Hyman, and W. W. Webb, Proc. Natl. Acad. Sci USA 100, 7075 (2003).
42. G. C. Su, Y. H. Wei, and H. W. Wang, Opt. Express 19, 21145 (2011).
43. H. W. Guo, C. T. Chen, Y. H. Wei, O. K. Lee, V. Gukassyan, F. J. Kao, and H. W. Wang, J. Biomed. Opt. 13, 050505 (2008).
44. H. W. Guo, Y. H. Wei, and H. W. Wang, J. Biomed. Opt. 16, 068001 (2011).
45. S. M. Zhuo, J. Yan, G. Chen, J. X. Chen, Y. C. Liu, J. P. Lu, X. Q. Zhu, X. S. Jiang, and S. S. Xie, Biomed. Opt. Express 2, 615 (2011).
46. P. J. Campagnola and L. M. Loew, Nat. Biotechnol. 21, 1356 (2003).
47. A. Zumbusch, G. R. Holtom, and X. S. Xie, Phys. Rev. Lett. 82, 4142 (1999).
48. J.-X. Cheng and X. S. Xie, J. Phys. Chem. B 108, 827 (2004).
49. C. Xu and W. W. Webb, J. Opt. Soc. Am. B 13, 481 (1996).
50. M. Balu, T. Baldacchini, J. Carter, T. B. Krasieva, R. Zadoyan, and B. J. Tromberg, J. Biomed. Opt. 14, 010508 (2009).
51. H. Guo, K.-I. Sato, K. Takashima, and H. Yokoyama, in Proceedings of International Conference on Ultrafast Phenomena 2006 TuE8 (2006).
52. H. Yokoyama, H. Guo, T. Yoda, K. Takashima, K. Sato, H. Taniguchi, and H. Ito, Opt. Express 14, 3467 (2006).
53. M. Kuramoto, N. Kitajima, H. Guo, Y. Furushima, M. Ikeda, and H. Yokoyama, Opt. Lett. 32, 2726 (2007).
54. S. W. Chu, I. H. Chen, T. M. Liu, P. C. Chen, C. K. Sun, and B. L. Lin, Opt. Lett. 26, 1909 (2001).
55. C. Wang, L. Qiao, F. He, Y. Cheng, and Z. Xu, J. Microsc-Oxford 243, 179 (2011).
56. C. Wang, L. L. Qiao, Z. L. Mao, Y. Cheng, and Z. Z. Xu, J. Opt. Soc. Am. B 25, 976 (2008).
57. K. Murari, Y. Y. Zhang, S. P. Li, Y. P. Chen, M. J. Li, and X. D. Li, Opt. Lett. 36, 1299 (2011).
58. S. Yazdanfar, C. Joo, C. Zhan, M. Y. Berezin, W. J. Akers, and S. Achilefu, J. Biomed. Opt. 15, 030505 (2010).
59. H. Yokoyama, H. Tsubokawa, H. Guo, J. Shikata, K. Sato, K. Takashima, K. Kashiwagi, N. Saito, H. Taniguchi, and H. Ito, J. Biomed. Opt. 12, 054019 (2007).
60. K. Taira, T. Hashimoto, and H. Yokoyama, Opt. Express 15, 2454 (2007).
61. J. R. Unruh, E. S. Price, R. G. Molla, L. Stehno-Bittel, C. K. Johnson, and R. Hui, Opt. Express 14, 9825 (2006).
62. R. Aviles-Espinosa, Y. Ding, M. A. Cataluna, D. Nikitichev, P. Loza-Alvarez, and E. Rafailov, in Proceedings of CLEO: Applications and Technology ATh1M.2 (2012).
63. G. D. Reddy and P. Saggau, J. Biomed. Opt. 10, 064038 (2005).
64. R. H. Jiang, X. H. Lu, D. R. Li, T.W. Quan, X. L. Liu, Q. M. Luo, and S. Q. Zeng, Prog. Biochem. Biophys. 39, 505 (2012).
65. K. H. Kim, C. Buehler, K. Bahlmann, T. Ragan, W. C. Lee, E. Nedivi, E. L. Heffer, S. Fantini, and P. T. So, Opt. Express 15, 11658 (2007).
