[논문 리뷰] Super-resolution three-dimensional fluorescence and optical diffraction tomography of live cells using structured illumination generated by a digital micromirror device

Seungwoo Shin, Doyeon Kim외 2명|arXiv (Cornell University)|2018. 01. 02.

Advanced Fluorescence Microscopy Techniques인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 디지털 마이크로미러 장치(DMD)를 사용하여 구조화된 조명을 생성함으로써 광학 회절 단층촬영(ODT)과 구조화된 조명 현미경(SIM)을 융합한 다중모달 초해상도 3차원 영상 기법을 제시한다. 이 방법은 살아있는 세포에서 3차원 굴절률 및 형광 분포를 빠르고 안정적이며 동시에 촬영할 수 있게 하며, 시간·공간 상관 분석을 통해 헤라 세포 내 형광 입자 궤적을 추적한 바를 통해 입증되었다.

ABSTRACT

We present a multimodal approach for measuring the three-dimensional (3D) refractive index (RI) and fluorescence distributions of live cells by combining optical diffraction tomography (ODT) and 3D structured illumination microscopy (SIM). A digital micromirror device is utilized to generate structured illumination patterns for both ODT and SIM, which enables fast and stable measurements. To verify its feasibility and applicability, the proposed method is used to measure the 3D RI distribution and 3D fluorescence image of various samples, including a cluster of fluorescent beads, and the time-lapse 3D RI dynamics of fluorescent beads inside a HeLa cell, from which the trajectory of the beads in the HeLa cell is analyzed using spatiotemporal correlations.

연구 동기 및 목표

• 살아있는 세포의 3차원 굴절률(RI) 및 형광 영상 촬영을 위한 다중모달 영상 기법을 개발하기 위해.
• 기존의 3차원 형광 영상 및 ODT 기법의 공간 해상도 및 촬영 속도에 한계가 있음을 극복하기 위해.
• 살아있는 세포 내 세포소기관 및 세포 과정의 장기적이고 동적 모니터링을 가능하게 하기 위해.
• 디지털 마이크로미러 장치(DMD)를 활용하여 ODT 및 SIM 모두에 대해 빠르고 안정적인 구조화된 조명 패턴 생성을 하기 위해.

제안 방법

• 디지털 마이크로미러 장치(DMD)를 사용하여 광학 회절 단층촬영(ODT) 및 3차원 구조화된 조명 현미경(SIM)에 대한 구조화된 조명 패턴을 생성한다.
• DMD는 조명 패턴의 빠르고 정밀한 제어를 가능하게 하여 ODT 및 SIM 방식 모두에서 빠른 데이터 촬영을 촉진한다.
• 구조화된 조명 하에서 산란된 빛의 다수의 각도 시야로부터 산란된 빛의 다각도적 관측을 통해 3차원 굴절률(RI) 분포를 재구성한다.
• 형광 영상 촬영은 패턴이 가로지르는 조명을 사용한 3차원 SIM을 통해 회절 한계를 초월한 초해상도를 달성한다.
• 시간·공간 상관 분석을 적용하여 살아있는 세포 내부의 형광 입자 궤적을 시간에 따라 추적한다.
• 결합된 ODT 및 SIM 시스템은 살아있는 세포에서 굴절률 및 형광의 동시에 코어지스터드 3차원 영상 촬영을 가능하게 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단일 DMD 기반 시스템이 살아있는 세포에서 굴절률 및 형광의 초해상도 3차원 영상 촬영을 동시에 달성할 수 있는가?
• RQ2 DMD 기반의 구조화된 조명을 사용한 ODT로 3차원 굴절률 분포를 얼마나 정확하게 재구성할 수 있는가?
• RQ3 이 시스템이 살아있는 세포 내 세포 내 동역학을 추적할 때 시간 해상도 및 공간 해상도는 어떠한가?
• RQ4 이 다중모달 접근법을 통해 시간·공간 상관 분석이 살아있는 세포 내 형광 입자의 궤적을 신뢰성 있게 추출할 수 있는가?

주요 결과

• 단일 DMD를 사용한 구조화된 조명으로 살아있는 세포에서 굴절률 및 형광의 초해상도 3차원 영상 촬영이 성공적으로 달성되었다.
• 형광 입자 군집의 3차원 굴절률 분포가 기존 ODT에 비해 향상된 해상도로 재구성되었다.
• 헤라 세포 내 형광 입자의 시간 경과에 따른 3차원 굴절률 동역학이 측정되어 시간에 따른 입자 궤적 분석이 가능해졌다.
• 시간·공간 상관 분석을 통해 헤라 세포 세 cytoplasm 내에서 명확하고 정량화 가능한 형광 입자 궤적을 확인할 수 있었다.
• DMD 기반 조명 시스템은 빠르고 안정적인 데이터 촬영을 가능하게 하여 장기적인 살아있는 세포 영상 촬영을 지원했다.
• 다중모달 접근법은 코어지스터드 3차원 굴절률 및 형광 데이터를 제공하여 세포 형태학적 특성과 분자 동역학의 상관 분석을 가능하게 하였다.