KR102351249B1 - Method and apparatus for multiplexted imaging of spectrally-similar fluorophors - Google Patents

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Abstract

다양한 생체 분자들이 세포 혹은 조직 내에서 어떻게 공간적으로 분포되어 있는지 알아내기 위해 필수적인 다분자 형광 이미징(multiplexed fluorescent imaging)을 개시한다. 본 개시는 형광 물질의 선정, 검출 파장대, 신호 분리 알고리즘을 새롭게 설계하여 한 번의 표지 및 이미징으로 10개 이상의 서로 다른 생체 분자 이미지를 얻을 수 있다. 본 개시는 형광 물질의 방출 스펙트럼 없이 이미지를 분리하는 블라인드 분리 기술인데, 이 기술에서는 4쌍의 형광 물질을 사용하는데 각 쌍은 방출 스펙트럼이 겹치는 2개의 형광 물질로 구성된다. 각 쌍의 형광 물질은 하나의 여기 레이저(excitation)에 의해서만 강하게 여기된다. 각 쌍마다 검출 파장대가 다른 2 개의 이미지가 얻어지며, 두 이미지는 상호정보량 최소화(mutual information minimization)를 통해 형광 물질 방출 스펙트럼 정보 없이 분리된다. 이 두 이미지는 그람-슈미트(Gram-Schmidt) 직교화 및 형광 측정 기반 분리법을 통해서도 분리될 수 있다. 이 신호 분리를 각 형광 물질 쌍마다 반복한다. 여기에 더해 위의 8개의 형광 물질의 발광 스펙트럼과는 겹치지 않는 파장대에서 발광하는 large stoke's shift 형광 물질을 두 개 추가하여 총 10개 이상의 형광 물질을 동시에 사용할 수 있다. We disclose multiplexed fluorescent imaging, which is essential to find out how various biomolecules are spatially distributed in cells or tissues. According to the present disclosure, ten or more different biomolecular images can be obtained through one labeling and imaging by newly designing a fluorescent material selection, detection wavelength band, and signal separation algorithm. The present disclosure is a blind separation technique that separates images without the emission spectrum of a fluorescent material. In this technology, 4 pairs of fluorescent materials are used, and each pair is composed of two fluorescent materials with overlapping emission spectra. Each pair of fluorescent materials is strongly excited by only one excitation laser. Two images with different detection wavelength bands are obtained for each pair, and the two images are separated without information on the emission spectrum of a fluorescent substance through mutual information minimization. These two images can also be separated through Gram-Schmidt orthogonalization and fluorescence measurement-based separation. This signal separation is repeated for each fluorophore pair. In addition, two large stoke's shift fluorescent materials that emit light in a wavelength band that do not overlap with the emission spectra of the above eight fluorescent materials are added, so that a total of 10 or more fluorescent materials can be used simultaneously.

Description

분자 다중 이미징 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR MULTIPLEXTED IMAGING OF SPECTRALLY-SIMILAR FLUOROPHORS}METHOD AND APPARATUS FOR MULTIPLEXTED IMAGING OF SPECTRALLY-SIMILAR FLUOROPHORS

본 개시는 분자 다중 이미징 방법 및 장치에 관한 것이다.The present disclosure relates to molecular multiplex imaging methods and devices.

