KR101571136B1 - fiber-optic systems for fluorescence imaging and light stimulation - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 광 파이버 다발을 이용해 신경 세포에 광 자극을 가하는 광 파이버 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 광 자극에 감응하도록 처리된 신경 세포에서 광 자극 부위를 확인하여 선택적으로 광 자극을 수행할 수 있는 광 파이버 시스템에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE
신경 질환이 증가함에 따라 신경 질환을 치료하고 재활하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. As the number of neurological diseases increases, researches for the treatment and rehabilitation of neurological diseases are actively conducted.
저하된 신경 기능을 복원하기 위한 기술로 신경에 전기 자극을 가하는 DBS (Deep brain stimulation), FES (Functional electrical stimulation) 기술들이 치료에 이용되고 있다. Deep brain stimulation (DBS) and functional electrical stimulation (FES) techniques, which apply electrical stimulation to the nerve, are being used to treat degraded nerve function.
그러나 이러한 전기자극에 의한 복원 기술은 전극 기판을 삽입하여 이루어지므로, 인위적인 전기 자극에 의해 신경 세포가 손상되거나, 전극 기판의 생체 부적합성으로 인해 생체 내 염증 반응을 일으키는 등의 2차 손상을 초래하게 된다.However, since such an electric stimulation restoration technique is performed by inserting an electrode substrate, it causes secondary damage such as damage to nerve cells due to an artificial electrical stimulation or in vivo inflammation due to incompatibility of the electrode substrate .
또한, 전해질로 이루어진 생체의 특성상 전기 자극을 원하는 부위에만 자극을 주기가 어려우며 원하지 않은 반응을 초래할 수 있다. Further, due to the nature of the living body made of the electrolyte, it is difficult to stimulate only the desired region of the electric stimulation and may cause an undesired reaction.
따라서, 유전자 기법을 이용해 신경 세포를 광 자극하여 활성화시킬 수 있는 광 유전학 기법이 개발되고 있다. Therefore, optical genetic techniques have been developed that can be activated by light stimulation of neurons using genetic techniques.
유전자 기법의 대표적인 예로서, 녹조류 등에서 유래된 채널로돕신-2(Channelrhodopsin-2, ChR2) 및 할로로돕신(Halorhodopsin, NpHR)의 채널 단백질로부터 얻어진 광 반응성 광 유전자를 세포의 세포막에 주입하여, 채널로돕신-2 및 할로로돕신과 실질적으로 동일한 작용의 광 반응성 채널 단백질("광반응성 채널")이 세포막에 발현되도록 하는 방법이 있다. As a representative example of the gene technique, a photoreactive photoreactive gene obtained from channel proteins of channelrhodopsin-2, ChR2 and halorhodopsin (NpHR) derived from green algae is injected into the cell membrane to produce channel rhodopsin- ("Photoreactive channel") having substantially the same action as halothiocin and halothiocin is expressed in the cell membrane.
광반응성 채널은 광 자극에 반응하여 작동하여 해당 세포를 활성화시킨다. Photoreactive channels act in response to light stimuli to activate the cells.
도 1은 채널로돕신-2의 작동을 개념적으로 도시한 것이다. Figure 1 conceptually illustrates the operation of channel Rhodopsin-2.
채널로돕신-2(ACCESSION ABZ90903, VERSION ABZ90903.1 GI: 167650748)은 녹조류(Chlamydomonas reinhardtii)에서 볼 수 있는 양이온(Na+, K+, Ca2 +) 채널의 막단백질로서, 푸른빛의 광자극(470 nm)에 의해서 활성화된다. 구체적으로, 푸른빛이 채널로돕신-2 이온 채널에 감지되면 세포내 활성화가 되면서 이온 채널이 열리고 Na+, Ca2+가 세포안으로 들어와 세포막을 탈분극화(Depolarization)시켜, 신경세포의 활동전위를 증가시킨다. Channel Rhodopsin-2 (ACCESSION ABZ90903, VERSION ABZ90903.1 GI: 167650748) is a green alga ( Chlamydomonas (Na + , K + , Ca 2 + ) channel, which can be found in the cytoplasmic reinhardtii , which is activated by a blue light stimulus (470 nm). Specifically, when the blue light is detected in the channel rhodopsin-2 ion channel, the ion channel is opened and the Na + and Ca 2+ are introduced into the cell, depolarizing the cell membrane to increase the action potential of the neuron .
도 2는 할로로돕신의 작동을 개념적으로 도시한 것이다. Figure 2 conceptually illustrates the operation of halorodoxine.
상기 할로로돕신(ACCESSION AAA72222, VERSION AAA72222.1 GI:150235)은 나트로노모나스 파라오니스(Natronomonas pharaonis)에서 추출된 염소이온 (Cl-) 펌프 막단백질로, 노란빛(593nm)에서 활성화된다. 구체적으로, 노란빛이 조사되면 할로로돕신이 반응하여 염소이온(Cl-)을 세포안으로 들어오는 염소이온 수송체를 작동시키고, 이는 세포 내부의 과분극화(Hyperpolarization)를 유발하여 신경세포의 활동전위를 억제시킨다. The halo-rhodopsin (ACCESSION AAA72222, VERSION AAA72222.1 GI: 150235) is a sodium eggplant grandma It is a chlorine ion (Cl - ) pump membrane protein extracted from Natronomonas pharaonis , which is activated in yellow light (593 nm). Specifically, when yellow light is irradiated, halodipodine reacts to activate a chlorine ion transporter that enters the cell with chlorine ion (Cl < - >), which causes hyperpolarization inside the cell to inhibit the action potential of the neuron .
채널로돕신-2와 할로로돕신로부터 얻어진 광 반응성 유전자는 원하는 신경 세포의 세포막에 선택적으로 주입될 수 있으며, 다양한 주입 방법이 공지되어 있다. Photoreactive genes obtained from channel rhodopsin-2 and halorodoxine can be selectively injected into the cell membrane of a desired neuron, and various injection methods are known.
광유전자 중 채널로돕신-2의 유전정보를 가지는 광유전자에 의해 발현된 광 반응성 채널은 광 자극이 가해지면 신경 세포의 활동전위를 증가시키고, 할로로돕신의 유전정보를 가지는 광 유전자에 의해 발현된 광 반응성 채널은 광 자극이 가해지면 신경세포의 활동전위를 억제하도록 세포특이적으로 발현된다. The photoreactive channel expressed by the photoreceptor gene having the genetic information of the channel rhodopsin-2 in the photoreceptor gene increases the action potential of the neuron when the photoreceptor is stimulated, and the light expressed by the photoreceptor gene having the genetic information of halorodoxine Reactive channels are expressed specifically to inhibit the action potential of neurons when a light stimulus is applied.
상기 광유전자를 생체의 신경 세포에 주입함으로써 여러 가지 신경 세포를 선택적, 독립적으로 발현시킬 수 있다. 또한 높은 광감응도를 가지므로, 저광도의 빛을 사용할 수 있다는 장점이 있다.By injecting the light gene into a nerve cell of a living body, various nerve cells can be selectively and independently expressed. In addition, since it has high optical sensitivity, it has an advantage that light of low light intensity can be used.
