PRISM 기술은 공간과 시간에서 라이브 세포 이미징을 위한 빛 회절 한계를 깨뜨립니다.

• 연구원들이 빛의 회절 너머까지 관찰할 수 있는 새로운 기술(PRISM)을 개발했습니다. 
• 초해상도 공간 및 시간 이미징을 통해 살아있는 세포 내부의 탁월한 시야를 포착할 수 있습니다. 

지난 수십 년 동안 우리는 세포 내 구조를 관찰하기 위해 PALM 및 STORM과 같은 광시야 형광 이미징 방법을 사용해 왔습니다. 이러한 방법을 사용하려면 긴 시퀀스에 수백 수천 개의 원시 이미지가 필요합니다. 따라서 공간 해상도를 높이면 시간 해상도가 감소합니다.

이제 EPFL(스위스 로잔 연구 기관)의 연구원들은 초해상도 공간 및 시간 이미징(공간 및 시간 모두)을 통해 살아있는 세포 내부의 탁월한 시야를 포착할 수 있는 시스템을 설계했습니다.

PRISM(초해상도 현미경을 갖춘 위상 검색 장비)이라는 새로운 현미경 플랫폼은 빛의 회절 너머까지 관찰할 수 있습니다. 3차원 현미경과 백색광 3차원 위상 검색을 위한 새로운 기술을 통합합니다.

형광 초해상도와 분자 특이성의 공간 분해능을 고속, 고감도 정량 위상 이미징과 결합하여 다중 모드 4차원 이미징을 가능하게 합니다. 

4D 세포 현미경은 어떻게 작동하나요?

연구원들은 푸리에 필터링을 사용하여 일련의 백색광 이미지에서 3D 정량적 위상을 추출했습니다. 그런 다음 그들은 3D 부분 일관성 이미지 형성을 통한 명시야 심도 분해 위상 이미징에 대해 설명했습니다.

그들은 z-변위 강도의 큰 스택에서 안정 셀의 고해상도 3D 위상 데이터를 검색하여 개념을 시연했습니다. 그들은 8개의 평면을 동시에 획득하기 위한 PRISM을 개발했습니다. 이는 2.5*50*50 마이크로미터의 부피에 걸쳐 고속 3D 위상 이미징을 수행할 수 있습니다. 마지막으로 그들은 위상 현미경과 초고해상도 광학 변동 이미징(SOFI)을 사용하여 3D로 세포 샘플을 순차적으로 이미지화했습니다.

SOFI는 다중 평면 현미경에서 재구성된 시간 분해능 사진당 거의 1초로 살아있는 세포의 3D 이미징을 지원합니다. 또한 분자 매개변수의 정량적 평가를 제공하고 높은 라벨링 밀도를 허용합니다.

참고 자료: Nature Photonics | doi:10.1038/s41566-018-0109-4 | EPFL

간단히 말해서 PRISM은 현재의 광시야 현미경 플랫폼에 대한 추가 기능으로, 3D 형광 초해상도 이미징 및 3D 정량 위상을 간단하고 빠르게 구현할 수 있습니다. 결론적으로, 새로운 시스템은 살아있는 세포의 시간적 생리학과 복잡한 공간을 관찰할 수 있는 더 나은 기회를 제공합니다.

기술적 세부정보

PRISM 기술로 관찰한 세포 | 출처:T. Lasser/EPFL

헬름홀츠 파동 방정식을 기반으로 하는 이 기술은 Wiener-Khintchine 정리의 틀에 포함되어 있습니다. z축을 따라 위상 데이터를 디코딩하는 프로세스는 전방 약한 산란 간섭을 계산하여 수행됩니다.

그들은 획득한 체적 강도 스택에서 3D 위상 데이터를 복구하는 효율적인 알고리즘을 구축했습니다. 높은 검출 개구수와 백색광 Koehler 조명은 얼룩 없는 고해상도와 살아있는 세포의 안정적인 정량적 위상 이미징을 제공합니다. 또한 시뮬레이션을 통해 350*560나노미터의 축 해상도를 검증했습니다. 

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전반적으로, 이 절차를 통해 기존의 명시야 현미경을 간단하고 빠르며 신뢰할 수 있는 3D 위상 현미경으로 업그레이드할 수 있으며, 이는 생명 과학 및 생물학 분야의 수많은 조사 및 응용에 대한 기대를 충족할 것으로 예상됩니다.