지난 수십년간 생물학 연구 및 의학 진단에서 생체 시료 내부의 생체 물질을 관찰하기 위해서 형광 이미징 기법을 많이 사용해 왔다. 형광 이미징 기법은 시료 내부의 생체 물질을 형광 물질로 표지한 후, 이 형광 물질에서 방출되는 빛을 이미징하여 시료 내부의 생체 물질을 간접적으로 관찰할 수 있는 기법이다. 형광 물질은 빛을 흡수하여 여기(excitation)된 후 다시 빛을 방출(emission)하는데, 이 때 흡수한 빛보다 긴 파장의 빛을 방출하게 된다. 예를 들어, 형광 물질은 특정 파장대(예를 들면, 350~400nm)의 빛을 흡수해서 특정 파장대(예를 들면, 400~600nm)의 빛을 방출한다. 형광 물질이 파장별로 여기되는 정도를 나타낸 것을 여기 스펙트럼(excitation spectrum)이라고 하고, 파장 별 방출하는 빛의 세기를 나타낸 것을 방출 스펙트럼(emission spectrum)이라고 한다.In the past several decades, fluorescence imaging techniques have been widely used in biological research and medical diagnosis to observe biological materials inside biological samples. The fluorescence imaging technique is a technique for indirectly observing the biological material inside the sample by imaging the light emitted from the fluorescent material after labeling the biological material inside the sample with a fluorescent material. A fluorescent material absorbs light, is excited, and then emits light again. At this time, it emits light with a longer wavelength than the absorbed light. For example, the fluorescent material absorbs light in a specific wavelength band (eg, 350 to 400 nm) and emits light in a specific wavelength band (eg, 400 to 600 nm). An excitation spectrum indicating the degree of excitation of a fluorescent material for each wavelength is called an excitation spectrum, and a measurement indicating the intensity of light emitted by each wavelength is called an emission spectrum.

해결하고자 하는 과제는 물질 다중 이미징 방법 및 장치를 제공하는 것이다.The problem to be solved is to provide a material multi-imaging method and apparatus.

본 개시에 따른 전자 장치의 동작 방법은, 상이한 생체 물질들에 각각 표지되어 있는 복수의 형광 물질들에 대해, 적어도 하나의 이미지를 획득하는 단계, 및 상기 획득된 이미지를 상기 생체 물질들 각각에 대한 이미지들로 분리하는 단계를 포함하고, 상기 형광 물질들 중 적어도 어느 두 개는, 유사한 파장대의 방출 스펙트럼들을 각각 나타낼 수 있다. A method of operating an electronic device according to the present disclosure includes: acquiring at least one image for a plurality of fluorescent materials each labeled with different biomaterials; and using the obtained image for each of the biomaterials. and separating the images into images, wherein at least any two of the fluorescent materials may each exhibit emission spectra of a similar wavelength band.

본 개시에 따른 전자 장치는, 메모리, 및 상기 메모리와 연결되고, 상기 메모리에 저장된 적어도 하나의 명령을 실행하도록 구성된 프로세서를 포함하고, 상기 프로세서는, 상이한 생체 물질들에 각각 표지되어 있는 복수의 형광 물질들에 대해, 적어도 하나의 이미지를 획득하고, 상기 획득된 이미지를 상기 생체 물질들 각각에 대한 이미지들로 분리하도록 구성되고, 상기 형광 물질들 중 적어도 어느 두 개는, 유사한 파장대의 방출 스펙트럼들을 각각 나타낼 수 있다. An electronic device according to the present disclosure includes a memory and a processor connected to the memory and configured to execute at least one instruction stored in the memory, wherein the processor includes a plurality of fluorescent materials each labeled with different biomaterials. for materials, acquiring at least one image, and separating the acquired image into images for each of the biomaterials, wherein at least any two of the fluorescent materials have emission spectra of similar wavelength bands each can be represented.

본 개시에 따르면, 이미지 분리 정확도를 크게 향상시키고, 다중 이미징 속도를 높일 수 있다.According to the present disclosure, image separation accuracy can be greatly improved, and multi-imaging speed can be increased.

