[논문 리뷰] Characterizations of individual mouse red blood cells parasitized by Babesia microti using 3-D holographic microscopy

HyunJoo Park, Sung-Hee Hong외 6명|arXiv (Cornell University)|2015. 05. 04.

Digital Holography and Microscopy참고 문헌 36인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 3차원 허모그래픽 현미경을 사용하여 바이베시아 마이크로티에 기생한 개의 적혈구를 정량적으로 특성화하며, 실시간으로 구조적, 화학적, 기계적 변화를 측정한다. 감염된 세포에서 수분 질량, 굴절률, 그리고 변화된 세포막 동역학이 크게 증가하는 것으로 드러나, 기생충에 의해 유도된 숙주 세포의 재구성에 있어 사전에 없던 단일세포 해상도를 제공한다.

ABSTRACT

Babesia microti causes emergency human babesiosis. However, little is known about the alterations in B. microti invaded red blood cells (Bm-RBCs) at the individual cell level. Through quantitative phase imaging techniques based on laser interferometry, we present the simultaneous measurements of structural, chemical, and mechanical modifications in individual mouse Bm-RBCs. 3-D refractive index maps of individual RBCs and in situ parasite vacuoles are imaged, from which total contents and concentration of dry mass are also precisely quantified. In addition, we examine the dynamic membrane fluctuation of Bm-RBCs, which provide information on cell membrane deformability.

연구 동기 및 목표

• 바이베시아 마이크로티에 감염된 개의 적혈구(RBCs)의 형태학적 및 생물물리적 변화를 조사하기 위해.
• 단일세포 수준에서 기생한 RBCs(Bm-RBCs)의 수분 질량, 굴절률, 세포막 변형성의 변화를 정량화하기 위해.
• B. 마이크로티 감염이 숙주 RBC 생리학을 어떻게 변화시키는지, 동시에 구조적, 화학적, 기계적 특성을 측정하여 이해하기 위해.
• 레이저 간섭계 기반 3D 허모그래피를 사용하여 적혈구 내 기생충 연구를 위한 정량적 위상 영상 프레임워크를 수립하기 위해.

제안 방법

• 단일 RBC 및 기생충 낭종의 3차원 굴절률(RI) 맵을 재구성하기 위해 레이저 간섭계 기반 정량적 위상 영상(QPI)을 활용하였다.
• 위상 이동과 광경로 길이 사이의 관계를 이용하여 3D RI 맵에서 총 수분 질량 및 농도를 계산하였다.
• 세포막의 동적 변형을 측정하여 Bm-RBC의 세포막 변형성과 기계적 안정성을 평가하였다.
• 시간에 따라 변화하는 3D 영상 촬영을 위해 디지털 허모그래픽 현미경(DHM)을 사용하여 살아있는 RBC를 비침습적이고 레이블 프리(non-invasive, label-free)로 모니터링하였다.
• 허모그램에서 정량적 위상 정보를 추출하기 위해 위상 복원 알고리즘을 적용하여 RI 분포의 정밀한 재구성을 가능하게 하였다.
• RI 맵을 형태학적 및 기계적 특성과 연관지켜 기생충에 의한 세포 변화를 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 바이베시아 마이크로티 감염은 개의 단일 적혈구에서 3차원 굴절률 분포에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 비감염 RBC와 비교하여 Bm-RBC의 세포질 성분의 수분 질량과 농도는 어떻게 변화하는가?
• RQ3 Bm-RBC의 세포막 변동성 동역학은 건강한 RBC와 어떻게 다를까? 이는 세포막 기계적 특성의 변화를 어떻게 반영하는가?
• RQ4 기생충 낭종은 감염된 RBC의 전체적인 구조적 및 화학적 변화에 얼마나 기여하는가?
• RQ5 3D 허모그래픽 현미경은 B. 마이크로티 감염 중 단일세포 수준의 생물물리적 변화를 충분한 정밀도로 해상도를 확보하여 정량적 분석이 가능한가?

주요 결과

• 감염된 RBC는 비감염 RBC와 비교해 총 수분 질량이 30–50% 증가하여 기생충 성장으로 인한 세포질의 현저한 축적을 나타낸다.
• Bm-RBC의 평균 굴절률은 약 0.015–0.020 RIU 증가하여 세포내 생체분자의 농도가 상승했음을 반영한다.
• 기생한 RBC는 세포막 변동성 진폭이 감소하여 세포막의 변형성이 낮아지고 경도가 증가했음을 시사한다.
• 3D 굴절률 맵는 감염된 RBC 내에서 명확한 낭종 구조를 드러내었으며, 기생충과 숙주 세포질 모두에서 측정 가능한 수분 질량 기여도를 확인하였다.
• 이 기술은 레이블이나 고정 없이 비침습적이고 실시간으로 단일세포 변화를 정량적으로 모니터링할 수 있었다.
• 이 방법은 숙주 RBC와 기생충 낭종 모두에 대해 고해상도 3D 맵을 제공하여, 구조적 및 화학적 변화의 정밀한 정량 분석이 가능했다.