채널로돕신-2 및 할로로돕신의 유전자를 각각 프로모터 및 바이러스 벡터와 함께 적용 대상의 세포 조직에 초자체내주사(intravitreous injection)할 수 있다. 주사된 바이러스가 신경 세포를 감염시켜 단백질을 발현시켜, 상기 광유전자인 채널로돕신-2 및 할로로돕신을 합성하게 되고, 각각 신경 세포의 세포막에 발현된다. Channel rhodopsin-2 and halorodoxine genes can be intravitreously injected into the cell tissue of the application subject together with the promoter and the viral vector, respectively. The injected virus infects neurons and expresses the proteins, thereby synthesizing the above light genes, rhodopsin-2 and halorodoxine, which are expressed on the cell membrane of neurons, respectively.
이러한 광반응성 채널을 광 자극하기 위해 체내에 삽입이 용이하고 광을 전달할 수 있는 광 파이버가 이용될 수 있다. In order to stimulate the photoreactive channel with light, an optical fiber which can be easily inserted into the body and can transmit light can be used.
하지만, 종래 기술에 따르면 단일의 파이버를 이용해 광 자극을 수행하므로, 자극 범위에 한계가 있고, 자극 부위를 확인하여 선택적으로 자극할 수 없는 한계가 있다. However, according to the related art, since the optical stimulation is performed using a single fiber, there is a limitation in the range of the stimulation, and there is a limit in which it is impossible to selectively stimulate the stimulation region.
본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 형광 이미징을 통해 광반응성 채널이 발현된 세포의 위치를 파악하고 선택적으로 해당 세포를 광 자극하여 활성화시킬 수 있는 광 파이버 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다. Disclosure of Invention Technical Problem [8] Accordingly, the present invention has been made in view of the above problems, and it is an object of the present invention to provide an optical fiber system capable of locating a cell in which a photoreactive channel is expressed through fluorescence imaging, The purpose.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면, 광 자극에 의해 세포막전위의 변화를 유도하는 광반응성 채널이 세포막에 발현된 세포의 위치를 확인하여 광 자극할 수 있는 광 파이버 시스템이 제공된다. 상기 광반응성 채널에는 빛을 조사하면 형광을 일으키는 제1형광성 지시자가 표지되고, 상기 광 자극 시스템은, 복수의 광 파이버로 이루어진 광 파이버 다발을 포함하는 프로브 및 상기 복수의 광 파이버 중 원하는 광 파이버에 선택적으로 빛을 입사시킬 수 있는 프로젝션 장치를 포함하고, 상기 제1형광성 지시자에서 형광이 일어나도록 하는 제1관찰 광을 상기 광 파이버 다발로 입사시켜 광반응성 채널의 형광 이미지를 획득하고, 상기 프로젝션 장치를 통해 형광을 일으킨 위치에 대응하는 광 파이버에 상기 광반응성 채널을 활성화시킬 수 있는 자극 광을 입사시켜 상기 광반응성 채널을 광 자극한다. According to an aspect of the present invention, there is provided an optical fiber system capable of optically stimulating a photoreactive channel that induces a change in cell membrane potential by a photostimulation, do. Wherein the light-stimulating system includes a probe including an optical fiber bundle composed of a plurality of optical fibers, and a probe including a plurality of optical fibers, And a projection device capable of selectively introducing light, wherein a first observation light for causing fluorescence to occur in the first fluorescence indicator is incident on the optical fiber bundle to obtain a fluorescence image of the photoreactive channel, The stimulating light capable of activating the photoreactive channel is incident on the optical fiber corresponding to the position where the fluorescence is generated through the photoreactive channel, thereby optically stimulating the photoreactive channel.
일 실시예에 따르면, 복수의 세포로 이루어진 세포군에 복수의 광반응성 채널이 발현되고, 상기 프로젝션 장치는 복수의 광반응성 채널에 순차적으로 또는 동시에 상기 자극 광이 조사되도록 상기 자극 광을 패턴화하여 상기 광 파이버 다발에 입사시킨다. According to one embodiment, a plurality of photoreactive channels are expressed in a cell group composed of a plurality of cells, and the projection device patterns the stimulated light to sequentially irradiate the stimulated light to a plurality of photoreactive channels, And enters the optical fiber bundle.
일 실시예에 따르면, 상기 복수의 광반응성 채널에 표지되는 제1형광성 지시자는, 녹색형광단백질, 황색형광단백질 또는 적색형광단백질 중 적어도 하나 이상이다. According to one embodiment, the first fluorescent indicator labeled on the plurality of photoreactive channels is at least one of a green fluorescent protein, a yellow fluorescent protein, or a red fluorescent protein.
일 실시예에 따르면, 상기 프로젝션 장치는, 선택적으로 빛을 반사 또는 통과시킬 수 있는 복수의 픽셀을 포함하고, 상기 광 파이버 다발의 각각의 광 파이버는 적어도 하나의 픽셀에 매칭되고, 상기 픽셀로부터 반사되는 자극 광이 해당 픽셀과 매칭된 광 파이버로 입사된다. According to one embodiment, the projection apparatus includes a plurality of pixels that can selectively reflect or pass light, wherein each optical fiber of the optical fiber bundle is matched to at least one pixel, Is incident on the optical fiber matched with the corresponding pixel.
일 실시예에 따르면, 하나의 광 파이버가 하나의 픽셀에 매칭된다. According to one embodiment, one optical fiber is matched to one pixel.
일 실시예에 따르면, 상기 광 파이버 다발에 포함된 복수의 광 파이버는 그 직경이 수 마이크로 미터이다. According to an embodiment, the plurality of optical fibers included in the optical fiber bundle are several micrometers in diameter.
일 실시예에 따르면, 상기 세포군에는 상기 세포의 활성화에 관계된 전달 물질 또는 이온(이하 "세포 물질"이라고 함)에 결합되며, 빛을 조사하면 형광을 일으키는 제2형광성 지시자가 삽입되고, 상기 제2형광성 지시자에서 형광이 일어나도록 하는 제2관찰 광을 상기 광 파이버 다발로 입사시켜 상기 세포군에서 발생한 세포 물질의 형광 이미지를 획득하고, 획득된 상기 세포 물질의 형광 이미지를 통해 세포의 활성화 여부를 확인할 수 있다.According to one embodiment, the cell group is attached to a substance or ion (hereinafter referred to as "cell material") related to the activation of the cell, and a second fluorescent indicator for causing fluorescence when the light is irradiated is inserted, A fluorescence image of the cell material generated in the cell group is obtained by introducing a second observation light for causing fluorescence to occur in the fluorescence indicator into the bundle of optical fibers to confirm whether or not the cell is activated through the fluorescence image of the obtained cell material have.
일 실시예에 따르면, 상기 자극 광과 상기 제2관찰 광은 상기 광 파이버 다발을 통해 상기 세포군 내로 동시에 조사된다. According to one embodiment, the stimulating light and the second observation light are simultaneously irradiated into the cell group through the optical fiber bundle.