본 개시에 따르면, 한번의 염색에 8개 이상의 형광 물질(본 개시에서는 10개까지 구현)을 동시에 관찰할 수 있어서 전체 이미징에 걸리는 시간을 수 배 단축시킬 수 있다. 본 개시는 반복 염색 기법과 결합하는 것이 가능한데 이 경우 한번에 이미징 할 수 있는 생체 분자의 수가 3개에서 8개(혹은 10개)로 늘어나기 때문에 반복 염색 횟수를 3배 이상 줄일 수 있다. 반복 염색 횟수가 늘어나는 경우 여러 이미지들을 서로 정합(image registration) 해줘야 하는 번거로움이 있기 때문에 반복 염색 횟수를 줄일 수록 전체 이미징의 난이도가 내려가게 된다는 장점이 있고, 이미지 정합의 문제로 인해서 기존의 반복 염색 기법은 다분자의 분포를 삼차원으로 얻기 어렵지만, 본 기술을 이용하면 이미지 정합 없이 10종의 생체분자를 삼차원으로 이미징 할 수 있다. 본 개시에 따르면, 형광 물질의 방출 스펙트럼을 기반으로 하지 않기 때문에 현미경 별, 시료 별 보정 혹은 측정(calibration)이 필요 없다. 본 개시는 10개의 형광 물질을 동시에 이미징하는데에 단 8개의 방출 필터만을 필요로 하기 때문에 형광 필터 방식의 일반 공초점 현미경 혹은 저가의 간단한 형광 현미경으로도 구현 가능하다.According to the present disclosure, 8 or more fluorescent substances (up to 10 implemented in the present disclosure) can be observed simultaneously in one dyeing, so that the time taken for the entire imaging can be shortened several times. The present disclosure can be combined with the repeat staining technique. In this case, since the number of biomolecules that can be imaged at one time increases from 3 to 8 (or 10), the number of repeat staining can be reduced by more than three times. If the number of repeated staining increases, since there is a cumbersome need to register multiple images with each other, reducing the number of repeated staining has the advantage that the overall imaging difficulty decreases. Although it is difficult to obtain the distribution of multi-molecules in three dimensions using this technique, 10 types of biomolecules can be imaged in three dimensions without image matching. According to the present disclosure, since it is not based on the emission spectrum of the fluorescent material, there is no need for calibration or calibration for each microscope or sample. Since only 8 emission filters are required to simultaneously image 10 fluorescent substances, the present disclosure can be implemented with a fluorescence filter type general confocal microscope or a low-cost simple fluorescence microscope.

본 개시에 따르면, 동일한 형광 물질을 동시에 이미징하는 데에 ICA 혹은 NMF보다 적은 숫자의 이미지를 필요하기 때문에 이미징 시간이 단축된다. 또한, ICA 혹은 NMF에 비해서 적은 숫자의 원소만 유추하면 되기 때문에 그 정확도가 훨씬 더 높아 세포가 조밀하게 밀집되어 있는 조직에서 8개 이상의 형광 물질을 동시에 높은 정확도로 분리하는 것이 가능하다. 2개의 large stoke's shift 형광 물질을 추가로 사용하는 경우 총 10개의 형광 물질을 동시에 이미징하는 것이 가능하다. 본 개시에 따르면, 형광 물질의 수와 얻어야 하는 이미지의 수가 같아 이미징 획득 속도가 빠르고, 스펙트랄 디텍터를 필요로 하지 않으며, 신호 분리가 각 형광 물질 쌍에 대해 독립적으로 일어나기 때문에 신호 분리 오류가 다른 형광 쌍으로 전파되지 않고, 수백만의 픽셀로부터 하나의 원소만을 유추하기 때문에 그 정확도가 기존의 블라인드 분리 기술에 비해서 훨씬 더 높다.According to the present disclosure, imaging time is shortened because fewer images than ICA or NMF are required to simultaneously image the same fluorescent material. In addition, compared to ICA or NMF, since only a small number of elements need to be inferred, the accuracy is much higher, and it is possible to separate 8 or more fluorescent substances with high accuracy at the same time from a tissue in which cells are densely packed. If two large stoke's shift fluorescent materials are additionally used, it is possible to image a total of 10 fluorescent materials simultaneously. According to the present disclosure, since the number of fluorescent materials and the number of images to be obtained are the same, the imaging acquisition speed is fast, a spectral detector is not required, and signal separation errors are different because signal separation occurs independently for each pair of fluorescent materials. Because it does not propagate in pairs, and only one element is inferred from millions of pixels, its accuracy is much higher than that of conventional blind separation techniques.

