광학현미경으로 라벨 없이 생명 관찰하기

커뮤니케이션 생물학 6권, 기사 번호: 559(2023) 이 기사 인용

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오늘날 광학 현미경은 생물 표본의 속도, 품질 및 관찰 가능한 공간의 한계를 뛰어 넘어 오늘날 우리가 생명을 보는 방식에 혁명을 일으켰습니다. 또한 이미징을 위한 샘플의 특정 라벨링을 통해 생명이 어떻게 기능하는지에 대한 통찰력을 얻을 수 있었습니다. 이를 통해 라벨 기반 현미경을 통해 주류 생명과학 연구에 침투하고 통합할 수 있었습니다. 그러나 라벨 없는 현미경 검사법의 사용은 대부분 제한되어 있어 생체 적용에 대한 테스트는 이루어졌지만 생체 통합에 대한 테스트는 이루어지지 않았습니다. 생물 통합을 가능하게 하려면 이러한 현미경이 생물학적 질문에 고유하게 답하고 장기적인 성장 전망을 확립할 수 있는 적시성을 평가해야 합니다. 이 기사에서는 주요 무표지 광학 현미경을 소개하고 생물학적 시료의 방해 없는 분석을 위한 생명 과학 연구의 통합 잠재력에 대해 논의합니다.

역사적으로 광학현미경은 생명과학과 병행하여 발전해 왔습니다. 오늘날 모든 표준 생물학 연구 시설에는 명시야 모드에서 형태를 이미지화하고 표면형광 모드에서 분자 분포를 이미지화하여 관심 있는 표지 구조를 관찰하는 현미경이 장착되어 있습니다. 대부분의 연구가 이러한 시스템으로 수행되거나 수용되도록 설계될 수 있으므로 이 설정은 생물학자에게 가장 적합한 장소입니다. 분자 정량화와 정밀한 광학 절편화의 필요성으로 인해 레이저 스캐닝 공초점 현미경은 생물학자들 사이에서 가장 선호되는 기술이 되었습니다. 두꺼운 샘플의 3D 빠른 실시간 이미징에 대한 관심이 높아지면서 다광자1,2,3,4,5,6 및 광시트 현미경7,8,9과 같은 이미징 도구를 개발하는 데 시기적절한 피드백이 되었습니다. 세포의 동적 변화를 관찰해야 하는 필요성은 FRET(형광 공명 에너지 전달)10, 11, FLIM(형광 수명 이미징 현미경) 및 FRAP(광표백 후 형광 복구)14,15와 같은 형광 기반 방법을 장려했습니다. 미세한 세부 사항을 관찰하는 것의 중요성은 구조화된 조명(SIM)16,17, 자극 방출 고갈(STED)18,19 및 단일 분자 위치 파악(SMLM)20,21,22 현미경과 같은 초해상도 방법을 동기 부여했습니다. 더 빠른 카메라, 높은 처리량의 적응형 자동화, 혁신적인 염료와 같은 지원 시스템으로 인해 바이오 응용 분야가 더욱 확대되었습니다. 그러나 라벨 기반 방법, 즉 라벨 및 관련 화학 물질의 개입 없이 생물학적 시료를 화학적으로 교란하지 않고 평가하는 데에는 한계가 있습니다.

많은 잘 알려진 라벨 프리 이미징 방법은 장점에도 불구하고 목표가 기계적 연구나 지식 발견인 경우에는 제한됩니다. 예를 들어, 명시야, 위상차, 미분 간섭 대비(DIC) 현미경 검사법은 생물학자들의 일반적인 선택입니다. 명암현미경은 샘플이 대비를 제공하는 염료로 염색될 때 가장 적합합니다. 그러나 실제 연구의 경우 거의 투명한 살아있는 세포에 대한 고대비 이미지를 얻는 것은 어렵습니다. 위상차 및 DIC 이미징은 샘플과 배경 사이의 차이를 광학적으로 높여 고대비 이미지를 생성하며 형광 현미경과 함께 일상적으로 사용됩니다. 위상차와 DIC 이미징은 모두 생물학자에게 매우 유용한 도구입니다. 그러나 강도 값은 위상 정보와 비선형적으로 관련되어 있어 샘플의 실제 변화를 추적할 수 없기 때문에 위상 변화를 정량화할 수 없습니다.

오늘날 라벨 없는 이미징의 발전으로 형태, 역학, 기능, 물질 교환, 병원체 상호 작용, 생화학 및 생체 역학에 대한 고해상도 및 고속 이미징이 가능해졌습니다(그림 1). 이 기사에서는 다양한 무표지 광학 현미경의 선택, 생물학적 응용, 주류 생물의학 연구의 강력한 도구로 성장할 수 있는 잠재력에 대해 논의합니다. 따라서 이 기사는 확립된 방법을 강화하고 궁극적으로 지식 발견에서 보다 통합적인 역할을 수행하기 위해 적합한 무표지 광학 현미경 도구를 선택하기 위한 근거를 확립하는 것을 목표로 합니다.