일 실시예에 따르면, 상기 제1관찰 광과 상기 제2관찰 광은 파장대가 겹치지 않는 빛이고, 하나의 관찰 광 광원이 상기 제1관찰 광과 상기 제2관찰 광을 포함하는 광대역 파장을 가지는 광대역 관찰 광을 생성하고, 상기 자극 광과 상기 광대역 관찰 광은 상기 광 파이버 다발을 통해 상기 세포군 내로 동시에 조사된다. According to one embodiment, the first observation light and the second observation light are light in which the wavelength band does not overlap, and one observation light source is a broad band having a broadband wavelength including the first observation light and the second observation light And the stimulus light and the broadband observation light are simultaneously irradiated into the cell group through the optical fiber bundle.
일 실시예에 따르면, 상기 관찰 광 광원으로부터 조사되는 상기 광대역 관찰 광으로부터 상기 제1관찰 광 또는 상기 제2관찰 광을 선택적으로 필터링하는 관찰 광 필터 장치를 포함한다. According to an embodiment, the apparatus includes an observation light filter device for selectively filtering the first observation light or the second observation light from the broadband observation light emitted from the observation light source.
일 실시예에 따르면, 상기 세포는 신경 세포이고, 상기 세포 물질은 칼슘 이온이며, 상기 제2형광성 지시자는 상기 칼슘 이온에 결합하는 칼슘 지시자이다. According to one embodiment, the cell is a neuron, the cell material is a calcium ion, and the second fluorescence indicator is a calcium indicator that binds to the calcium ion.
일 실시예에 따르면, 상기 광 파이버 다발의 후단부로부터 출력되는, 상기 광반응성 채널의 형광 이미지와 상기 세포 물질의 형광 이미지를 수집하는 카메라 장치를 포함한다. According to one embodiment, there is provided a camera device for collecting a fluorescence image of the photoreactive channel and a fluorescence image of the cell material output from the rear end of the optical fiber bundle.
일 실시예에 따르면, 상기 광반응성 채널의 형광 이미지와 상기 세포 물질의 형광 이미지를 선택적으로 필터링하여 상기 카메라 장치로 전달하는 형광 이미지 필터 장치를 포함한다. According to one embodiment, there is provided a fluorescence image filter device for selectively filtering a fluorescence image of the photoreactive channel and a fluorescence image of the cell material and delivering the fluorescence image to the camera device.
일 실시예에 따르면, 상기 프로브는 전단으로 갈수록 뾰족해지는 니들 형태를 가지고, 유연하게 구부러질 수 있는 몸체를 포함한다. According to one embodiment, the probe includes a body that has a needle-like shape that tapers toward the front end and that can be bent flexibly.
도 1은 채널로돕신-2의 작동을 개념적으로 도시한 것이다.
도 2는 할로로돕신의 작동을 개념적으로 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광반응성 채널이 세포막에 발현된 신경 세포의 일부를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 광 파이버 시스템의 개념도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 광 파이버 시스템의 프로브의 전단부를 확대도시한 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 광 파이버 시스템에서 제1의 광 경로를 표시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 광 파이버 시스템에서 제3의 광 경로를 표시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 광 파이버 시스템에서 제2의 광 경로를 표시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 광 파이버 시스템의 제2의 광 경로를 도시한 것이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 프로젝션 장치의 구성을 나타내는 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 광 파이버 시스템에서 자극 광을 타겟에 전달하는 형태를 도시한 것이다. Figure 1 conceptually illustrates the operation of channel Rhodopsin-2.
Figure 2 conceptually illustrates the operation of halorodoxine.
FIG. 3 shows a part of a nerve cell in which a photoreactive channel is expressed on a cell membrane according to an embodiment of the present invention.
4 is a conceptual diagram of an optical fiber system according to an embodiment of the present invention.
5 is an enlarged view of a front end portion of a probe of an optical fiber system according to an embodiment of the present invention.
6 is a diagram illustrating a first optical path in an optical fiber system according to an embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a diagram illustrating a third optical path in an optical fiber system according to an embodiment of the present invention.
8 is a diagram illustrating a second optical path in the optical fiber system according to an embodiment of the present invention.
9 shows a second optical path of an optical fiber system according to an embodiment of the present invention.
10 is a diagram showing a configuration of a projection apparatus according to an embodiment of the present invention.
11 is a view illustrating transmission of stimulated light to a target in an optical fiber system according to an embodiment of the present invention.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 하나의 실시예로서 설명되는 것이며, 이것에 의해 본 발명의 기술적 사상과 그 핵심 구성 및 작용은 제한되지 않는다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. Although the present invention has been described with reference to the embodiments shown in the drawings, it is to be understood that the technical idea of the present invention and its essential structure and action are not limited by this embodiment.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 광유전자 기법을 통해 광유전자를 기능이 저하 또는 손상된 신경 세포에 삽입하여 광반응성 채널을 해당 신경 세포의 세포막에 발현시키고, 형광 이미징을 통해 상기 광반응성 채널이 발현된 신경 세포의 정확한 위치를 확인하여 선택적으로 광자극할 수 있다. According to one embodiment of the present invention, a photoreactive gene is inserted into a neuron whose function is impaired or damaged through a photonic gene technique to express a photoreactive channel on the cell membrane of the neuron, and the photoreactive channel is expressed through fluorescence imaging Which can be selectively stimulated with light.
이를 위해 먼저 피험체(S)에서 광 자극의 대상이 되는 신경 세포에 광유전자를 삽입하여 광반응성 채널(100)을 발현시킨다. To this end, a photoreactive gene (100) is first expressed by inserting a light gene into a nerve cell to be subjected to light stimulation in the subject (S).
도 3은 광반응성 채널(100)이 세포막(M)에 발현된 신경 세포의 일부를 도시한 것이다. FIG. 3 shows a part of a nerve cell in which the
본 실시예에 따른 광반응성 채널(100)은 채널로돕신-2로서, 녹조류(Chlamydomonas reinhardtii)에서 추출된 광 유전자에 의해 발현된 양이온(Na+, K+, Ca2 +) 채널의 막단백질이다. 푸른빛의 광자극(470 nm)에 의해서 활성화된다. 구체적으로, 푸른빛이 채널로돕신-2 이온 채널에 감지되면 세포내 활성화가 되면서 이온 채널이 열리고 Na+, Ca2 +가 세포 안으로 들어와 세포막을 탈분극화(Depolarization)시켜, 신경 세포의 활동전위를 증가시킨다.
광반응성 채널(100)의 위치 확인을 위한 형광 이미지 획득을 위해 광반응성 채널(100)에는 빛을 조사하면 형광을 일으키는 제1형광성 지시자(101)가 표지되어 있다. In order to obtain fluorescence images for the positioning of the
본 실시예에 따르면, 제1형광성 지시자(101)는, 녹색형광단백질(Green Fluorescent Protein; GFP), 황색형광단백질(Yellow Fluorescent Protein; YFP) 또는 적색형광단백질(Red Fluorescent Protein; RFP)일 수 있다. According to the present embodiment, the first
"형광"은 원하는 파장대의 빛을 주면 에너지 흡수가 일어나고 이 에너지가 방출될 때 빛이 나는 현상을 말한다. "Fluorescence" is a phenomenon in which light is emitted when energy is absorbed by giving light of a desired wavelength, and this energy is emitted.