도 1은 일반적인 형광 물질을 이용한 다분자 이미징에서의 형광 물질 선택의 예이다.
도 2는 본 개시의 다양한 실시예들에 따른 전자 장치의 블록도이다.
도 3은 본 개시의 다양한 실시예들에 따른 전자 장치의 분자 다중 이미징 방법의 흐름도이다.
도 4a는 도 3의 이미지 획득 단계의 흐름도이다.
도 4b는 도 3의 이미지들 분리 단계의 흐름도이다.
도 5는 일 실시예에 따른 형광 물질 선정 방법을 설명하는 도면이다.
도 6은 일 실시예에 따른 분자 다중 이미징 방법을 설명하는 도면이다.
도 7은 일 실시예에 따른 여러 레이저별 분자 다중 이미징의 예와 이에 대한 검증, 그리고 신호증폭 기술과 결합한 결과이다.
도 8은 일 실시예에 따른 동일 호스트에서 생산된 항체를 이용한 결과와 투명화된 조직에 적용한 결과, 그리고 mRNA 및 단백질을 동시에 이미징한 결과이다.
도 9는 일 실시예에 따른 8 개에서 10 개 단백질 동시 이미징 결과이다.
도 10은 일 실시예에 따른 병리학 시료의 다분자 이미징 결과이다.
도 11은 일 실시예에 따른 스펙트랄 디텍터 없이 대역 필터를 이용한 다분자 이미징 결과이다.
도 12는 항체 복합체 염색의 유효성 검증 결과이다.
도 13은 항체 복합체 간의 혼선 유무 검증 결과이다.
도 14는 항체 복합체를 사용하여 염색한 시료에서 상호정보량 최소화를 통한 신호 분리의 유효성 검증 결과이다.
도 15는 본 개시와 팽창 현미경(expansion microscopy, ExM)의 호환성 검증 결과이다.
도 16은 레이저 노출 시간(exposure time)에 따른 신호 밝기의 선형성 그래프이다.
도 17은 레이저 세기(laser intensity)에 따른 신호 밝기의 선형성 그래프이다.
도 18은 형광 물질 측정 기반 신호 분리 결과이다.
도 19는 본 개시의 다른 다분자 이미징 기술(t-CyCIF)로의 적용을 설명하는 도면이다.
도 20은 본 개시의 그람-슈미트 직교화를 통한 신호 분리 결과이다.
1 is an example of a fluorescent material selection in multimolecular imaging using a general fluorescent material.
2 is a block diagram of an electronic device according to various embodiments of the present disclosure;
3 is a flowchart illustrating a method for multi-molecular imaging of an electronic device according to various embodiments of the present disclosure.
FIG. 4A is a flowchart of the image acquisition step of FIG. 3 .
Figure 4b is a flow chart of the image separation step of Figure 3;
5 is a view for explaining a method for selecting a fluorescent material according to an exemplary embodiment.
6 is a view for explaining a molecular multi-imaging method according to an embodiment.
7 is an example of multiple molecular imaging for each laser according to an embodiment, verification thereof, and a result combined with signal amplification technology.
8 is a result of using an antibody produced in the same host according to an embodiment, a result of application to a cleared tissue, and a result of simultaneous imaging of mRNA and protein.
9 is a result of simultaneous imaging of 8 to 10 proteins according to an embodiment.
10 is a multi-molecular imaging result of a pathological sample according to an exemplary embodiment.
11 is a multi-molecular imaging result using a bandpass filter without a spectral detector according to an exemplary embodiment.
12 is a validation result of antibody complex staining.
13 is a result of verifying the presence or absence of crosstalk between antibody complexes.
14 is a validation result of signal separation by minimizing the amount of mutual information in a sample stained using an antibody complex.
15 is a result of verifying compatibility between the present disclosure and an expansion microscopy (ExM).
16 is a graph of linearity of signal brightness according to laser exposure time.
17 is a graph of linearity of signal brightness according to laser intensity.
18 is a signal separation result based on measurement of a fluorescent material.
19 is a diagram for explaining application of the present disclosure to another multimolecular imaging technique (t-CyCIF).
20 is a signal separation result through Gram-Schmidt orthogonalization of the present disclosure.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 개시의 실시예에 대하여 본 개시가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 개시는 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 개시를 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, the embodiments of the present disclosure will be described in detail so that those of ordinary skill in the art to which the present disclosure pertains can easily implement them. However, the present disclosure may be implemented in several different forms and is not limited to the embodiments described herein. And in order to clearly explain the present disclosure in the drawings, parts irrelevant to the description are omitted, and similar reference numerals are attached to similar parts throughout the specification.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "…부", "…기", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.Throughout the specification, when a part "includes" a certain element, it means that other elements may be further included, rather than excluding other elements, unless otherwise stated. In addition, terms such as “…unit”, “…group”, and “module” described in the specification mean a unit that processes at least one function or operation, which may be implemented as hardware or software or a combination of hardware and software. have.

