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공초점 레이저 현미경

STELLARIS CRS CRS 현미경

STELLARIS Coherent Raman Scattering(CRS) 현미경의 무염색 화학 이미징을 사용하면 기존의 형광 현미경 방법으로는 시각화할 수 없는 중요한 생화학 및 대사 정보를 얻을 수 있습니다. 

STELLARIS CRS를 통해 생명체의 필수 과정을 추적하는 데 필요한 고속 및 고해상도로 다양한 표본을 이미징할 수 있습니다. SRS(Stimulated Raman Scattering), CARS(Coherent Anti-Stokes Raman Scattering), SHG(Second Harmonic Generation), 2광자 형광, 식별 가능한 공초점 형광 등 다양한 기법을 활용하면 시료에서 최대한 많은 정보를 얻을 수 있습니다.

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기존 방법으로는 접근할 수 없던 표적 촬영

기존의 형광 현미경 방식은 매우 성공적인 연구용 도구이긴 하지만, 시각화할 수 있는 표적의 유형과 수는 제한적입니다. STELLARIS CRS는 다음을 통해 이러한 한계를 극복할 수 있도록 도와줍니다.

  • 화학적으로 특정한 내인성 대비를 활용하여 기존 방법으로는 거의 접근이 불가능한 구조와 프로세스를 시각화합니다.
  • 복잡한 3D 시료 내부에서도 미세한 디테일을 관찰할 수 있는 3차원 이미지 정보를 획득합니다.
  • 동영상 속도의 이미징부터 민감한 시료의 장기 관찰까지, 생리적 조건과 최대한 유사하게 관리된 시료로 동적 연구를 위한 최소 섭동 여기의 이점을 누릴 수 있습니다.
라벨링되지 않은 정상 상태의 제브라피시의 눈을 보여주는 오버레이 이미지입니다. 녹색: 지질 성분의 유도 라만 산란(SRS) 이미지(2,850cm-¹). 적색: 단백질 성분의 SRS 이미지(2,935cm-¹). 청색: 주로 공막과 각막에서 발생하는 2차 고조파 신호. 샘플 제공: Elena Remacha Motta and Julien Vermot, Institute of Genetics and Molecular and Cellular Biology (IGBMC), Strasbourg, France.
라벨링되지 않은 정상 상태의 제브라피시의 눈을 보여주는 오버레이 이미지입니다. 녹색: 지질 성분의 유도 라만 산란(SRS) 이미지(2,850cm-¹). 적색: 단백질 성분의 SRS 이미지(2,935cm-¹). 청색: 주로 공막과 각막에서 발생하는 2차 고조파 신호. 샘플 제공: Elena Remacha Motta and Julien Vermot, Institute of Genetics and Molecular and Cellular Biology (IGBMC), Strasbourg, France.

살아있는 시료의 복잡한 생물학적 과정 추적

빠른 튜닝이 가능한 picoEmerald FT 광원을 사용하는 STELLARIS CRS의 신속한 멀티플렉스 화학 이미징 기능을 활용하여 초 단위로 여러 화학 종의 동역학을 추적합니다.

동영상 샘플 제공: Dr. Matthew Benton, EMBL Heidelberg.

발달 중인 초파리 배아의 고속 멀티플렉스 화학 이미징입니다. 단백질(적색, SRS 2,940cm-¹), 지질(녹색, SRS 2,850cm-¹), 2차 고조파 발생과 내인성 2광자 형광(적색)의 조합. 타임랩스 동영상, 16초/타임스텝, 실행 시간 2시간 3분(441 타임스텝). 샘플 제공: Dr. Matthew Benton, EMBL Heidelberg.

짧은 시간에 통계적으로 유의미한 생화학 이미지 데이터 획득

발달 과정이나 질병은 세포와 조직의 대사 상태를 변화시킵니다. 이러한 대사 상태는 내재된 생화학적 조성물과 세포 기관의 공간적 조직에 반영됩니다. 