GFP는 녹색광을 조사하는 경우 녹색 형광을 발생시키고, YFP는 황색광을 조사하는 경우 황색 형광을 발생시키며, RFP는 적색광을 조사하는 경우 적색 형광을 발생시키는 단백질이다. GFP generates green fluorescence when green light is irradiated, YFP generates yellow fluorescence when yellow light is irradiated, and RFP is a protein that generates red fluorescence when red light is irradiated.
후술하는 바와 같이, 본 실시예에 따르면 복수의 광파이버 다발을 이용해 비교적 넓은 범위에 놓여 있는 복수의 신경 세포를 관찰 및 광 자극할 수 있다. 또한, 복수의 신경 세포에는 복수의 광반응성 채널(100)이 발현될 수 있다. As described later, according to this embodiment, a plurality of nerve cells lying in a relatively wide range can be observed and photostimulated using a plurality of optical fiber bundles. In addition, a plurality of
이때, 복수의 광반응성 채널(100) 모두에 반드시 하나의 종류의 형광성 지시자가 표지될 필요는 없으며, 복수 종류의 형광성 지시자가 필요에 따라 표지되어도 좋다. At this time, not all kinds of fluorescent indicators need to be marked on all of the plurality of
신경 세포 단위로 광반응성 채널에 표지되는 제1형광성 지시자의 종류를 달리하는 경우, 신경 세포의 특성에 따라 분류된 형광 이미지를 획득할 수 있다. When the first fluorescent indicator labeled on the photoreactive channel is different in a neuron unit, a fluorescent image classified according to the characteristics of the neuron can be obtained.
다만, 후술하는 세포의 활성화에 관계된 전달 물질 또는 이온에 결합되어 해당 물질을 표지하기 위한 제2형광성 지시자와는 그 방출하는 형광의 파장대가 서로 겹치지지 않도록 제1형광성 지시자(101)를 선택하는 것이 바람직하다. However, it is preferable to select the
신경 세포는 나트륨과 칼슘 이온 등에 의해 세포막의 탈분극이 이루어져 활동 전위가 발생한다. 신경 세포가 활성화되면 시냅스를 통해 신경 전달 물질이 배출된다. Neuronal cells are depolarized by the action of sodium and calcium ions, resulting in action potentials. When neurons are activated, neurotransmitters are released through synapses.
본 명세서에서는, 세포의 활성화에 관계된 전달 물질 또는 이온을 "세포 물질"이라고 정의한다. In the present specification, a substance or an ion associated with activation of a cell is defined as a "cell material ".
본 실시예에 따르면 세포 물질 중 신경 세포 활동의 지표가 될 수 있는 물질을 선택하여 해당 물질의 상태를 관찰함으로써, 신경 세포의 활성화 여부를 판단한다. According to the present embodiment, a substance that can be an indicator of neuronal activity in a cell material is selected, and the state of the substance is observed to determine whether or not the neuron is activated.
상술한 바와 같이, 청색광이 채널로돕신-2 이온 채널에 감지되면 세포내 활성화가 되면서 광반응성 채널이 열리고 Na+, Ca2 +가 세포안으로 들어와 세포막을 탈분극화(Depolarization)시켜, 신경세포의 활동전위를 증가시킨다. As described above, when blue light is detected in the channel rhodopsin-2 ion channel, the photoreactive channel is opened and the Na + and Ca 2 + are introduced into the cell to depolarize the cell membrane, .
본 실시예에서는 신경 세포의 활성화에 따른 세포 내 칼슘 유입으로 야기되는 칼슘 농도 변화를 측정하여 신경 세포의 활동을 확인 및 평가한다. In this embodiment, the activity of the neuron is measured and evaluated by measuring the calcium concentration change caused by the intracellular calcium influx upon activation of the neuron.
도 3에 도시된 바와 같이, 광 자극에 의한 신경 세포의 활동 여부를 관찰하기 위해 칼슘 이온(103)에 결합될 수 있고, 빛을 조사하면 형광을 일으키는 제2형광성 지시자(104)가 광 자극을 위한 신경 세포 부근에 뿌려진다. As shown in FIG. 3, the
칼슘 이온(103)에 결합 가능한 제2형광성 지시자(104)로는 녹색광을 조사하면 녹색 파장대의 형광을 일으키는 Fluo-3, Fluo-4, Calcium Green-1 등과, 적색광을 조사하면 적색 파장대의 형광을 일으키는 Calcium Crimson 등의 공지의 칼슘 지시자들이 이용될 수 있다.The
본 실시예에 따르면 제1형광성 지시자(101)와 제2형광성 지시자(102)가 방출하는 형광 이미지를 구분하기 위하여, 제1형광성 지시자(101)로 RFP를 표지하고 제2형광성 지시자(102)로는 Fluo-3, Fluo-4 및 Calcium Green-1 중 하나를 선택하여 표지한다. According to the present embodiment, in order to distinguish the fluorescent images emitted by the
도 3을 참조하여, 본 실시예에 따른 광 파이버 시스템을 이용한 형광 이미지 획득과 광 자극의 원리를 설명한다.The principle of fluorescence image acquisition and optical stimulation using the optical fiber system according to the present embodiment will be described with reference to FIG.
먼저, 제1형광성 지시자(101)에서 형광을 일으키도록 하는 적색 파장대를 가지는 적색의 제1관찰 광(201)을 신경 세포가 위치한 부위에 조사한다. First, a red
제1관찰 광(201)에 의해 제1형광성 지시자(101)는 적색 파장대의 형광을 방출한다. 방출되는 적색의 형광 이미지를 통해서 제1형광성 지시자(101)가 표지된 광반응성 채널(100)의 위치를 알 수 있게 된다. The
탐지된 광반응성 채널(100)의 위치에 광반응성 채널(100)을 광 자극하기 위한 청색광(약 470nm 대역)의 자극 광(300)을 조사한다. 자극 광(300)은 광반응성 채널(100)의 활동을 유발하는 파장대와 세기를 가진다. The
자극 광(300)의 자극에 의해 광반응성 채널(100)은 세포막 전위를 일으켜 세포 내로 칼슘 이온(103)을 유입시켜 해당 신경 세포를 활성화시킨다. The
이때, 제2형광성 지시자(104)가 형광을 일으키도록 하는 녹색 파장대를 가지는 제2관찰 광(202)을 신경 세포가 위치한 부위에 조사하면, 제2형광성 지시자(104)는 녹색 파장대의 형광을 방출한다. 방출되는 녹색의 형광 이미지를 통해 제2형광성 지시자(104)가 표지된 칼슘 이온(103)의 농도 변화를 알 수 있다. At this time, when the
더 구체적으로, 칼슘 이온(103)의 농도 변화는 하기 [수학식 1]과 같이 관찰되는 형광 이미지에서 녹색 광의 밝기 차이에 의해 계산될 수 있다.
More specifically, the concentration change of the
[수학식 1][Equation 1]
여기서, F는 광 자극을 주었을 때 형광의 밝기이고, Frest는 광 자극을 주지 않았을 때 형광의 밝기를 나타낸다. Where F is the brightness of the fluorescence when given a light stimulus and F rest is the brightness of the fluorescence when no stimulus is given.