설명에서는 동작 주체가 생략될 수 있으나, 본 개시에서 설명하는 방법은 전자 장치, 예컨대 컴퓨팅 장치와 형광 현미경을 포함하는 장치에서 구현될 수 있다.In the description, an operating subject may be omitted, but the method described in the present disclosure may be implemented in an electronic device, for example, a device including a computing device and a fluorescence microscope.

일반적으로 형광 물질로 생체 시료 내부의 생체 분자를 표지하여 형광 현미경으로 이미징 하는 경우, 그 과정은 아래와 같다.In general, when biomolecules inside a biological sample are labeled with a fluorescent material and imaged with a fluorescence microscope, the process is as follows.

광원(light source)에서부터 빛이 방출되는데, 광원은 백색광을 방출하는 램프 혹은 특정 파장대의 빛을 방출하는 레이저 또는 LED일 수 있다. 이 빛은 원하는 파장대의 빛만을 투과시키는 여기필터(excitation filter)를 거치면서 해당 파장대의 빛만 통과하게 된다. 여기필터를 통과한 빛은 이색거울(dichroic mirror)에서 반사되어 위쪽으로 올라가고, 현미경의 대물렌즈(objective)쪽으로 나아간다. 그 후 대물렌즈를 거쳐 시료(sample)에 조사(illuminate)된다.Light is emitted from a light source, and the light source may be a lamp emitting white light or a laser or LED emitting light in a specific wavelength band. This light passes through an excitation filter that transmits only the light of the desired wavelength band, and only the light of the corresponding wavelength band passes through. The light passing through the excitation filter is reflected by a dichroic mirror, rises upward, and proceeds toward the objective lens of the microscope. After that, it is irradiated to the sample (sample) through the objective lens.

시료 내부의 형광 물질들은 조사된 파장(예, 350 - 400nm)의 빛을 흡수하여 400 - 700nm 파장대의 빛을 방출하게 되는데, 이 빛은 다시 대물렌즈를 거치고 이색거울(dichroic mirror)를 통과하여 방출필터(emission filter)로 전달된다(이색거울은 특정 파장대의 빛은 반사시키고 나머지 빛은 통과시키는 특성이 있다).The fluorescent materials inside the sample absorb light of the irradiated wavelength (eg, 350 - 400 nm) and emit light in the 400 - 700 nm wavelength range, which passes through the objective lens again and is emitted through a dichroic mirror. It is transmitted to an emission filter (a dichroic mirror has a characteristic of reflecting light in a specific wavelength band and passing the rest of the light through).

이 때 시료에서부터 형광 물질이 방출하는 빛 이외에 시료 자체가 가지고 있는 자가형광(autofluorescence)이 동시에 방출되게 되는데, 이 자가형광은 매우 넓은 파장대에서 모두 방출되는 특성이 있다. 따라서 시료에서부터 방출된 빛은 형광 물질이 방출한 빛과 자가형광이 섞여 있다.At this time, in addition to the light emitted by the fluorescent material from the sample, autofluorescence of the sample itself is simultaneously emitted. This autofluorescence has a characteristic of being emitted in a very wide wavelength band. Therefore, the light emitted from the sample is a mixture of the light emitted by the fluorescent material and the autofluorescence.

