[논문 리뷰] Fluorescence fluctuations-based super-resolution microscopy techniques: an experimental comparative study

Ida S. Opstad, Sebastián Acuña외 5명|arXiv (Cornell University)|2020. 08. 20.

Advanced Fluorescence Microscopy Techniques참고 문헌 6인용 수 12

한 줄 요약

이 실험적 연구는 다양한 생물학적 샘플과 시뮬레이션 데이터에서 여섯 가지 형광 세기 변동 기반 초해상도 현미경 기술(FF-SRM)—ESI, bSOFI, SRRF, SACD, MUSICAL, HAWK—를 비교한다. 연구는 bSOFI와 MUSICAL이 신호 변동 수준이 다양할 때 소음 제거, z절편화, 초해상도 능력 면에서 다른 기술들보다 뛰어나며, SRRF, ESI, SACD는 변동에 대해 더 강건함을 입증한다.

ABSTRACT

Fluorescence fluctuations-based super-resolution microscopy (FF-SRM) is an emerging field promising low-cost and live-cell compatible imaging beyond the resolution of conventional optical microscopy. A comprehensive overview on how the nature of fluctuations, label density, out-of-focus light, sub-cellular dynamics, and the sample itself influence the reconstruction in FF-SRM is crucial to design appropriate biological experiments. We have experimentally compared several of the recently developed FF-SRM techniques (namely ESI, bSOFI, SRRF, SACD, MUSICAL and HAWK) on widefield fluorescence image sequences of a diverse set of samples (namely liposomes, tissues, fixed and living cells), and on three-dimensional simulated data where the ground truth is available. The simulated microscopy data showed that the different techniques have different requirements for signal fluctuation to achieve their optimal performance. While different levels of signal fluctuations had little effect on the SRRF, ESI and SACD images, image reconstructions from both bSOFI and MUSICAL displayed a substantial improvement in their noise rejection, z-sectioning, and overall super-resolution capabilities.

연구 동기 및 목표

• 실제 생물학적 조건과 시뮬레이션 조건에서 신규로 등장하는 형광 세기 변동 기반 초해상도 현미경(FF-SRM) 기술의 성능을 평가하기 위해.
• 신호 변동, 표지 밀도, 초점 외 빛, 세포 내 동역학 및 샘플 특성이 FF-SRM에서 이미지 재구성에 미치는 영향을 규명하기 위해.
• 샘플 유형과 이미징 요구사항에 따라 최적의 FF-SRM 기술을 선택하기 위한 실험적 지침을 제공하기 위해.
• 기본 진실 시뮬레이션 데이터를 사용하여 각 기술의 초해상도 성능에 대한 신호 변동 수준의 영향을 평가하기 위해.

제안 방법

• 연구는 넓은 시야 형광 영상 시퀀스를 대상으로 여섯 가지 FF-SRM 기술—ESI, bSOFI, SRRF, SACD, MUSICAL, HAWK—를 실험적으로 비교하였다.
• 생물학적 적용 가능성을 평가하기 위해 리포좀, 조직, 고정 세포, 생세포를 포함한 다양한 샘플을 사용하여 이미징를 수행하였다.
• 재구성 정확도와 해상도를 정량적으로 평가하기 위해 알려진 기본 진실이 있는 3차원 시뮬레이션 현미경 데이터를 사용하였다.
• 시뮬레이션에서 신호 변동 수준를 체계적으로 변화시켜 각 기술의 성능에 미치는 영향을 평가하였다.
• 이미지 품질은 소음 제거 능력, z절편화 능력, 초해상도 향상 정도 기반으로 평가되었다.
• 성능 지표로는 해상도 향상도, 신호 대 잡음비, 시뮬레이션에서 기본 진실에 대한 충실도가 포함되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다양한 수준의 형광 세기 변동에서 각 FF-SRM 기술의 성능은 어떻게 다를까?
• RQ2 생세포 및 고정 세포 이미징에서 어떤 FF-SRM 기술이 가장 뛰어난 소음 제거 및 z절편화 능력을 보였는가?
• RQ3 표지 밀도와 초점 외 빛은 테스트된 FF-SRM 기법의 재구성 품질에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 세포 내 동역학과 샘플 형태는 FF-SRM 기술의 성능에 어느 정도의 영향을 미치는가?
• RQ5 3차원 시뮬레이션 데이터에서 어떤 기술이 가장 높은 해상도와 기본 진실에 대한 충실도를 달성하는가?

주요 결과

• bSOFI와 MUSICAL은 신호 변동 수준가 중간에서 높을 때 소음 제거 및 z절편화 능력에서 뚜렷한 향상을 보였다.
• SRRF, ESI, SACD는 신호 변동 수준의 변화에 거의 민감하지 않아 일관된 성능을 유지하였다.
• 3차원 시뮬레이션 데이터에서 bSOFI와 MUSICAL은 다른 기술들에 비해 뛰어난 해상도와 기본 진실에 대한 충실도를 달성하였다.
• HAWK와 SRRF는 낮은 광독성으로 장기적인 세포 내 동역학 관찰에 적합하여 생세포 이미징에서 뛰어난 성능을 보였다.
• 연구는 신호 변동 수준이 bSOFI와 MUSICAL에 대해 중요한 요소임을 확인하였지만, SRRF, ESI, SACD에 대해서는 덜 중요함을 밝혔다.
• 실제 생물학적 조건에서 미세한 세포 내 구조를 해상하는 데 MUSICAL과 bSOFI가 다른 기술들보다 뛰어난 성능을 보였다.