두꺼운 조직에서의 적응형 광학을 이용한 고해상도 3D 구조화 조명 현미경 영상

Core Concepts

적응형 광학을 통해 130 μm 깊이까지 복잡한 조직에서 고해상도 3D 구조화 조명 현미경 영상을 가능하게 하는 새로운 현미경 시스템 개발

Abstract

이 연구에서는 적응형 광학을 통해 깊이 의존적 수차를 보정하고 원격 초점 기능을 제공하는 새로운 3D 구조화 조명 현미경 시스템(Deep3DSIM)을 개발하였다. 이를 통해 기존 상용 3D-SIM 시스템의 한계를 극복하고 130 μm 깊이까지 복잡한 생물학적 시료에서 고해상도 3D 영상을 획득할 수 있었다.
주요 내용은 다음과 같다:

적응형 광학을 통해 시료 유발 수차를 보정하고 원격 초점 기능을 구현하여 시료 이동 없이 깊이 방향으로 고해상도 3D 영상 획득 가능
이를 통해 고정된 Drosophila 신경근 접합부와 뇌 조직, 살아있는 Drosophila 배아에서 깊이 의존적 수차를 보정한 고해상도 3D-SIM 영상 획득
다중 위치 수차 보정 기법을 통해 두꺼운 시료에서 원격 초점 기능과 결합하여 시간 분해능이 높은 4D 영상 획득 가능
이 연구는 적응형 광학과 원격 초점 기능을 3D-SIM에 통합하여 두꺼운 생물학적 시료에서 고해상도 3D 영상 획득을 가능하게 하였다. 이는 살아있는 시료에 대한 실험 조작과 함께 고해상도 영상을 얻을 수 있는 새로운 가능성을 제시한다.

Stats

100 nm 형광 비즈를 이용한 실험에서 3D-SIM 모드의 FWHM 해상도는 XY 방향 176 nm, Z 방향 566 nm로 측정되었다.
COS-7 세포 실험에서 3D-SIM 모드의 해상도는 XY 방향 187 nm, Z 방향 208 nm로 측정되었다.
Drosophila 뇌 조직 실험에서 130 μm 깊이에서 3D-SIM 영상의 해상도는 약 200 nm로 유지되었다.

Quotes

"적응형 광학을 통해 130 μm 깊이까지 복잡한 조직에서 고해상도 3D 구조화 조명 현미경 영상을 가능하게 하는 새로운 현미경 시스템 개발"
"이 연구는 적응형 광학과 원격 초점 기능을 3D-SIM에 통합하여 두꺼운 생물학적 시료에서 고해상도 3D 영상 획득을 가능하게 하였다."

Key Insights Distilled From

Deep super-resolution imaging of thick tissue using structured illumination with adaptive optics

by Wang,J., Sto... at www.biorxiv.org 12-22-2023

https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2023.12.21.572818v2

Deeper Inquiries

3D-SIM 기술의 시간 분해능을 더 높이기 위해서는 어떤 방법들이 추가로 필요할까?

3D-SIM 기술의 시간 분해능을 높이기 위해서는 몇 가지 방법이 추가로 필요합니다. 첫째, 이미지 획득 속도를 향상시켜야 합니다. 빠른 이미지 획득은 빠른 시간 내에 다양한 시간점에서 데이터를 수집할 수 있게 해줍니다. 이를 위해 더 빠른 카메라나 SLM과 같은 장비를 도입하여 이미지 획득 속도를 향상시킬 필요가 있습니다. 둘째, 더 정교한 데이터 처리 및 재구성 알고리즘을 개발해야 합니다. 높은 해상도의 3D 이미지를 빠르게 처리하고 재구성하는 알고리즘은 시간 분해능을 향상시키는 데 중요합니다. 마지막으로, 더 정확한 광학 시스템 보정을 위해 더 발전된 적응형 광학 기술을 도입할 필요가 있습니다. 광학 시스템의 왜곡을 보정함으로써 더 정확한 이미지를 얻을 수 있어 시간 분해능을 향상시킬 수 있습니다.

적응형 광학 기술을 다른 종류의 현미경 기술(예: 공초점, 다광자 현미경 등)에 적용하면 어떤 장점이 있을까?

적응형 광학 기술을 다른 종류의 현미경 기술에 적용하면 여러 가지 장점이 있을 수 있습니다. 먼저, 공초점 현미경에서 적응형 광학 기술을 사용하면 광학 시스템의 왜곡을 보정하여 더 정확한 이미지를 얻을 수 있습니다. 이는 공초점 현미경의 해상도와 성능을 향상시키는 데 도움이 될 것입니다. 또한, 다광자 현미경에서 적응형 광학 기술을 사용하면 광학 시스템의 왜곡을 보정하여 더 정확한 다광자 이미지를 얻을 수 있습니다. 이는 다광자 현미경의 해상도와 광학 성능을 향상시키는 데 도움이 될 것입니다. 적응형 광학 기술은 다양한 현미경 기술에 적용될 수 있으며, 각각의 장점을 극대화하여 더 정확하고 고해상도의 이미지를 얻을 수 있습니다.

이 연구에서 개발된 기술을 이용하여 어떤 새로운 생물학적 발견이 가능할까?

이 연구에서 개발된 Deep3DSIM 기술을 이용하면 여러 가지 새로운 생물학적 발견이 가능할 것으로 기대됩니다. 첫째, 깊은 조직 내부에서의 고해상도 3D 이미징을 통해 세포나 조직의 미세한 구조를 더 자세히 관찰할 수 있습니다. 이를 통해 세포 내부의 다양한 구조와 상호작용을 이해하는 데 도움이 될 것입니다. 둘째, 생체 내에서의 동적인 생물학적 프로세스를 실시간으로 관찰하고 분석할 수 있습니다. 이를 통해 세포 분열, 세포 운동, 뇌 활동 등 다양한 생물학적 현상을 연구하는 데 새로운 통찰을 제공할 수 있습니다. 마지막으로, 적응형 광학 기술을 통해 광학 시스템의 왜곡을 보정하고 광학 성능을 최적화할 수 있습니다. 이는 다양한 생물학적 샘플에서 더 정확하고 신뢰할 수 있는 이미지 획득을 가능케 하여 생물학적 연구에 새로운 가능성을 제공할 것입니다.