시료에서 방출된 빛은 특정 파장대의 빛만을 투과시키는 방출필터(emission filter)를 거치게 되는데, 400~700nm 파장대만 통과시키는 방출필터를 사용하여 샘플에서 방출된 빛 중에서 400~700nm를 제외한 빛은 제거하고 이 파장대의 빛만을 투과시킬 수 있다. 방출필터 대신 특정 파장대를 선택적으로 투과, 반사, 혹은 굴절시켜 특정 파장대의 빛만을 골라낼 수 있는 여러 종류의 장치가 사용될 수 있다. The light emitted from the sample is passed through an emission filter that transmits only light in a specific wavelength band. Using an emission filter that passes only a wavelength of 400 to 700 nm, light except 400 to 700 nm is removed from the light emitted from the sample. Only light in this wavelength band can be transmitted. Instead of the emission filter, various types of devices that selectively transmit, reflect, or refract a specific wavelength band to select only light in a specific wavelength band may be used.

방출필터를 통과한 빛은 접안렌즈(eyepiece)로 보내지거나 디텍터(detector)로 보내져서 디지털 이미지로 표현된다. 이렇게 얻은 형광 이미징의 한 예로, 시료(배양 세포) 속 특정 단백질(액틴)을 형광 물질로 표지한 후 형광 현미경으로 이미징할 수 있다.The light passing through the emission filter is sent to an eyepiece or a detector to be expressed as a digital image. As an example of the fluorescence imaging thus obtained, a specific protein (actin) in a sample (cultured cell) may be labeled with a fluorescent material and then imaged with a fluorescence microscope.

도 1은 일반적인 형광 물질을 이용한 다분자 이미징에서의 형광 물질 선택의 예이다. 도 1을 참고하면, 하나의 시료에서 여러 생체 분자를 동시에 관찰하기 위해서는 여러 생체 분자를 서로 다른 형광 물질로 표지한 후, 각 형광 물질의 이미지를 선택적으로 얻는 것이 필요하다. 이를 위해서 여기 스펙트럼과 방출 스펙트럼이 겹치지 않는 형광 물질을 사용해야 하는데, 일반적으로 많이 사용하는 400~650nm 파장대의 광원을 이용해서 최대 4개의 형광 물질을 동시에 사용하기 위해서는 (a)와 같이 405nm에서 강하게 여기되는 형광 물질, 488nm에서 강하게 여기되는 형광 물질, 560nm에서 강하게 여기되는 형광 물질, 640nm에서 강하게 여기되는 형광 물질을 사용할 수 있다.1 is an example of a fluorescent material selection in multimolecular imaging using a general fluorescent material. Referring to FIG. 1 , in order to simultaneously observe several biomolecules in one sample, it is necessary to selectively obtain images of each fluorescent material after labeling several biomolecules with different fluorescent materials. For this, it is necessary to use a fluorescent material whose excitation spectrum and emission spectrum do not overlap. In order to use up to four fluorescent materials simultaneously using a commonly used light source in a wavelength range of 400 to 650 nm, as shown in (a), a fluorescent material strongly excited at 405 nm is used. A fluorescent substance, a fluorescent substance strongly excited at 488 nm, a fluorescent substance strongly excited at 560 nm, and a fluorescent substance strongly excited at 640 nm can be used.