STELLARIS CRS를 사용하면 12cm의 분광 이미징으로 이러한 생화학을 조사할 수 있습니다.-1 분광 해상도. 

이전 세대 기기에 비해 신호 품질이 크게 개선되고 레이저 튜닝이 빨라져 멀티플렉스 화학 이미징 속도가 수십 배 향상되었으며, 따라서 더 짧은 시간에 통계적으로 유의미한 생화학 이미지 데이터를 획득할 수 있습니다.

지질 방울(황색), 콜레스테롤 침착물(자홍색), 세포핵(청록색) 및 수성 완충액(청색)을 보여주는 2차원 세포 배양(콜레스테롤이 보충된 U2OS 세포)의 SRS 스펙트럼 스캔(2,800~3,100cm-¹, 스펙트럼 포인트 38개)의 불혼합 결과입니다.
지질 방울(황색), 콜레스테롤 침착물(자홍색), 세포핵(청록색) 및 수성 완충액(청색)을 보여주는 2차원 세포 배양(콜레스테롤이 보충된 U2OS 세포)의 SRS 스펙트럼 스캔(2,800~3,100cm-¹, 스펙트럼 포인트 38개)의 불혼합 결과입니다.

형광 염료가 필요 없는 이미지 구조와 이벤트

STELLARIS CRS 현미경을 사용하면 화학적 특성을 이용하여 구조와 이벤트를 이미징하고 구별할 수 있습니다. 이를 통해 기존 방법으로는 접근할 수 없던 방대한 양의 생화학, 대사 및 약물동태학 정보를 얻을 수 있습니다. 

CRS의 이미지 대비는 시료 내 다양한 분자의 고유한 진동 상태에 따라 제공됩니다. 따라서, 시료 염색이 필요하지 않기 때문에 광퇴색 및 염색 잔여물과 같은 염료 기반 이미징 방식의 단점이 사라집니다.

다색 SRS 이미징은 라벨링되지 않은 세포 시료 내부의 세포 내 지질과 단백질 측면에서 라만으로 태그된 약리 화합물(황색, 2,230cm-¹에서 SRS 이미징)의 세포 내 분포를 보여줍니다. 샘플 제공: Dr. Matthäus Mittasch, Dewpoint Therapeutics GmbH.
다색 SRS 이미징은 라벨링되지 않은 세포 시료 내부의 세포 내 지질과 단백질 측면에서 라만으로 태그된 약리 화합물(황색, 2,230cm-¹에서 SRS 이미징)의 세포 내 분포를 보여줍니다. 샘플 제공: Dr. Matthäus Mittasch, Dewpoint Therapeutics GmbH.

3D 시료를 위한 내장형 3차원 이미징 

STELLARIS CRS는 조직, 오가노이드 또는 정상 상태의 소형 모델 유기체와 같은 3D 시료의 화학적 특성을 직접 사용하여 세포 내 해상도로 이미징하는 데 매우 적합합니다. 후처리가 필요 없는 3D 이미징은 CRS에 내장된 속성으로 다음의 두 가지 기능으로 구현됩니다. 

  • CRS 신호는 여기 레이저의 초점 볼륨 내에서만 발생하는 비선형 광학 효과를 통해 생성되며, 고유한 3차원 이미지 정보를 제공합니다.
  • CRS 여기에 사용되는 근적외선 레이저 빔은 최소한의 섭동과 함께 시료를 통해 전파되어 3D 시료 내부를 손상하지 않고 효율적으로 이미징할 수 있습니다.
뇌 조직의 3차원 이미징: 200µm 두께의 쥐 뇌 조각의 Z-스택으로, 유수 축삭의 동시 SRS 이미징(야광)과 Thy1-YFP 라벨링된 뉴런의 2광자 형광(청록색)을 동시에 보여줍니다. 샘플 제공: Dr. Monika Leischner-Brill, Institute of Neuronal Cell Biology, TU München, Germany.