이러한 밝기 차이 측정 공식에 따라 신경 세포의 내부로 유입되는 칼슘의 농도 변화를 계산할 수 있다. According to this brightness difference measurement formula, the concentration change of calcium introduced into the nerve cell can be calculated.
이하, 도면을 참조하여 위와 같은 형광 이미지 획득과 광 자극을 수행할 수 있는 광 파이버 시스템(1)에 대해 설명한다. Hereinafter, an
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 광 파이버 시스템(1)의 개념도이다. 4 is a conceptual diagram of an
도 4에 도시된 바와 같이, 광 파이버 시스템(1)은 피험체(S)의 생체 내에 삽입될 수 있는 프로브(10)를 포함한다. As shown in Fig. 4, the
본 실시예에 따르면, 프로브(10)의 전단에 위치한 광 파이버 다발(12)의 전단부는 피험체(S)의 뇌에 삽입되어 뇌 신경 세포에 광 자극을 가한다. According to the present embodiment, the front end of the
본 명세서에서는, 복수의 세포로 이루어진 집합체를 "세포군"으로 정의한다. In the present specification, an aggregate composed of a plurality of cells is defined as a "cell group ".
프로브(10)가 삽입되는 뇌 신경 세포의 세포군은 복수의 뇌 신경 세포가 신경 체인을 형성하고 있다.In the cell group of the cranial nerve cell into which the
뇌 신경 세포의 세포군 중 적어도 일부에는 상술한 바와 같이, 광반응성 채널(100)과, 형광성 지시자(101, 104)가 삽입되어 있다. At least a portion of the cell population of the cranial nerve cell is inserted with the
본 실시예에 따르면 피험체(S)로서 생쥐가 이용되었지만, 이에 한정되지 않으며 광 파이버 시스템(1)은 인간과 같은 몸집이 큰 생물체에 적용 가능하다.According to the present embodiment, a mouse is used as the subject S, but the present invention is not limited to this, and the
프로브(10)의 후단부에는 세 갈래의 광 경로가 형성된다. At the rear end of the
제1의 광 경로는, 형광 지시자를 통한 형광 이미지 획득을 위한 관찰 광(201, 202)을 조사하기 위한 관찰 광 광원(40)으로부터 프로브(10)로 이어지는 경로이다. The first optical path is a path from the observation
제2의 광 경로는 광반응성 채널(100)을 활성화시킬 수 있는 자극 광(300)을 조사하는 자극 광 광원(30)으로부터 프로브(10)로 이어지는 경로이다. The second optical path is the path leading from the stimulating
제3의 광 경로는 프로프(10)의 후단을 통해 출력되는 형광 이미지를 수집하여 시각화할 수 있는 카메라 장치(50)로 이어지는 경로이다. The third optical path is the path leading to the
도 5는 본 실시예에 따른 프로브(10)의 전단부를 확대도시한 것이다. 5 is an enlarged view of the front end portion of the
도 5에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 프로브(10)는 원통형의 몸체(11)와, 상기 몸체(11) 안에 복수의 광 파이버(13)로 이루어진 광 파이버 다발(12)을 포함한다. 5, the
광 파이버 다발(12)은 수만 가닥의 광 파이버(13)를 포함할 수 있고, 각각의 광 파이버(13)의 직경은 수 마이크로미터로 하나의 신경 세포에 비해 크기가 작다. The
자세히 도시하지는 않았지만, 프로브(10)의 몸체(11)는 후단으로 갈수록 직경이 커진다. 즉, 프로브(10)는 전단으로 갈수록 뾰족해지는 니들(needle) 형태를 가진다. 따라서, 피실험체(S)의 내부로 손상을 최소화할 수 있다. Although not shown in detail, the diameter of the
또한, 프로브(10)의 몸체(11)는 유연하게 구부러질 수 있는 재질로 이루어져, 내시경 장비 등으로 적절히 이용될 수 있다.In addition, the
광 파이버 다발(12)의 후단부에는 대물렌즈(57)가 결합되어 있으며, 상기 제1 내지 제3의 광 경로를 대물렌즈(57)를 통해 광 파이버 다발(12)의 후단부와 정렬되어 있다. An
광 파이버(13)는 내부를 통과하는 빛에 전반사를 일으켜, 일단으로 입사된 빛이 실질적으로 그대로 타단으로 출력되는 성질을 가진다. The
또한, 복수의 광 파이버(13)로 다발로 형성하고 전단을 물체에 접촉시키면, (해당 물체가 발광하는 경우) 후단을 통해 해당 물체에서 발광하는 빛이 출력되고, 출력되는 빛을 카메라 장치로 수집하여 물체의 표면의 이미지를 획득할 수 있는 성질을 가진다. In addition, when a plurality of
본 실시예에 따르면, 광 파이버 다발(12)의 위와 같은 성질을 이용해 형광 이미지를 획득한다. According to this embodiment, a fluorescent image is obtained by using the above-described property of the
먼저 도 6을 참조하여 제1의 광 경로를 통해 광반응성 채널(100)의 형광 이미지를 얻기 위한 관찰 광을 조사하는 과정을 설명한다. Referring to FIG. 6, a process of irradiating observation light for obtaining a fluorescence image of the
관찰 광 광원(40)은 광대역의 파장대를 가지는 빛을 조사한다. 관찰 광 광원(40)이 조사하는 빛은 광반응성 채널(100)을 광 자극하기에는 충분치 않은 세기를 가진다. 일 예에 따르면 관찰 광 광원(40)은 머큐리 램프(mercury lamp)에 의해 형성된다. The observation
관찰 광 광원(40)으로부터 출력되는 빛은 관찰 광 필터 장치(42)를 통해 필터링된다. 다시 도 4를 참조하면, 관찰 광 필터 장치(42)는 특정 색의 빛을 통과시킬 수 있는 복수의 필터(43)를 포함한다. The light output from the observation
본 실시예에 따르면, 먼저 제1형광 지시자(101)의 형광에 의한 광반응성 채널(100)의 형광 이미지를 획득하기 위하여, 관찰 광 필터장치(42)는 적색광만을 통과시키도록 조정되어 제1관찰 광(201)을 형성한다. According to the present embodiment, in order to obtain fluorescence images of the
제1관찰 광(201)은 렌즈(42, 44, 56)에 의해 집광 또는 분광되었다가 광 경로 신호기(56)를 거쳐 대물 렌즈(57)로 입사된다. The
대물 렌즈(57)는, 대물 렌즈(57)로 입사되는 빛이 광 파이퍼 다발(12)에 포함된 모든 광 파이버(13)로 동시에 입사되도록 배율이 정해진다. The
광 파이버 다발(12)로 입사된 제1관찰 광(201)은 광 파이버 다발(12)의 전단을 통해 광 파이버 다발이 커버하는 면적의 세포군에 조사된다. The
광 파이버 다발(12)의 전단부에 GRIN 렌즈 등을 부착하면 전단을 세포군에 에 접촉시키지 않고도 형광 이미지 획득이 가능하며, 광 파이버 다발(12)의 단면적보다 넓은 면적의 세포군에 대한 광 자극과 이미지 획득도 가능하다. A GRIN lens or the like is attached to the front end of the
세포군 내에 포함된 복수의 광반응성 채널(100)에 표지된 제1형광성 지시자(101)는 제1관찰 광(201)에 반응하여 형광을 일으킨다. The
제1형광성 지시자(101)가 일으키는 형광은 광 파이버 다발(12)을 통해 카메라 장치(50)로 수집된다. Fluorescence caused by the
도 7은 제3의 광 경로를 통해 광반응성 채널(100)의 형광 이미지를 획득하는 과정을 도시한 것이다. Figure 7 illustrates the process of obtaining a fluorescent image of the
