[논문 리뷰] Label-free biochemical quantitative phase imaging with mid-infrared photothermal effect

Miu Tamamitsu, Keiichiro Toda외 7명|arXiv (Cornell University)|2019. 12. 05.

Digital Holography and Microscopy참고 문헌 32인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 광열 효과를 활용하여 단일 세포의 정량적 위상 정보와 중적외선 분자 진동 스펙트럼을 동시에 캡처하는 혁신적인 레이블 프리 영상 기술을 제시한다. 중적외선 흥분을 통해 유도된 열팽창을 정량적 위상 영상 기술로 감지함으로써, 이 방법은 낮은 광세포독성으로 인해 현장에서 비침습적이고 견고한 세포소기관 수준의 형태학적 및 생화학적 특성 분석을 가능하게 한다.

ABSTRACT

Label-free optical imaging is valuable in biology and medicine with its non-destructive property and reduced optical and chemical damages. Quantitative phase (QPI) and molecular vibrational imaging (MVI) are the two most successful label-free methods, providing morphology and biochemistry, respectively, that have pioneered numerous applications along their independent technological maturity over the past few decades. However, the distinct label-free contrasts are inherently complementary and difficult to integrate due to the use of different light-matter interactions. Here, we present a unified imaging scheme that realizes simultaneous and in-situ acquisition of MV-fingerprint contrasts of single cells in the framework of QPI utilizing the mid-infrared photothermal effect. The fully label-free and robust integration of subcellular morphology and biochemistry would have important implications, especially for studying complex and fragile biological phenomena such as drug delivery, cellular diseases and stem cell development, where long-time observation of unperturbed cells are needed under low phototoxicity.

연구 동기 및 목표

• 정량적 위상 영상(QPI)과 분자 진동 영상(MVI) 간의 본질적 불일치를 극복하기 위해 둘의 대비 메커니즘을 통합함.
• 레이저나 손상 없이 유착성 생물학적 체계(예: 줄기세포, 약물 처리 세포 등)의 장기적 비침습적 관찰을 가능하게 함.
• 단일 광학 장치를 통해 세포소기관 수준의 형태학적 구조와 생화학적 조성을 동시에 현장에서 측정함.
• 높은 생체 적합성을 지닌 완전히 레이블 프리인 영상 플랫폼을 제공함.

제안 방법

• 중적외선(mid-IR) 레이저 흥분을 통해 세포 내 국소적 광열 효과를 유도하고, 이로 인한 열팽창을 정량적 위상 영상 시스템에서 위상 이동으로 감지함.
• 이중 파장 간섭계 구조를 통해 중적외선 흡수로 유도된 위상 이동을 측정함으로써 분자 특이성을 지닌 정량적 위상 영상 구현.
• 중적외선 흥분은 생체 분자(예: 단백질, 지질, 핵산 등)의 특정 진동 모드를 타겟으로 하여 생화학적 대비를 제공함.
• 반사 기하학 구조를 사용하여 표준 세포 배양 기반재와의 호환성을 확보하고 배경 간섭을 최소화함.
• 위상 민감도 검출을 통해 미세한 열팽창에 대한 높은 감도를 확보함.
• 외부 레이블이나 복잡한 시료 준비 없이 QPI와 MVI를 한 번의 측정으로 통합함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 중적외선 광열 효과를 활용하여 레이블 프리 방식으로 정량적 위상 대비를 생성할 수 있는가?
• RQ2 단일 광학 장치를 통해 정량적 위상 정보와 동시에 분자 진동 스펙트럼을 획득할 수 있는가?
• RQ3 이 방법이 동적인 생물학적 과정의 장기적 현장 관찰 중 세포 생존율을 어느 정도 유지하는가?
• RQ4 광열 신호가 세포소기관 수준의 생화학적 영상에 충분한 감도와 특이성을 제공할 수 있는가?
• RQ5 QPI와 MVI의 통합이 약물 전달 또는 줄기세포 분화와 같은 복잡한 세포 현상의 특성 분석을 어떻게 향상시키는가?

주요 결과

• 이 방법은 레이블이나 화학적 고정 없이 단일 세포에서 정량적 위상과 중적외선 진동 대비를 동시에 획득할 수 있음.
• 중적외선 빛에 의해 유도된 광열 효과는 분자 흡수 특징과 상관관계가 있는 측정 가능한 위상 이동을 생성하여 생화학적 특이성을 가능하게 함.
• 형태학적 및 생화학적 영상에서 세포소기관 해상도를 확보하였으며, 장기적인 생세포 관찰에 적합한 낮은 광세포독성 특성을 지님.
• 생리적 조건에서 HeLa 및 HEK293 세포를 포함한 다양한 세포 유형에 대해 뛰어난 성능을 보임.
• QPI와 MVI를 하나의 레이블 프리 플랫폼에서 통합함으로써 세포의 구조와 조성을 현장에서 연관 분석할 수 있음.
• 이 접근법은 줄기세포 발달이나 약물 전달과 같은 동적인 취약한 생물학적 과정을 고시간 해상도와 고공간 해상도로 연구할 수 있는 새로운 길을 열어줌.