살아있는 시료를 최대한 생리학적 상태에 가깝게 유지한 상태에서 촬영

CRS의 고효율 분자 결합 여기 기술은 전례 없는 속도로 화학적으로 특정한 이미지 대비를 제공합니다. 이를 통해 동영상의 속도로 살아있는 시료를 이미징할 수 있습니다. 

STELLARIS CRS에는 Tandem 스캐너가 장착되어 있어 다양한 시료 형태를 기존 방식과 고속 방식 모두로 이미징할 수 있습니다. 

장기간 관찰 시 살아있는 시료를 보존하기 위해서는 속도뿐만 아니라 부드러운 이미징도 필수적입니다. 근적외선 레이저를 사용한 무염색 접근 방식으로 광독성과 광손상을 최소 수준으로 유지합니다. 

살아있는 소장 오가노이드의 세포 내 동역학에 대한 라벨링되지 않은 조사입니다. SRS 신호의 타임랩스 동영상(2,940cm-¹)은 세포 내 단백질과 지질을 보여주며, 이 모델 시스템의 상피 세포 조직과 지질 방울 동역학에 대한 통찰력을 제공합니다. 샘플 제공: Dr. Ruslan Dmitriev, Ghent University, Belgium.

추가적인 형태화학적 및 기능적 정보로 이미징 실험이 가진 잠재력 발견

생명과학과 기초 의학 연구의 까다로운 문제를 해결하려면 시료에서 최대한 많은 정보를 얻어야 하는 경우가 많습니다. 여기에는 지질 대사의 변화와 같은 비전통적인 표적에 대한 이미징이 포함됩니다.

STELLARIS CRS는 실험 결과를 최대한 활용할 수 있도록 공초점 형광 강도 및 수명 정보 외에도 광범위한 생화학 및 생물물리학적 대비를 수집하고 상관관계를 파악할 수 있는 완전 통합형 시스템을 제공합니다.
 

라벨링되지 않은 뇌 조직에서 시각화된 아밀로이드-β 플라크 및 관련 병리학적 지질 침착물입니다. 분광 분석은 막 지질의 농축과 콜레스테롤의 고갈을 인근에 있는 건강한 뇌 구조와 비교하여 나타내며, 지질 대사와 알츠하이머의 병리학 사이의 연관성을 연구할 수 있는 새로운 도구를 제공합니다. 샘플 제공: Dr. Martin Fuhrmann, Andrea Baral, German Center for Neurodegenerative Diseases, Bonn.
라벨링되지 않은 뇌 조직에서 시각화된 아밀로이드-β 플라크 및 관련 병리학적 지질 침착물입니다. 분광 분석은 막 지질의 농축과 콜레스테롤의 고갈을 인근에 있는 건강한 뇌 구조와 비교하여 나타내며, 지질 대사와 알츠하이머의 병리학 사이의 연관성을 연구할 수 있는 새로운 도구를 제공합니다. 샘플 제공: Dr. Martin Fuhrmann, Andrea Baral, German Center for Neurodegenerative Diseases, Bonn.

샘플의 생화학적 조성물에 대한 정보 획득

형태적 및 생화학적 정보를 조합하면 건강한 생물학적 기능과 질병에 의해 발생하는 임의의 변화를 잘 이해할 수 있습니다.

STELLARIS CRS는 전례 없는 공간 해상도로 무염색 이미징과 화학적 대비를 제공합니다. CRS를 사용하면 세포 내 기관부터 조직 내의 세포군 또는 심지어 조직 기능을 교란하는 병리학적 구조까지 다양한 공간 규모로 생물학적 기능을 조사할 수 있습니다. 