(a)를 참고하면, 형광 물질 Alexa 405는 405nm 레이저에서만 강하게 여기되고 다른 레이저로는 여기되는 않는 것을 알 수 있다. 다른 형광 물질들(Alexa 488, Alexa 546, Alexa 647) 역시 하나의 여기 레이저에서만 강하게 여기되는 것을 알 수 있다. 네 개의 형광 물질은 각기 특정 레이저로 여기되어 (b)에서 보이는 것과 같은 스펙트럼으로 빛을 방출한다.Referring to (a), it can be seen that the fluorescent material Alexa 405 is strongly excited only with a 405 nm laser and not with other lasers. It can be seen that other fluorescent materials (Alexa 488, Alexa 546, and Alexa 647) are also strongly excited only by one excitation laser. Each of the four fluorescent materials is excited with a specific laser and emits light with a spectrum as shown in (b).

(b)를 참고하면, 방출 필터의 스펙트럼(녹색, 노란색, 적색, 파란색 사각형)은 각 방출필터 별 투과시키는 빛의 파장을 나타낸다. 형광 물질에서 방출된 빛은 각 형광 물질별 방출 필터를 통해 자가형광을 최대한 제거한 후 디텍터를 통해 디지털 이미지로 표현된다.Referring to (b), the spectrum (green, yellow, red, blue squares) of the emission filter indicates the wavelength of light transmitted by each emission filter. The light emitted from the fluorescent material is expressed as a digital image through the detector after autofluorescence is removed as much as possible through the emission filter for each fluorescent material.

네 가지 형광 물질로 다분자 이미징을 하는 과정을 나열하자면, 405nm 레이저를 시료에 조사하여 Alexa 405를 여기시키고, 이 형광 물질에서 방출되는 빛을 방출 필터 1으로 거른 후 디텍터로 이미징한다. 그 후 405nm 레이저를 끄고 488nm 레이저를 시료에 조사하여 Alexa 488을 여기시키고, 이 형광 물질에서 방출되는 빛을 방출 필터 2로 거른 후 디텍터로 이미징한다. 그 후 488nm 레이저를 끄고 560nm 레이저를 시료에 조사하여 Alexa 546을 여기시키고, 이 형광 물질에서 방출되는 빛을 방출 필터 3로 거른 후 디텍터로 이미징한다. 그 후 560nm 레이저를 끄고 640nm 레이저를 시료에 조사하여 Alexa 647을 여기시키고, 이 형광 물질에서 방출되는 빛을 방출 필터 4로 거른 후 디텍터로 이미징한다.To list the process of multi-molecular imaging with four fluorescent materials, a 405 nm laser is irradiated to the sample to excite Alexa 405, the light emitted from this fluorescent material is filtered through emission filter 1, and then imaged with a detector. After that, the 405 nm laser is turned off and the 488 nm laser is irradiated to the sample to excite Alexa 488, and the light emitted from this fluorescent material is filtered through emission filter 2 and imaged with a detector. After that, the 488 nm laser is turned off and the 560 nm laser is irradiated to the sample to excite Alexa 546, and the light emitted from this fluorescent material is filtered through the emission filter 3 and imaged with a detector. After that, the 560nm laser is turned off and the 640nm laser is irradiated to the sample to excite Alexa 647, and the light emitted from this fluorescent material is filtered through emission filter 4 and imaged with a detector.