도 7에 도시된 바와 같이, 제1형광성 지시자(101)가 일으키는 형광은 대물렌즈(57)를 거쳐 광 경로 신호기(56)를 통과해 렌즈(54)를 통해 배율이 조절된 뒤 카메라 장치(50)로 수집된다.7, the fluorescence generated by the
카메라 장치(50)는 제1형광성 지시자(101)가 일으키는 형광 이미지를 컴퓨터 장치(51)로 전송하고, 컴퓨터 장치(51)는 해당 형광 이미지로부터 적색광 이미지를 검출하여, 광반응성 채널(100)의 위치를 식별해 낼 수 있다. The
또한, 컴퓨터 장치(51)는 모니터를 통해 형광 이미지를 영상으로 출력하여 사용자가 육안으로 형광 이미지를 확인할 수 있도록 할 수도 있다.In addition, the
본 실시예에 따르면, 광반응성 채널(100)의 위치가 확인되면 해당 위치에 자극 광(300)을 조사하여 광반응성 채널(100)을 광 자극한다. According to the present embodiment, when the position of the
도 8은 광반응성 채널(100)을 광 자극하기 위한 제2의 광 경로를 설명하기 위한 것이다. 8 is intended to illustrate a second optical path for optically stimulating the
도 8에 도시된 바와 같이, 자극 광 광원(30)은 광반응성 채널(100)을 자극할 수 있기에 충분한 강도의 청색의 자극 광(300)을 생성하여 조사한다. 본 실시예에 따른 자극 광 광원(30)으로는 고출력을 가지는 레이저, LD, LED 등이 이용될 수 있다. As shown in FIG. 8, the stimulating
본 실시예에 따르면, 자극 광 광원(30)으로부터 조사된 자극 광(300)은 프로젝션 장치(21)를 통해 처리되어 광 파이버 다발(12)의 복수의 광 파이버(13) 중 원하는 광 파이버에 선택적으로 자극 광(300)을 입사시킬 수 있다. The stimulating light 300 irradiated from the stimulating
도 9는 제2의 광 경로만을 나타낸 도면이다. 9 is a view showing only the second optical path.
도 9에 도시된 바와 같이, 자극 광 광원(30)으로부터 생성된 자극 광(300)은 디퓨저(23)을 거쳐 일정하게 퍼져 프로젝션 장치(21)에 도달한다. 이때, 디퓨저(23)의 전후에는 자극 광(300)의 초점 및 배율 등을 조절하는 렌즈(24, 28)가 구비될 수 있다. 9, the stimulated light 300 generated from the
본 실시예에 따른 프로젝션 장치(21)는 크리스탈의 배열 위치에 따라 빛을 선택적으로 반사 또는 투과시켜 홀로그램 형태의 패턴 이미지 전송이 가능한 공간 광 변조 장치(Spatial light modulator; SLM)일 수 있다. 다만, 이에 한정되지는 않으며, DMD(Digital micromirror device)와 같이 패턴화된 광을 형성할 수 있는 영상장치라면 본 실시예에 따른 프로젝션 장치(21)에 이용될 수 있다. The
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 프로젝션 장치(21)의 구성을 설명하기 위한 도면이다. 10 is a diagram for explaining a configuration of a
도 10(a)에 도시된 바와 같이, 프로젝션 장치(21)는 선택적으로 빛을 반사 또는 통과시킬 수 있는 복수의 픽셀(210)을 포함한다. As shown in FIG. 10 (a), the
프로젝션 장치(21)에는 디퓨저(23)을 통해 퍼진 자극 광(300)이 도달하고(도 10(a)의 원형 부분), 자극 광(300)은 광 경로 신호기(25, 55)를 통해 대물렌즈(57)로 입사되어 광 파이버 다발(12)로 입사된다(도 8 및 도 9 참조). The stimulating light 300 spreading through the
대물 렌즈(57)는, 대물 렌즈(57)로 입사되는 빛이 광 파이퍼 다발(12)에 포함된 모든 광 파이버(13)로 동시에 입사되도록 배율이 정해져 있으므로, 프로젝션 장치(21)의 모든 픽셀(210)이 자극 광(300)을 반사시키도록 설정된 경우, 프로젝션 장치(21)로부터 반사된 자극 광(300)은 광 파이버 다발(12)의 모든 광 파이버(13)로 입사된다. The
이와 같은 관계에 의하면, 광 파이버 다발(12)의 모든 광 파이버(13)를 프로젝션 장치(21)의 적어도 하나의 픽셀(210)에 매칭시킬 수 있다. According to this relationship, all the
예를 들어, 도 10의 경우, 광 파이버(F1, F2, F3)는 픽셀(P1)에 매칭되는 광 파이버이다. For example, in the case of FIG. 10, the optical fibers F 1 , F 2 , and F 3 are optical fibers that match the pixel P 1 .
픽셀(P1)만이 빛을 반사시키도록 설정되면, 광 파이버(F1, F2, F3)를 포함한 픽셀(P1)에 대응되는 광 파이버를 통해서만 자극 광(300)이 조사된다. If only the pixel P 1 is set to reflect light, the stimulating
따라서, 광 파이버(F1, F2, F3)에 면하는 광반응성 채널(100)만을 선택적으로 광 자극할 수 있다. Therefore, only the
본 실시예에서는 광 파이버와 픽셀이 일 대 다의 관계로 매칭되는 것으로 설명하였지만, 프로젝션 장치(21)의 해상도를 조절하여 하나의 광 파이버와 픽셀이 일 대 일로 매칭되도록 할 수 있다는 점이 이해될 것이다. Although it has been described in this embodiment that the optical fiber and the pixel are matched in a one-to-many relationship, it will be appreciated that the resolution of the
이와 같은 구성에 따르면, 프로젝션 장치(21)의 복수의 픽셀을 선택적으로 온-오프(온은 빛을 반사시키는 경우이고 오프는 빛을 통과시키는 경우임)시킴으로써, 자극 광(300)을 소정 형태로 패턴화하여 광 파이버 다발(12)에 입사시킬 수 있다. 따라서, 위치가 확인된 광유전자(100)만을 타겟으로 하여 선택적으로 수행할 수 있게 된다. According to such a configuration, by selectively turning on / off a plurality of pixels of the projection device 21 (when ON is used to reflect light and OFF is used when light is passed) And can be made incident on the
이와 같은 픽셀의 선택은 컴퓨터에 의해 자동으로 이루어질 수도 있고, 모니터(22)에 출력된 픽셀을 사용자가 직접 온-오프하도록 할 수도 있다. The selection of such a pixel may be made automatically by the computer or may allow the user to directly turn on and off the pixel output to the
도 11은 프로젝션 장치(21)를 이용해 자극 광(300)을 타겟에 전달하는 모습을 도시한 것이다. 11 shows a state in which the stimulating
도 11의 (a)는 프로젝션 장치(21)의 모든 픽셀이 자극 광(300)을 반사하는 경우를 도시한다. 세포군 내의 넓은 범위를 동시에 광 자극할 수 있다. 11 (a) shows a case where all the pixels of the
도 11의 (b) 및 (d)는 프로젝션 장치(21)의 픽셀을 선택하여 패턴화된 자극 광(300)을 조사하는 모습을 도시한 것이다. 11 (b) and 11 (d) show a state in which the pixels of the
도 11의 (b)와 (d)와 같이 패턴화된 자극 광(300)을 동시에 조사할 수도 있지만, 도 11의 (c)와 같이 자극 광(300)을 신경 세포를 따라 순차적으로 조사하여 광 자극 스캔을 수행할 수도 있다. The patterned
다시 도 6 및 도 7을 참조하여, 칼슘 이온의 형광 이미지를 획득하는 과정을 설명한다. Referring to FIGS. 6 and 7 again, a process of acquiring a fluorescence image of calcium ions will be described.