처리되지 않은 신선한 사과 조각의 내재된 생화학적 조성물을 시각화합니다. (A) SRS 분광 이미지 스택의 대표적인 프레임. (B) (A)에 표시된 관심 영역의 SRS 스펙트럼. 황색: 긴 사슬 포화 지방산의 납질 위상으로 이루어진 최외측 껍질. 녹색, 적색: 짧은 사슬 불포화 지방산으로 만들어진 내부 껍질층. 청색, 자홍색: 폴리페놀 화합물. 청록색: 다당류로 만들어진 세포벽. 주황색: 카로티노이드 안료. (C) 생화학적으로 구별되는 구조를 나타내는 8색 스펙트럼 불혼합 결과.
처리되지 않은 신선한 사과 조각의 내재된 생화학적 조성물을 시각화합니다. (A) SRS 분광 이미지 스택의 대표적인 프레임. (B) (A)에 표시된 관심 영역의 SRS 스펙트럼. 황색: 긴 사슬 포화 지방산의 납질 위상으로 이루어진 최외측 껍질. 녹색, 적색: 짧은 사슬 불포화 지방산으로 만들어진 내부 껍질층. 청색, 자홍색: 폴리페놀 화합물. 청록색: 다당류로 만들어진 세포벽. 주황색: 카로티노이드 안료. (C) 생화학적으로 구별되는 구조를 나타내는 8색 스펙트럼 불혼합 결과.

발달 및 질병과 관련된 새로운 차원을 향한 진보 

세포 표현형 및 대사 상태의 직접적인 시각화는 건강과 질병의 생물학적 과정을 이해하는 데 핵심적인 부분입니다. 시료 처리 시에는 이러한 속성이 바뀔 수 있으므로, 무염색 접근법이 바람직한 대안이 될 수 있습니다.

CRS 이미징은 가능한 한 실제에 가까운 조건에서 시료를 세부적으로 연구할 수 있는 분광 기능을 제공합니다. 

라벨링되지 않은 SRS 이미징은 다세포 피부암 구상체 모델의 코어-셸 구조를 나타내고, 예상치 못한 풍부한 지질의 세포 표현형(절연, 밝은 황색 세포)을 드러냅니다. 샘플 제공: Dr. Julia Klicks, Prof. Rüdiger Rudolf, Hochschule Mannheim, Germany.
라벨링되지 않은 SRS 이미징은 다세포 피부암 구상체 모델의 코어-셸 구조를 나타내고, 예상치 못한 풍부한 지질의 세포 표현형(절연, 밝은 황색 세포)을 드러냅니다. 샘플 제공: Dr. Julia Klicks, Prof. Rüdiger Rudolf, Hochschule Mannheim, Germany.

공초점 형광 이미징 과 화학 이미징 결합

STELLARIS CRS는 시료의 다양한 생물학적 차원을 자세히 관찰할 수 있도록 공초점 시스템에 적합한 여러 이미징 방식을 제공합니다. 이를 통해 생화학, 생물물리학 및 분자 대비로 다중 형식의 광학 이미징이 가능합니다. 

  • SRS(Stimulated Raman Scattering)
  • CARS(Coherent Anti-Stokes Raman Scattering)
  • 단일 광자 또는 다광자 형광
  • SHG(Second Harmonic Generation)
  • 동시 또는 순차 모드에서 적외선(IR), 가시광선(VIS) 및 자외선(UV) 레이저로 이미징
     
SRS를 통한 다색 화학 이미징과 SHG를 통해 추가된 물리적 대비를 포함하여 식별 가능한 공초점 형광 현미경을 사용해 촬영한 쥐 두개관 외식편의 골형성 광학 이미징입니다. 단일 시료에서 골아세포의 국소화, 세포외 콜라겐 섬유의 침착 및 뼈 미네랄의 형성이 시각화됩니다. 또한, 지질이 풍부한 구조물은 발달 중인 골구조 전반에 흩어져 있는 분리된 골아세포 내부에서 주로 관찰됩니다. 샘플 제공: Jacqueline Tabler and Sebastian Bundschuh, MPI-CBG Dresden, Germany.
SRS를 통한 다색 화학 이미징과 SHG를 통해 추가된 물리적 대비를 포함하여 식별 가능한 공초점 형광 현미경을 사용해 촬영한 쥐 두개관 외식편의 골형성 광학 이미징입니다. 단일 시료에서 골아세포의 국소화, 세포외 콜라겐 섬유의 침착 및 뼈 미네랄의 형성이 시각화됩니다. 또한, 지질이 풍부한 구조물은 발달 중인 골구조 전반에 흩어져 있는 분리된 골아세포 내부에서 주로 관찰됩니다. 샘플 제공: Jacqueline Tabler and Sebastian Bundschuh, MPI-CBG Dresden, Germany.