66. S. S. Howard, A. A. Straub, and C. Xu, in Proceedings of CLEO CWD6 (2010).
67. A. A. Straub, S. S. Howard, and C. Xu, in Proceedings of CLEO: Applications and Technology ATh4C.3 (2012).
68. D. Oron, E. Tal, and Y. Silberberg, Opt. Express 13, 1468 (2005).
69. J. Y. Yu, C. H. Kuo, D. B. Holland, Y.Chen,M. Ouyang, G. A. Blake, R. Zadoyan, and C. L. Guo, J. Biomed. Opt. 16, 116009 (2011).
70. T. A. Planchon, L. Gao, D. E. Milkie, M. W. Davidson, J. A. Galbraith, C. G. Galbraith, and E. Betzig, Nature Methods 8, 417 (2011).
71. P. Kim, M. Puoris'haag, D. Cote, C. P. Lin, and S. H. Yun, J. Biomed. Opt. 13, 010501 (2008).
72. J. C. Jung and M. J. Schnitzer, Opt. Lett. 28, 902 (2003).
73. G. J. Liu, T. Q. Xie, I. V. Tomov, J. P. Su, L. F. Yu, J. Zhang, B. J. Tromberg, and Z. P. Chen, Opt. Lett. 34, 2249 (2009).
74. W. Gobel, J. N. Kerr, A. Nimmerjahn, and F. Helmchen, Opt. Lett. 29, 2521 (2004).
75. M. J. Levene, D. A. Dombeck, K. A. Kasischke, R. P. Molloy, and W.W. Webb, J. Neurophys. 91, 1908 (2004).
76. W. Piyawattanametha, R. P. Barretto, T. H. Ko, B. A. Flusberg, E. D. Cocker, H. Ra, D. Lee, O. Solgaard, and M. J. Schnitzer, Opt. Lett. 31, 2018 (2006).
77. D. R. Rivera, C. M. Brown, D. G. Ouzounov, I. Pavlova, D. Kobat, W. W. Webb, and C. Xu, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 108, 17598 (2011).
78. C. L. Hoy, N. J. Durr, P. Y. Chen, W. Piyawattanametha, H. Ra, O. Solgaard, and A. Ben-Yakar, Opt. Express 16, 9996 (2008).
79. Y. Wu, Y. Leng, J. Xi, and X. Li, Opt. Express 17, 7907 (2009).
80. Y. Y. Zhang, M. L. Akins, K. Murari, J. F. Xi, M. J. Li, K. Luby-Phelps, M. Mahendroo, and X. D. Li, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 109, 12878 (2012).
81. W. Denk, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 91, 6629 (1994).
82. K. A. Kasischke, H. D. Vishwasrao, P. J. Fisher, W. R. Zipfel, and W. W. Webb, Science 305, 99 (2004).
83. H. D. Vishwasrao, A. A. Heikal, K. A. Kasischke, and W. W. Webb, J. Biol. Chem. 280, 25119 (2005).
84. C. Stosiek, O. Garaschuk, K. Holthoff, and A. Konnerth, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 100, 7319 (2003).
85. A. Sobczyk, V. Scheuss, and K. Svoboda, J. Neurosci. 25, 6037 (2005).
86. A. Cheng, J. T. Goncalves, P. Golshani, K. Arisaka, and C. Portera-Cailliau, Nat. Methods 8, 139 (2011).
87. W. Zheng, D. Li, Y. Zeng, Y. Luo, and J. Y. Qu, Biomed. Opt. Express 2, 71 (2010).
88. D. Li, W. Zheng, Y. Zeng, Y. Luo, and J. Y. Qu, Opt. Lett. 36, 834 (2011).
89. M. A. DeBernardi and G. Brooker, Method Enzymol. 414, 317 (2006).
90. B. C. Dickinson, J. Peltier, D. Stone, D. V. Schaffer, and C. J. Chang, Nat. Chem. Biol. 7, 106 (2011).
91. J. R. Stone and S. Yang, Antioxid Redox Signal 8, 243 (2006).
92. M. A. Go, C. Stricker, S. Redman, H.-A. Bachor, and V. R. Daria, J. Biophoton. 5, 745 (2012).
93. N. Nishimura, C. B. Schaffer, B. Friedman, P. S. Tsai, P. D. Lyden, and D. Kleinfeld, Nat. Methods 3, 99 (2006).
94. J. Bosch, S. Yusuf, J. Pogue, P. Sleight, E. Lonn, B. Rangoonwala, R. Davies, J. Ostergren, J. Probstfield, and H. Investigators, Brit. Med. J. 324, 699 (2002).
