Noninvasive morpho-molecular imaging for cancer and developmental biology

Valuable information to trace the history and fate of cell states is encoded in pristine cells under their living physiological conditions. Conventional cell characterization tools, such as label-based microscopy, proteomics, metabolomics, and genomics, possess a destructive, perturbing, and often qualitative nature. Additionally, they necessitate extensive sample manipulation, introducing artifacts and biases into the results. Consequently, these methods hinder the profiling of living cells in their original and dynamic states, limiting our biological and biomedical understanding. This thesis work harnesses biophotonics and the non-invasive nature of laser light to drive biomedical discovery. I integrated advanced tools for label-free quantitative chemical imaging, including spontaneous and coherent Raman micro-spectroscopy, and multi-photon microscopy, with state-of-the-art label-free quantitative morphological imaging based on holography and tomographic phase microscopy. Such a multimodal all-optical approach allowed me to monitor unperturbed cell state dynamics, while standard omics and labeled fluorescence data were employed for reference and benchmarking. To overcome the intrinsically high variability of biological phenomena, I developed systematic experimental workflows that effectively extracted statistically significant morpho-molecular patterns. This approach enabled me to shed new light on two elusive cell states in contemporary life science research. Firstly, I revealed and characterized the early onset and progression of therapy-induced senescence in cancer — a cell state fueling tumor dormancy and relapse. Secondly, I unveiled the early phenotypic events of embryonic development during the initial pluripotency exit transition, predicting the expression of the first germ layer-like multipotent cell types. This thesis proves the potential of leveraging light-matter interactions to uncover the hidden dynamics of living cells, escaping the limitations of traditional methods and opening new frontiers in biomedical practice.

Informazioni preziose per tracciare la storia e il destino degli stati cellulari sono codificate in cellule intatte, nelle loro condizioni fisiologiche vitali. Gli strumenti convenzionali di caratterizzazione cellulare, come la microscopia basata su marcatori, la proteomica, la metabolomica e la genomica, hanno una natura distruttiva, perturbante e spesso qualitativa. Inoltre, richiedono una estensiva manipolazione del campione, introducendo artefatti e distorsioni nei risultati. Questi metodi ostacolano la caratterizzazione di cellule vitali nei loro stati originali e dinamici, limitando la nostra comprensione biologica e biomedica. Questo lavoro di tesi sfrutta la biofotonica e la natura non invasiva della luce laser per guidare la scoperta biomedica. Ho integrato strumenti avanzati per l'imaging chimico quantitativo senza marcatori, tra cui la micro-spettroscopia Raman spontanea e coerente e la microscopia multi-fotone, con l'avanguardia dell'imaging morfologico quantitativo senza marcatori, basato sull'olografia e la microscopia tomografica di fase. Un tale approccio multimodale, completamente ottico, mi ha permesso di monitorare le dinamiche non disturbate degli stati cellulari, mentre dati standard omici e di marcature in fluorescenza sono stati impiegati come riferimento. Per superare l'elevata variabilità intrinseca dei fenomeni biologici, ho sviluppato progetti sperimentali sistematici che hanno consentito di estrarre efficacemente andamenti morfo-molecolari statisticamente significativi. Questo approccio mi ha permesso di far luce su due stati cellulari enigmatici nella ricerca contemporanea. In primo luogo, ho rivelato e caratterizzato l'inizio e la progressione della senescenza indotta dalla terapia nelle cellule di cancro — uno stato cellulare che alimenta la dormienza e la ricaduta tumorale. In secondo luogo, ho svelato gli eventi fenotipici precoci dello sviluppo embrionale durante la transizione iniziale in uscita dalla pluripotenza, prevedendo l'espressione dei primi tipi cellulari multipotenti dovuti all'insorgenza di strati germinativi. Questa tesi dimostra il potenziale di sfruttare le interazioni tra luce e materia per scoprire le dinamiche nascoste delle cellule viventi, sfuggendo alle limitazioni dei metodi tradizionali e aprendo nuove frontiere nella pratica biomedica.