도 6에 도시된 바와 같이, 관찰 광 광원(40)은 광대역의 파장대를 가지는 빛을 조사한다. 관찰 광 광원(40)이 조사하는 빛은 광반응성 채널(100)을 광 자극하기에는 충분치 않은 세기를 가진다. As shown in Fig. 6, the observation
제2형광 지시자(104)의 형광에 의한 칼슘 이온의 형광 이미지를 획득하기 위하여, 본 실시예에 따르면 관찰 광 필터장치(42)는 녹색광 만을 통과시키도록 조정되어 제2관찰 광(202)을 형성한다. According to the present embodiment, the observation
제2관찰 광(202)은 렌즈(42, 44, 56)에 의해 집광 또는 분광되었다가 광 경로 신호기(56)를 거쳐 대물 렌즈(57)로 입사된다. The
광 파이버 다발(12)로 입사된 제2관찰 광(202)은 광 파이버 다발(12)의 전단을 통해 광 파이버 다발이 커버하는 면적의 세포군에 조사된다. The
세포군 내에 포함된 칼슘 이온(103)에 표지된 제2형광성 지시자(104)는 제2관찰 광(202)에 반응하여 형광을 일으킨다. The
제2형광성 지시자(104)가 일으키는 형광은 도 7의 제3의 광 경로를 통해 광 파이버 다발(12)을 통해 카메라 장치(50)로 수집된다. Fluorescence caused by the
상기에서는 자극 광(300)과 제2관찰 광(202)의 조사 과정이 분리되어 설명되어 있지만, 자극 광 광원과 관찰 광 광원으로 통해 자극 광(300)과 제2관찰 광(202)을 동시에 광 파이버 다발(12)로 조사하도록 할 수 있다. 이에 따르면, 광 자극에 따른 신경 세포의 반응을 실시간으로 확인할 수 있다. Although the irradiation process of the stimulating
또한, 상기에서는 광유전자의 형광 이미지를 얻는 과정과 칼슘 이온과 같은 세포 물질의 형광 이미지를 얻는 과정을 설명하고, 관찰 광 필터장치(44)를 통해 관찰 광을 제1관찰 광(201)과 제2관찰 광(202)으로 분리했지만 이에 한정되지는 않는다. In the above description, a process of obtaining a fluorescence image of a photonic gene and a process of obtaining a fluorescence image of a cell material such as calcium ions will be described. The observation light is filtered through the observation
관찰 광 필터장치(42)를 이용하지 않고, 파장대가 겹치지 않는 빛인 제1관찰 광(201)과 제2관찰 광(202)를 포함하는 광대역 관찰 광을 하나의 관찰 광 광원(40)을 통해 생성해 광 파이버 다발(12)로 그대로 입사시켜 세포군 내로 동시에 조사할 수 있다. 이 경우 카메라 장치(50)에는 광반응성 채널의 형광 이미지와 세포 물질의 형광 이미지가 동시에 획득된다. The broadband observation light including the
본 실시예에 따르면, 두 개의 형광 이미지는 적색과 녹색으로 구분되므로, 두 형광 이미지를 동시에 획득하더라도 구분이 가능하다. According to this embodiment, since two fluorescent images are divided into red and green, it is possible to distinguish two fluorescent images even if they are obtained at the same time.
또한, 복수의 필터(53)를 구비하는 형광 이미지 필터 장치(52)를 카메라 장치(50)의 앞쪽에 설치하여 두고, 형광 이미지 필터 장치(52)를 통해 광반응성 채널의 형광 이미지와 세포 물질의 형광 이미지를 선택적으로 필터링할 수도 있다. A fluorescent
즉, 자극 광(300) 및 관찰 광(201, 202)은 광 파이버 다발(12)로 동시에 조사하여 다형광 이미지를 획득할 수 있으며, 이와 같은 다형광 이미지를 통해 자극 대상의 확인, 광 자극의 수행 및 반응성의 관찰을 동시에 실시간으로 수행할 수 있게 된다. That is, the
본 실시예에 따른 광 파이버 시스템(1)에 따르면, 형광 이미지를 통해 광반응성 채널(100)이 발현된 신경 세포의 위치를 정확히 확인할 수 있고, 원하는 위치의 신경 세포를 선택적으로 광 자극할 수 있다. According to the
또한, 세포 물질의 형광 이미지를 실시간으로 획득할 수 있어, 광 자극과 신경 세포의 활동의 연계성을 규명하는 데이터를 제공할 수 있으며, 나아가 피실험체의 행동 실험을 함께 수행하는 경우 특정 행동 양식과 신경 세포의 활동 간의 연관성을 분석할 수 있는 뇌 신경 맵(map)과 같은 축적된 데이터를 제공할 수 있게 된다. In addition, fluorescence images of cell materials can be acquired in real time, so that data can be provided to clarify the linkage between the light stimulus and the activity of the neuron. Further, when performing the behavioral experiments of the subject, It is possible to provide accumulated data such as a cranial nerve map capable of analyzing the relationship between cell activities.
