새로운 이미징 플랫폼은 세포 구조의 3D 시각화를 혁신합니다.

라이스 대학의 Anna-Karin Gustavsson이 이끄는 연구진은 나노 스케일에서 세포 구조에 대한 이해를 개선할 것을 약속하는 혁신적인 이미징 플랫폼을 개발했습니다. 3D 점 확산 함수(PSF)를 갖춘 단일 목적 기울어진 광 시트를 위한 soTILT3D라는 이 플랫폼은 초고해상도 현미경에서 상당한 발전을 제공하여 세포 외 환경을 제어하고 유연하게 조정할 수 있는 동시에 여러 세포 구조의 빠르고 정확한 3D 이미징을 가능하게 합니다. 이 연구는 최근 Nature Communications 에 게재되었습니다.

나노스케일에서 세포를 연구하면 세포 행동을 주도하는 복잡한 메커니즘에 대한 통찰력을 얻을 수 있어 연구자는 건강과 질병을 이해하는 데 필수적인 세부 사항을 발견할 수 있습니다. 이러한 세부 사항은 분자 상호작용이 세포 기능에 어떻게 기여하는지 보여줄 수 있으며, 이는 표적 치료를 발전시키고 질병 병인을 이해하는 데 중요합니다.

기존의 형광 현미경은 세포 구조를 연구하는 데 유용했지만, 빛의 회절로 인해 수백 나노미터보다 작은 특징을 분해하는 능력이 제한되었습니다. 게다가 단일 분자 초고해상도 현미경은 나노스케일에서 생물학적 구조에 대한 획기적인 통찰력을 제공했지만, 기존 기술은 종종 높은 배경 형광과 느린 이미징 속도로 어려움을 겪습니다. 특히 두꺼운 샘플이나 복잡한 세포 응집체를 다룰 때 그렇습니다. 또한 일반적으로 샘플 환경에 대한 정밀하고 조절 가능한 제어가 부족합니다.

soTILT3D 플랫폼은 이러한 과제를 직접 해결합니다. 각진 광 시트, 나노 인쇄 마이크로유체 시스템 및 고급 계산 도구를 시너지 효과로 통합함으로써 soTILT3D는 이미징 정밀도와 속도를 크게 개선하여 기존에 어려운 샘플에서도 나노 스케일에서 서로 다른 세포 구조가 어떻게 상호 작용하는지 더 명확하게 시각화할 수 있습니다.

주요 혁신

soTILT3D 플랫폼은 단일 목적의 기울어진 광 시트를 사용하여 샘플의 얇은 조각을 선택적으로 조명하여 초점이 맞지 않은 영역의 배경 형광을 줄임으로써 대비를 효과적으로 향상시킵니다. 특히 포유류 세포와 같은 두꺼운 생물학적 샘플에서 그 효과가 뛰어납니다.

"광 시트는 이미징을 위해 현미경에서 사용되는 것과 동일한 대물렌즈를 사용하여 형성되며, 완전히 조종 가능하고, 광 시트 현미경에서 흔히 발생하는 그림자 아티팩트를 제거하기 위해 디더링되며, 커버슬립까지 이미징이 가능하도록 각도가 조정됩니다." 라이스의 화학 조교수이자 이 연구의 책임 저자인 구스타브손이 말했습니다. "이를 통해 위에서 아래까지 전체 샘플을 향상된 정밀도로 이미징할 수 있습니다."

또한 이 플랫폼은 맞춤형 금속화 마이크로미러가 내장된 맞춤형 마이크로유체 시스템을 통합하여 세포 외 환경을 정밀하게 제어하고 신속한 용액 교환이 가능합니다. 이는 색상 오프셋 없이 연속적인 다중 표적 이미징에 적합하며, 동시에 샘플에 광 시트가 반사되는 데 이상적입니다.

"마이크로미러가 있는 마이크로유체 칩과 나노인쇄 인서트의 디자인과 기하학은 다양한 샘플과 길이 규모에 맞게 쉽게 조정할 수 있어 다양한 실험 설정에서 다양성을 제공합니다."라고 라이스의 Smalley-Curl 연구소와 응용물리학 대학원 프로그램에도 소속된 대학원생 Gabriella Gagliano와 함께 논문의 공동 1저자인 Nahima Saliba가 말했습니다.