95. S. Cho, E. M. Park, M. Febbraio, J. Anrather, L. Park, G. Racchumi, R. L. Silverstein, and C. Iadecola, J. Neurosci. 25, 2504 (2005).
96. Y. Bao, L. Y. Qin, E. Kim, S. Bhosle, H. C. Guo, M. Febbraio, R. E. Haskew-Layton, R. Ratan, and S. Cho, J. Cerebr. Blood Flow Met. 32, 1567 (2012).
97. H. Ujike, M. Takaki, M. Kodama, and S. Kuroda, Ann. Ny. Acad. Sci. 965, 55 (2002).
98. T. H. Chia and M. J. Levene, J. Neurophys. 102, 1310 (2009).
99. S. Zhuo, X. Zhu, G. Wu, J. Chen, and S. Xie, J. Biomed. Opt. 16, 120501 (2011).
100. S. Zhuo, J. Yan, G. Chen, H. Shi, X. Zhu, J. Lu, J. Chen, and S. Xie, Plos One 7, e38655 (2012).
101. M. Elangovan, H. Wallrabe, Y. Chen, R. N. Day, M. Barroso, and A. Periasamy, Methods 29, 58 (2003).
102. K. M. Berland, P. T. C. So, and E. Gratton, Biophys. J. 68, 694 (1995).
103. S. A. Kim, K. G. Heinze, and P. Schwille, Nat Methods 4, 963 (2007).
104. R. Yasuda, C. D. Harvey, H. Zhong, A. Sobczyk, L. van Aelst, and K. Svoboda, Nat. Neurosci. 9, 283 (2006).
105. Y. E. Chen and A. Periasamy, Microsc. Res. Techniq. 63, 72 (2004).
106. A. Jeshtadi, P. Burgos, C. D. Stubbs, A. W. Parker, L. A. King, M. A. Skinner, and S. W. Botchway, J. Virol 84, 12886 (2010).
107. K. Kucharz, T. Wieloch, and H. Toresson, J. Cereb Blood Flow Met. 31, 1663 (2011).
108. G. Moneron and S. W. Hell, Opt. Express 17, 14567 (2009).
109. P. Bianchini and A. Diaspro, J. Microsc-Oxford 245, 225 (2012).
110. N. Jia, T. R. Sato, and E. Betzig, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 109, 22 (2012).
111. N. Ji, D. E. Milkie, and E. Betzig, Nat. Methods 7, 141 (2010).
112. E. Papagiakoumou, F. Anselmi, A. Begue, V. de Sars, J. Gluckstad, E. Y. Isacoff, and V. Emiliani, Nat. Methods 7, 848 (2010).
113. B. K. Andrasfalvy, B. V. Zemelman, J. Tang, and A. Vaziri, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 107, 11981 (2010).
114. J. P. Rickgauer and D. W. Tank, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 106, 15025 (2009).
115. S. A. Yuan, C. A. Roney, J. Wierwille, C. W. Chen, B. Y. Xu, G. Griffiths, J. Jiang, H. Z. Ma, A. Cable, R. M. Summers, and Y. Chen, Phys. Med. Biol. 55, 191 (2010).
116. J. Xi, K. Murari, Y. Zhang, Y. Chen, J. Li, and X. Li, in Proceedings of Bio-Optics: Design and Application BWA5 (2011).
117. B. Jeong, B. Lee, M. S. Jang, H. Nam, S. J. Yoon, T. Wang, J. Doh, B. G. Yang, M. H. Jang, and K. H. Kim, Opt. Express 19, 13089 (2011).
118. C. Vinegoni, T. Ralston, W. Tan, W. Luo, D. L. Marks, and S. A. Boppart, Appl. Phys. Lett. 88, 053901 (2006).
119. S. Tang, C. H. Sun, T. B. Krasieva, Z. P. Chen, and B. J. Tromberg, Opt. Lett. 32, 503 (2007).
120. J. Kneipp, H. Kneipp, and K. Kneipp, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 103, 17149 (2006).
121. C. H. Chien, W. W. Chen, J. T. Wu, and T. C. Chang, J. Biomed. Opt. 16, 016012 (2011).