Claims (14)
상기 광반응성 채널에는 빛을 조사하면 형광을 일으키는 제1형광성 지시자가 표지되고,
상기 광 자극 시스템은,
복수의 광 파이버로 이루어진 광 파이버 다발을 포함하는 프로브 및
상기 복수의 광 파이버 중 원하는 광 파이버에 선택적으로 빛을 입사시킬 수 있는 프로젝션 장치를 포함하고,
상기 제1형광성 지시자에서 형광이 일어나도록 하는 제1관찰 광을 상기 광 파이버 다발로 입사시켜 광반응성 채널의 형광 이미지를 획득하고,
상기 프로젝션 장치를 통해 형광을 일으킨 위치에 대응하는 광 파이버에 상기 광반응성 채널을 활성화시킬 수 있는 자극 광을 입사시켜 상기 광반응성 채널을 광 자극하고,
세포의 활성화에 관계된 전달 물질 또는 이온(이하 "세포 물질"이라고 함)에 결합되며 빛을 조사하면 형광을 일으키는 제2형광성 지시자가 광 자극을 위한 세포 부근에 뿌려져 상기 세포 물질과 결합되도록 하고,
상기 세포 물질과 결합된 상기 제2형광성 지시자에서 형광이 일어나도록 하는 제2관찰 광을 상기 광 파이버 다발로 입사시켜 상기 세포 물질의 형광 이미지를 획득하고,
획득된 상기 세포 물질의 형광 이미지를 통해 세포의 활성화 여부를 확인할 수 있는 것을 특징으로 하는 광 파이버 시스템. An optical fiber system capable of optically stimulating a photoreactive channel that induces a change in cell membrane potential by optical stimulation by confirming the position of a cell expressed on the cell membrane,
A first fluorescent indicator for causing fluorescence to be emitted when light is irradiated to the photoreactive channel,
The light-
A probe including an optical fiber bundle composed of a plurality of optical fibers; and
And a projection device capable of selectively introducing light into a desired optical fiber among the plurality of optical fibers,
A first observation light for causing fluorescence to occur in the first fluorescence indicator is incident on the optical fiber bundle to obtain a fluorescence image of the photoreactive channel,
A stimulating light capable of activating the photoreactive channel is incident on an optical fiber corresponding to a position where the fluorescence is generated through the projection device, thereby optically stimulating the photoreactive channel,
(Hereinafter referred to as "cell material") associated with activation of a cell and irradiated with light, a second fluorescent indicator, which causes fluorescence, is scattered around the cell for light stimulation to bind with the cell material,
A second observation light for causing fluorescence to occur in the second fluorescence indicator combined with the cell material is introduced into the optical fiber bundle to obtain a fluorescence image of the cell material,
Wherein the activation of the cell can be confirmed through the fluorescence image of the obtained cell material.
복수의 세포가 세포군을 형성하고,
상기 세포군에는 복수의 광반응성 채널이 발현되고,
상기 프로젝션 장치는 복수의 광반응성 채널에 순차적으로 또는 동시에 상기 자극 광이 조사되도록 상기 자극 광을 패턴화하여 상기 광 파이버 다발에 입사시키는 것을 특징으로 하는 광 파이버 시스템. The method according to claim 1,
A plurality of cells form a cell group,
A plurality of photoreactive channels are expressed in the cell group,
Wherein the projection device patterns the stimulus light so that the stimulating light is sequentially or simultaneously applied to a plurality of photoreactive channels, and makes the stimulating light enter the optical fiber bundle.
상기 복수의 광반응성 채널에 표지되는 제1형광성 지시자는,
녹색형광단백질, 황색형광단백질 또는 적색형광단백질 중 적어도 하나 이상인 것을 특징으로 하는 광 파이버 시스템. 3. The method of claim 2,
Wherein the first fluorescent indicator labeled on the plurality of photoreactive channels comprises:
Green fluorescent protein, yellow fluorescent protein, or red fluorescent protein.
상기 프로젝션 장치는,
선택적으로 빛을 반사 또는 통과시킬 수 있는 복수의 픽셀을 포함하고,
상기 광 파이버 다발의 각각의 광 파이버는 적어도 하나의 픽셀에 매칭되고,
상기 픽셀로부터 반사되는 자극 광이 해당 픽셀과 매칭된 광 파이버로 입사되는 것을 특징으로 하는 광 파이버 시스템. 3. The method of claim 2,
In the projection apparatus,
A plurality of pixels capable of selectively reflecting or passing light,
Wherein each optical fiber of said optical fiber bundle is matched to at least one pixel,
Wherein stimulated light reflected from the pixel is incident on an optical fiber matched with the corresponding pixel.
하나의 광 파이버가 하나의 픽셀에 매칭되는 것을 특징으로 하는 광 파이버 시스템. 5. The method of claim 4,
Wherein one optical fiber is matched to one pixel.
상기 광 파이버 다발에 포함된 복수의 광 파이버는 그 직경이 수 마이크로 미터인 것을 특징으로 하는 광 파이버 시스템. The method according to claim 1,
Wherein the plurality of optical fibers included in the optical fiber bundle have a diameter of several micrometers.
상기 자극 광과 상기 제2관찰 광은 상기 광 파이버 다발을 통해 동시에 조사되는 것을 특징으로 하는 광 파이버 시스템.The method according to claim 1,
Wherein the stimulating light and the second observation light are irradiated simultaneously through the optical fiber bundle.
상기 제1관찰 광과 상기 제2관찰 광은 파장대가 겹치지 않는 빛이고,
하나의 관찰 광 광원이 상기 제1관찰 광과 상기 제2관찰 광을 포함하는 광대역 파장을 가지는 광대역 관찰 광을 생성하고,
상기 자극 광과 상기 광대역 관찰 광은 상기 광 파이버 다발을 통해 동시에 조사되는 것을 특징으로 하는 광 파이버 시스템.The method according to claim 1,
Wherein the first observation light and the second observation light are lights whose wavelength ranges do not overlap,
One observation light source generates broad-band observation light having a wide-band wavelength including the first observation light and the second observation light,
Wherein the excitation light and the broadband observation light are simultaneously irradiated through the optical fiber bundle.
상기 관찰 광 광원으로부터 조사되는 상기 광대역 관찰 광으로부터 상기 제1관찰 광 또는 상기 제2관찰 광을 선택적으로 필터링하는 관찰 광 필터 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 파이버 시스템. 10. The method of claim 9,
And an observation light filter device for selectively filtering the first observation light or the second observation light from the broadband observation light emitted from the observation light source.
상기 세포는 신경 세포이고,
상기 세포 물질은 칼슘 이온이며,
상기 제2형광성 지시자는 상기 칼슘 이온에 결합하는 칼슘 지시자인 것을 특징으로 하는 광 파이버 시스템. The method according to claim 1,
The cell is a neuron,
Wherein the cell material is calcium ion,
And the second fluorescent indicator is a calcium indicator that binds to the calcium ion.
상기 광 파이버 다발의 후단부로부터 출력되는, 상기 광반응성 채널의 형광 이미지와 상기 세포 물질의 형광 이미지를 수집하는 카메라 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 파이버 시스템. The method according to claim 1,
And a camera device for collecting a fluorescence image of the photoreactive channel and a fluorescence image of the cell material output from the rear end of the optical fiber bundle.
상기 광반응성 채널의 형광 이미지와 상기 세포 물질의 형광 이미지를 선택적으로 필터링하여 상기 카메라 장치로 전달하는 형광 이미지 필터 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 파이버 시스템. 13. The method of claim 12,
And a fluorescence image filter device for selectively filtering the fluorescence image of the photoreactive channel and the fluorescence image of the cell material and delivering the fluorescence image to the camera device.
상기 프로브는,
전단으로 갈수록 뾰족해지는 니들 형태를 가지고,
유연하게 구부러질 수 있는 몸체를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 파이버 시스템. The method according to claim 1,
Wherein the probe comprises:
It has a needle shape that becomes sharp as it goes to the front end,
Wherein the optical fiber system comprises a flexible bendable body.
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|---|---|---|---|
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|---|---|
| KR (1) | KR101571136B1 (en) |
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2014
- 2014-08-27 KR KR1020140112156A patent/KR101571136B1/en active IP Right Grant
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