[논문 리뷰] Optical diffraction tomography techniques for the study of cell pathophysiology

Kyoohyun Kim, Jonghee Yoon외 4명|arXiv (Cornell University)|2016. 03. 02.

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한 줄 요약

이 논문은 세포의 병리생리학을 연구하는 데 사용되는 정량적이고 레이블 프리인 3차원 이미징 기술인 광학 회절 단층촬영(Optical Diffraction Tomography, ODT)을 검토한다. 다각도의 정량적 위상 영상에서 세포의 복소 굴절률 분포를 재구성함으로써 ODT는 비침습적이고 고해상도의 3차원 세포 구조 및 동역학 시각화를 가능하게 하여, 세포 기계학, 세포 형태학 및 아폽토시스와 암 진행과 같은 질병 메커니즘에 대한 새로운 통찰을 제공한다.

ABSTRACT

Three-dimensional imaging of biological cells is crucial for the investigation of cell biology, provide valuable information to reveal the mechanisms behind pathophysiology of cells and tissues. Recent advances in optical diffraction tomography (ODT) have demonstrated the potential for the study of various cells with its unique advantages of quantitative and label-free imaging capability. To provide insight on this rapidly growing field of research and to discuss its applications in biology and medicine, we present the summary of the ODT principle and highlight recent studies utilizing ODT with the emphasis on the applications to the pathophysiology of cells.

연구 동기 및 목표

• 광학 회절 단층촬영(Optical Diffraction Tomography, ODT)의 원리와 생물학적 및 의학적 연구에서의 응용에 대한 종합적인 개요를 제공하는 것.
• ODT가 형광 레이블 없이도 정량적이고 비침습적인 3차원 세포 이미징에서 유일한 장점을 부각하는 것.
• 아폽토시스, 세포 주기 변화 및 암 세포 형태학과 같은 세포 병리생리학적 과정을 연구하는 데 있어 최근의 ODT 응용을 논의하는 것.
• ODT 기술과 세포 생물학 및 임상 진단의 발전 잠재력 간 격차를 메우는 것.

제안 방법

• ODT는 다각도에서 획득한 정량적 위상 영상들을 이용하여 샘플의 3차원 복소 굴절률(CRI) 분포를 재구성한다.
• 측정된 위상 이동과 샘플의 굴절률 분포를 연결하기 위해 첫 번째 보른 근사에 기반한 선형 역산산산 모델을 사용한다.
• 다각도 조명은 회전하는 샘플 스테이지 또는 각도 조절 가능한 빛 원천을 사용하여 구현되며, 이는 3차원 CRI의 단층 촬영을 가능하게 한다.
• 재구성 알고리즘은 반복적 또는 직접 역행 기법을 사용하여 3차원 굴절률 지도를 복원하는 역문제를 해결한다.
• 고정밀 위상 안정성과 정량적 정확도를 확보하기 위해 일반 경로 간섭계 또는 디지털 허모그래피를 사용하여 기술을 구현한다.
• 결과적으로 생성된 3차원 굴절률 지도는 염색이나 레이블 없이도 살아있는 세포의 정량적 형태학적 및 구조적 정보를 제공한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 광학 회절 단층촬영(Optical Diffraction Tomography, ODT)은 외부 레이블 없이 어떻게 살아있는 세포의 정량적 3차원 이미징을 가능하게 하는가?
• RQ2 세포 병리생리학을 연구하는 데 있어 전통적 현미경 기술에 비해 ODT가 가지는 핵심적 장점은 무엇인가?
• RQ3 아폽토시스나 세포 주기 진행 과정 중 세포 형태학적 변화와 굴절률 변화를 ODT는 어떻게 드러내는가?
• RQ4 ODT는 세포 수준에서 질병의 기계적 및 구조적 기반을 이해하는 데 어떤 방식으로 기여할 수 있는가?

주요 결과

• ODT는 미세미터 이하의 공간 해상도를 확보하여 살아있는 세포의 복소 굴절률에 대한 고해상도 3차원 정량 이미징을 가능하게 한다.
• 이 기술은 헬라 세포 및 U2OS 세포를 포함한 다양한 세포 유형에서 3차원 핵 형태학과 세 cytoplasmic 구조를 성공적으로 시각화한다.
• 아폽토시스 과정 중에 발생하는 미세한 굴절률 변화, 예를 들어 염색체 응집 및 핵 분열을 높은 민감도로 감지할 수 있다.
• 세포 주기 동안의 동적 형태학적 변화, 예를 들어 핵의 확장과 염색체 재편성 등을 기술이 드러낸다.
• ODT는 세포 건량 및 부피에 대한 정량적 데이터를 제공하여 세포 성장과 분열을 정확하게 추적할 수 있다.
• 최근 연구들은 ODT가 굴절률의 이질성과 구조적 이상을 바탕으로 암세포와 비암세포를 구별할 잠재력을 보여주었다.