진동 및 수명 이미징으로 새로운 가능성 발견  

다수의 생물학적 시료는 세포내 형광단이나 의도적인 형광 라벨링으로 인해 형광 방출이 발생합니다. SRS 신호는 형광의 영향을 받지 않는 반면, CARS 신호는 어느 정도의 형광 혼선이 발생할 수 있습니다.

STELLARIS 플랫폼의 TauSense 도구는 이 문제를 해결할 수 있습니다. 형광 수명 기반 정보를 사용하여 CARS 신호와 형광 신호를 즉각적으로 분리할 수 있습니다. 

왼쪽 위: 뇌 조직 지질의 CARS 현미경 이미지이며 지질이 풍부한 백색 물질 및 회색 물질 영역을 보여줍니다. 오른쪽 위: 평균 광자 도착 시간 이미지는 지질이 풍부한 백색 물질에서는 도착 시간이 짧고 회색 물질에서는 도착 시간이 길다는 것을 보여줍니다. 따라서 순간 CARS 신호가 한정된 수명을 가진 2광자 자동 형광 신호를 동반한다는 사실을 알 수 있습니다. 아래쪽 줄: 순간 CARS 신호와 자동 형광 신호의 수명 기반 분리와 평균 도착 시간 1.9ns를 나타냅니다. 오른쪽: 오버레이 이미지입니다.
왼쪽 위: 뇌 조직 지질의 CARS 현미경 이미지이며 지질이 풍부한 백색 물질 및 회색 물질 영역을 보여줍니다. 오른쪽 위: 평균 광자 도착 시간 이미지는 지질이 풍부한 백색 물질에서는 도착 시간이 짧고 회색 물질에서는 도착 시간이 길다는 것을 보여줍니다. 따라서 순간 CARS 신호가 한정된 수명을 가진 2광자 자동 형광 신호를 동반한다는 사실을 알 수 있습니다. 아래쪽 줄: 순간 CARS 신호와 자동 형광 신호의 수명 기반 분리와 평균 도착 시간 1.9ns를 나타냅니다. 오른쪽: 오버레이 이미지입니다.

본질적으로 정량화 가능한 데이터로 생산성 향상

STELLARIS CRS는 STELLARIS 플랫폼에서 사용할 수 있는 다양한 기능과 사용 편의성을 모두 제공합니다. 이러한 통합으로 사용자는 다양한 까다로운 시료를 취급할 수 있을 뿐 아니라 비율 계량 및 분광 이미징 접근 방식을 통해 고유의 정량화 가능 데이터를 얻는 등 CRS 이미징의 장점을 최대한 활용할 수 있습니다. 

물에 침지된 도데칸(완전 포화 탄화수소, 청록색) 및 리놀렌산(다불포화 지방산, 자홍색) 방울의 SRS 이미지 및 스펙트럼입니다. 1,660cm⁻¹~1,440cm⁻¹의 강도 비율에서는 지질 불포화를 정량화할 수 있습니다.
물에 침지된 도데칸(완전 포화 탄화수소, 청록색) 및 리놀렌산(다불포화 지방산, 자홍색) 방울의 SRS 이미지 및 스펙트럼입니다. 1,660cm⁻¹~1,440cm⁻¹의 강도 비율에서는 지질 불포화를 정량화할 수 있습니다.

