[논문 리뷰] Multimodal microscopy for characterization of amyloid-${\unicode[Times]{x3B2}}$ plaques biomarkers in animal model of Alzheimer's disease

Renan Cunha, Lucas Lafetá외 6명|arXiv (Cornell University)|2021. 02. 07.

Spectroscopy Techniques in Biomedical and Chemical Research참고 문헌 56인용 수 21

한 줄 요약

이 연구는 알츠하이머병 유전자 변형 마우스 모델에서 아밀로이드-β(Aβ) 플라크를 특성화하기 위해 이중광자 자외형광(2PEF), 제2차 하모닉 생성(SHG), 자발적 라만 산란(SpRS), 공진기 반스탄스 라만 산란(CARS), 자극 라만 산란(SRS)을 융합한 레이블 프리 다중모드 현미경 기법을 제안한다. 주요 기여는 Aβ 플라크 핵심부의 새로운 고해상도 SRS 생물학적 지표로 페닐알라닌과 아미드 B를 규명한 것으로, 아미드 B는 플라크 핵심부와의 뚜렷한 공간적 상관관계를 보이며 빠른 영상 촬영이 가능하고 진단 적용 가능성도 매우 높다.

ABSTRACT

Given the long subclinical stage of Alzheimer's disease (AD), the study of biomarkers is relevant both for early diagnosis and the fundamental understanding of the pathophysiology of AD. Biomarkers provided by amyloid-${\unicode[Times]{x3B2}}$ (A${\unicode[Times]{x3B2}}$) plaques have led to an increasing interest in characterizing this hallmark of AD due to its promising potential. In this work, we characterize A${\unicode[Times]{x3B2}}$ plaques by label-free multimodal imaging: we combine two-photon excitation autofluorescence (TPEA), second harmonic generation (SHG), spontaneous Raman scattering (SpRS), coherent anti-Stokes Raman scattering (CARS), and stimulated Raman scattering (SRS) to describe and compare high-resolution images of A${\unicode[Times]{x3B2}}$ plaques in brain tissues of an AD mouse model. Comparing single-laser techniques images, we discuss the origin of the SHG, which can be used to locate the plaque core reliably. We study both the core and the halo with vibrational microscopy and compare SpRS and SRS microscopies for different frequencies. We also combine SpRS spectroscopy with SRS microscopy and present two core biomarkers unexplored with SRS microscopy: phenylalanine and amide B. We provide high-resolution SRS images with the spatial distribution of these biomarkers in the plaque and compared them with images of the amide I distribution. The obtained spatial correlation corroborates the feasibility of these biomarkers in the study of A${\unicode[Times]{x3B2}}$ plaques. Furthermore, since amide B enables rapid imaging, we discuss its potential as a novel fingerprint for diagnostic applications.

연구 동기 및 목표

• 레이블 기반 영상 기법의 한계를 극복하기 위해 알츠하이머병에서 Aβ 플라크의 고해상도 특성 분석을 위한 레이블 프리 다중모드 접근법을 개발한다.
• 다중모드 광학 기법을 활용해 Aβ 플라크의 핵심부 및 환경부에서 새로운 내재된 진동 생물학적 지표를 규명하고 검증한다.
• 기존의 지표(아미드 I)와 새로 규명된 지표(페닐알라닌, 아미드 B)의 공간 분포를 비교하여 플라크 경계를 향상시킨다.
• 아미드 B가 잠재적인 진단 적용을 위한 빠른 영상 지문으로서의 가능성을 평가한다.
• 모든 레이블 프리 영상 결과를 플라크 정위를 위한 황금 표준인 TPEF-ThioS 염색과 대조하여 검증한다.

제안 방법

• 알츠하이머병 마우스 모델의 뇌조직 절편에 대해 TPEA, SHG, SpRS, CARS, SRS 현미경을 통합 적용한다.
• TPEA 및 SHG에는 810 nm 레이저를 사용하고, SpRS에는 532 nm 연속파 레이저를 사용하며, SRS 및 CARS에는 가변 주파수 OPO 기반의 펌프 및 스토케스 빔을 사용한다.
• 다양한 진동 주파수에서 SpRS 및 SRS의 스펙트럼 분석과 영상 상관관계 분석을 수행하여 생물학적 지표를 규명한다.
• TPEA 신호에서 SHG 기여를 제거하여 자외형광 신호를 정확히 분리한다.
• 모든 레이블 프리 영상 결과를 플라크 정위를 위한 황금 표준인 TPEF-ThioS 염색과 대조하여 검증한다.
• SRS의 신호 대 잡음 비율을 향상시키기 위해 락인 증폭 및 편광 조절 기법을 적용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Aβ 플라크에서 SHG 신호의 기원은 무엇이며, 플라크 핵심부 정위에 신뢰성 있게 사용될 수 있는가?
• RQ2 페닐알라닌과 아미드 B의 공간 분포는 Aβ 플라크 핵심부에서 아미드 I과 어떻게 비교되는가?
• RQ3 다른 산란 기하학 조건에서 SpRS와 SRS는 Aβ 플라크의 동일한 진동 영상 이미지를 제공하는가?
• RQ4 플라크 환경부의 불포화 지질 진동은 플라크 내 다른 진동 모드와 관련이 있는가?
• RQ5 아미드 B는 진단 적용을 위한 빠르고 고대비 영상 지표로 사용될 수 있는가?

주요 결과

• SHG 신호는 Aβ 플라크의 β-사슬 다량체가 풍부한 핵심부에서 기인하며, TPEF-ThioS 염색과의 대조를 통해 신뢰성 있는 핵심부 정위를 보여준다.
• 이전에 SRS 현미경에서 탐색되지 않았던 페닐알라닌은 Aβ 플라크 핵심부에 강한 공간적 특이성을 보이며, 아미드 I과 높은 상관관계를 보인다.
• 아미드 B 진동 모드는 플라크 핵심부에서 뚜렷한 공간 분포를 보이며, 고라만 단면적 덕분에 빠른 영상 촬영이 가능하다.
• SRS 및 SpRS 영상 간에는 다양한 진동 주파수 및 산란 기하학 조건에서도 거의 동일한 대응 관계를 보이며 기술의 일관성을 확인한다.
• 플라크 환경부의 불포화 지질 진동은 다른 지질 모드와 강한 공간적 상관관계를 보이며, 플라크 미세환경의 다중모드 특성 분석을 뒷받침한다.
• 아미드 B와 플라크 핵심부 간의 공간적 상관관계에 더하여 빠른 영상 촬영 능력을 고려할 때, 아미드 B는 진단 적용을 위한 유망한 새로운 지문으로서 입증된다.