PRISM 기술, 빛 회절 한계 넘어 살아있는 세포 4D 이미징 구현

연구진이 빛의 회절을 넘어 관찰할 수 있는 새로운 기술(PRISM)을 개발했습니다. 초고해상도 공간·시간 이미징으로 살아있는 세포 내부를 탁월하게 포착합니다.

4D 세포 현미경 작동 원리

지난 수십 년간 PALM, STORM 같은 광시야 형광 이미징 기법으로 세포내 구조를 관찰해 왔습니다. 이 방법들은 긴 시퀀스에서 수백 수천 장의 원시 이미지를 필요로 합니다. 따라서 공간 해상도를 높이면 시간 해상도가 떨어집니다.

이제 스위스 로잔의 연구기관 EPFL 연구진이 공간과 시간 모두에서 초고해상도 이미징으로 살아있는 세포 내부를 탁월하게 포착하는 시스템을 설계했습니다.

새 현미경 플랫폼인 PRISM(Phase Retrieval Instrument with Super-resolution Microscopy)은 빛의 회절을 넘어 관찰할 수 있습니다. 3차원 현미경과 백색광 3차원 위상 검출의 새로운 기법을 통합합니다.

형광 초고해상도의 공간 해상도와 분자 특이성을 고속·고감도 정량적 위상 이미징과 결합해, 다중모드 4차원 이미징을 가능하게 합니다.

작동 원리

연구진은 푸리에 필터링으로 백색광 이미지 어레이에서 3D 정량적 위상을 추출했습니다. 그런 다음 3D 부분적 결상 이미지 형성을 통해 이 밝은 필드 심도 분해 위상 이미징을 설명했습니다.

안정적인 세포의 고해상도 3D 위상 데이터를 z-변위 강도의 큰 스택에서 검색함으로써 개념을 입증했습니다. 동시 8개 평면 획득을 위해 PRISM을 개발했습니다 — 2.5×50×50마이크로미터 부피에서 고속 3D 위상 이미징을 수행합니다. 마지막으로 3D 위상 현미경과 초고해상도 광학 변동 이미징(SOFI)으로 세포 샘플을 순차적으로 이미징했습니다.

SOFI는 다중 평면 현미경에서 거의 초당 1장 재구성 화상의 시간 해상도로 살아있는 세포 3D 이미징을 지원합니다. 또한 분자 매개변수의 정량적 평가를 제공하고 높은 라벨링 밀도를 견딥니다.

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

간단히 말해, PRISM은 현재 광시야 현미경 플랫폼의 애드온으로, 3D 형광 초고해상도 이미징과 3D 정량적 위상의 단순하고 빠른 구현을 가능하게 합니다. 결론적으로 새 시스템은 살아있는 세포의 시간적 생리학과 복잡한 공간 구조를 관찰할 더 나은 기회를 제공합니다.

기술적 세부사항

PRISM 기술로 관찰된 세포 | 출처: T. Lasser / EPFL

헬름홀츠 파동 방정식에 기반해, 이 기술은 위너-킨친(Wiener–Khintchine) 정리 프레임워크에 내장됩니다. z축을 따라 위상 데이터를 디코딩하는 과정은 전방 약산란 간섭 계산을 통해 수행됩니다.

획득한 부피 강도 스택에서 3D 위상 데이터를 복원하는 효율적 알고리즘을 구축했습니다. 높은 검출 수치 개구수와 백색광 쾰러 조명(Koehler illumination)이 얼룩 없는 고해상도 안정적 정량 위상 이미징을 제공합니다. 또한 시뮬레이션으로 350×560나노미터 축 방향 해상도가 검증되었습니다.

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전반적으로 이 절차는 기존 밝은 필드 현미경을 단순, 빠르고 신뢰할 수 있는 3D 위상 현미경으로 업그레이드할 수 있게 하며, 생명과학과 생물학의 수많은 조사와 응용에 대한 기대를 충족시킬 것으로 기대됩니다.