또한, soTILT3D는 향상된 이미징 속도를 위한 더 높은 형광체 농도 분석을 위한 딥러닝과 실시간 드리프트 보정을 위한 알고리즘과 같은 계산 도구를 활용하여 장시간에 걸쳐 안정적이고 고정밀의 이미징을 구현합니다.

Saliba는 "이 플랫폼의 PSF 엔지니어링은 단일 분자의 3D 이미징을 가능하게 하고, 딥러닝은 기존 알고리즘이 처리하기 어려웠던 고밀도 방출 조건을 처리하여 수집 속도를 크게 향상시킵니다."라고 말했습니다.

SoTILT3D의 마이크로유체 장치는 또한 자동화된 Exchange-PAINT 이미징을 지원하여 나노 스케일에서 심층적으로 이미징할 때 다색 접근 방식에서 흔히 발생하는 색상 오프셋 없이 다양한 대상을 순차적으로 시각화할 수 있습니다.

획기적인 결과

soTILT3D 플랫폼은 이미징 정밀도와 속도에서 놀라운 개선을 보였습니다. 이 플랫폼의 각진 광 시트는 세포 이미징을 위한 신호 대 배경 비율을 기존 에피 조명 방법에 비해 최대 6배까지 개선하여 대비를 개선하고 정확한 나노스케일 국소화를 가능하게 합니다.

Gagliano는 "이 수준의 세부 사항은 기존 접근 방식으로는 관찰하기 어려웠던 3D 세포 구조의 복잡한 측면을 보여줍니다."라고 말했습니다.

속도 면에서 soTILT3D는 높은 방출 밀도와 딥 러닝 분석과 결합하면 10배의 증가를 제공하여 연구자들이 일반적인 시간의 일부에 불과한 시간 안에 전체 세포에서 핵 층, 미토콘드리아 및 세포막 단백질과 같은 복잡한 구조의 자세한 이미지를 캡처할 수 있습니다. 또한 이 플랫폼은 정확한 전체 세포 3D 다중 표적 이미징을 지원하여 전체 세포 내의 여러 단백질 분포를 캡처하고 그 사이의 나노 스케일 거리를 측정합니다. 연구자들은 이제 핵 층 단백질 라민 B1 및 라민 A/C와 층 관련 단백질 2와 같이 밀접하게 위치한 단백질의 공간적 배열을 놀라운 정밀도와 정확도로 시각화하여 단백질 조직과 세포 기능 조절에서의 역할에 대한 새로운 통찰력을 제공할 수 있습니다.

생물학 및 의학 분야의 광범위한 응용 분야

soTILT3D 플랫폼은 다양한 분야의 연구자들에게 새로운 가능성을 열어줍니다. 줄기 세포 응집체를 포함한 복잡한 샘플을 이미징하는 기능은 개별 세포 너머로 응용 범위를 확장합니다. 마이크로유체 시스템의 생체적합성은 생세포 이미징에 적합하여 과학자들이 광 손상을 줄이면서 다양한 자극에 대한 세포 반응을 실시간으로 연구할 수 있습니다. 정밀하게 제어되는 용액 교환 기능 덕분에 soTILT3D는 약물 치료가 세포에 미치는 영향을 실시간으로 테스트하는 데 이상적인 도구입니다.

"soTILT3D를 통해 우리의 목표는 기존의 초고해상도 현미경의 한계를 극복하는 유연한 이미징 도구를 만드는 것이었습니다."라고 Gustavsson은 말했습니다. "이러한 발전이 생물학, 생물물리학 및 생물의학 연구를 향상시켜 나노스케일에서의 복잡한 상호작용이 건강과 병인에서 세포 기능을 이해하는 데 핵심이 되기를 바랍니다."

본 연구는 미국 국립보건원 산하 국립일반의학연구소의 보조금 R00GM134187과 보조금 R35GM155365, 웰치 재단 보조금 C-2064-20210327, 텍사스 암예방연구소의 보조금 RR200025의 창업 자금으로 일부 재정 지원을 받았습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/11/241126191730.htm