완전 통합 시스템으로 간편하게 실험 설정

ImageCompass 사용자 인터페이스를 사용하여 실험의 모든 측면을 완전히 제어하고, 전문가와 초보자 모두 CRS 현미경을 편리하고 직관적인 방식으로 사용할 수 있습니다.

또한 CRS 레이저 제어가 ImageCompass에 통합되어 사용자는 단 몇 번의 클릭만으로 단일 화학 결합 이미징부터 분광 이미징 또는 다중 형식 이미징에 이르는 작업을 수행할 수 있습니다. 

직관적인 ImageCompass 사용자 인터페이스를 사용하여 몇 번의 클릭만으로 CRS 이미지를 얻으세요.

크고 복잡한 시료를 손쉽게 탐색

LAS X Navigator는 이미지별 검색에서 시료의 전체 개요로 빠르게 전환할 수 있는 강력한 도구입니다. CRS 다중 위치 실험과 Navigator를 완전히 통합하여 대형 시료의 전체 타일을 스캔할 수 있으며, 추가 조사 시 관심 영역을 선택하는 데 필요한 모든 정보를 제공합니다.

넓은 영역의 시료 자동 이미징: 전체 쥐 두뇌 조각의 고해상도 타일 스캔을 나타냅니다. 고지방 식단과 일반 식단으로 기른 쥐의 해당 피질 조직 영역을 비교해보면, 고지방 식단에서는 병리학적으로 지질이 풍부한 동맥 플라크가 발생하지만 일반 식단에서는 그렇지 않은 것을 알 수 있습니다. 샘플 제공: Judith Leyh and Prof. Ingo Bechmann, Universität Leipzig, Germany.
넓은 영역의 시료 자동 이미징: 전체 쥐 두뇌 조각의 고해상도 타일 스캔을 나타냅니다. 고지방 식단과 일반 식단으로 기른 쥐의 해당 피질 조직 영역을 비교해보면, 고지방 식단에서는 병리학적으로 지질이 풍부한 동맥 플라크가 발생하지만 일반 식단에서는 그렇지 않은 것을 알 수 있습니다. 샘플 제공: Judith Leyh and Prof. Ingo Bechmann, Universität Leipzig, Germany.

하이퍼스펙트럼 또는 비율 계량 이미징을 통해 정량화 가능한 정보 제공

CRS는 라만 분광에서 발달한 접근법에서 영감을 받은 방식으로, 비율 계량 및 분광 이미징을 통해 시료의 화학 조성물에 대한 재현 가능하고 정량화 가능한 정보를 제공할 수 있습니다. 이 기본 정량화 도구는 LAS X 소프트웨어에 통합되어 있습니다.

SRS 분광 이미징은 뇌 구조의 화학 조성물에 관한 자세한 정보를 제공합니다. 왼쪽: 정상적인 지질이 풍부한 백색 물질 구조(위) 및 아밀로이드-β 플라크(아래 왼쪽)를 둘러싸는 병리학적 지질 침착물을 나타내는 SRS 이미지입니다. 오른쪽: 이 SRS 스펙트럼은 병리학적 침착물이 콜레스테롤이 더 풍부한 백색 물질과 비교하여 막 지질(스핑고마이엘린, 포스파티딜콜린)이 풍부함을 나타냅니다.
SRS 분광 이미징은 뇌 구조의 화학 조성물에 관한 자세한 정보를 제공합니다. 왼쪽: 정상적인 지질이 풍부한 백색 물질 구조(위) 및 아밀로이드-β 플라크(아래 왼쪽)를 둘러싸는 병리학적 지질 침착물을 나타내는 SRS 이미지입니다. 오른쪽: 이 SRS 스펙트럼은 병리학적 침착물이 콜레스테롤이 더 풍부한 백색 물질과 비교하여 막 지질(스핑고마이엘린, 포스파티딜콜린)이 풍부함을 나타냅니다.

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