(b)에서 보는 것과 같이 형광 물질들의 방출 스펙트럼은 100nm 정도의 너비를 가지고 있어서 다섯 개 이상의 형광 물질을 동시에 사용할 수 없다. 다섯개의 형광 물질을 동시에 사용하는 경우, 형광 물질의 방출 스펙트럼이 겹치기 시작한다. 예를 들어 (c)와 같이 CF 594 형광 물질을 추가한 경우, CF 594 형광 물질의 방출 스펙트럼은 Alexa 546의 방출 스펙트럼 뒤쪽에 위치한다. CF 594 형광 물질은 Alexa 546과 마찬가지로 560nm 레이저로 강하게 여기된다. 따라서 시료 내부의 두 단백질을 Alexa 546과 CF 594로 각각 표지하고 560nm 레이저를 조사해주는 경우 두 형광 물질이 모두 빛을 강하게 방출한다. 하지만 이 경우 두 신호를 따로 분리하는 것이 불가능한데, (c)에 표시된 방출 필터 3을 사용하면 CF 594의 신호가 일부(붉은색 원) 섞이게 되고 방출 필터 5를 사용하면 Alexa 546의 신호가 일부(파란색 원) 섞이게 되는 문제점이 있다. 따라서 현재 다분자 이미징은 최대 네 개의 형광 물질만 동시에 사용할 수 있고, 5개 이상의 형광 문자를 동시에 사용할 수 없는 한계가 있다.As shown in (b), the emission spectrum of fluorescent materials has a width of about 100 nm, so more than five fluorescent materials cannot be used at the same time. When five fluorescent substances are used at the same time, emission spectra of the fluorescent substances start to overlap. For example, when CF 594 fluorescent material is added as shown in (c), the emission spectrum of CF 594 fluorescent material is located behind the Alexa 546 emission spectrum. The CF 594 fluorescent material, like Alexa 546, is strongly excited with a 560 nm laser. Therefore, when two proteins in the sample are labeled with Alexa 546 and CF 594, respectively, and irradiated with a 560 nm laser, both fluorescent materials strongly emit light. However, in this case, it is not possible to separate the two signals separately. When emission filter 3 shown in (c) is used, the signal of CF 594 is partially mixed (red circle), and when emission filter 5 is used, the signal of Alexa 546 is partially mixed ( Blue circle) There is a problem of mixing. Therefore, current multi-molecular imaging has limitations in that only up to four fluorescent materials can be used at the same time, and five or more fluorescent characters cannot be used at the same time.

최근 디지털 병리학의 발전에 따라서 하나의 시료에서 더 많은 생체 분자 정보를 동시에 획득하고 분석하여, 기존보다 더 정밀한 진단법을 개발하려는 다양한 시도가 진행되고 있다. 또한, 최근 각광 받고 있는 3세대 항암 치료제인 면역 치료제의 경우, 환자의 암 조직 내부에 어떤 세포 타입이 존재하는지, 어떤 종류의 면역 세포가 존재하는지에 따라서 특정 치료제에 대한 반응성이 다르다는 연구 결과가 발표되고 있다. 따라서 하나의 시료에서 더 많은 생체 분자를 동시에 이미징 해야 하는 필요성이 대두되고 있다. 하지만 일반적으로 많이 사용하는 400~650nm 파장대의 광원을 이용하는 경우 한번에 최대 4개의 형광 물질만을 동시에 사용할 수 있다는 한계가 있다. 이러한 한계를 뛰어 넘기 위해서 다양한 기술들이 개발되었는데 이 기술들은 크게 세 가지(반복 염색 기법, 스펙트럼 이미징 후 신호 분리 기법, 블라인드 신호 분리 기법)로 나눌 수 있다.In accordance with the recent development of digital pathology, various attempts are being made to develop more precise diagnostic methods by simultaneously acquiring and analyzing more biomolecular information from a single sample. In addition, in the case of immunotherapeutic drugs, a third-generation anticancer drug that has recently been spotlighted, research results have been published that show that the reactivity to specific therapeutic agents differs depending on the type of cell type and type of immune cells present in the patient's cancer tissue. is becoming Therefore, the need to simultaneously image more biomolecules in one sample is emerging. However, there is a limit in that only up to four fluorescent materials can be used at the same time when a light source in a wavelength range of 400 to 650 nm, which is commonly used, is used. In order to overcome this limitation, various technologies have been developed, which can be divided into three (repeated staining technique, signal separation technique after spectral imaging, and blind signal separation technique).

먼저 첫번째로 반복 염색 기법(Multi-round staining)은 시료 내부의 생체 분자를 3개 혹은 4개의 형광 물질로 각각 표지하여 이미징 한 후, 화학적 처리를 통해 형광 물질을 비활성시키거나 생체 분자에서 형광 물질을 떼어 낸다. 그 후 다시 다른 생체 분자를 동일한 3개 혹은 4개의 형광 물질로 표지하여 이미징한다. 이러한 방법을 반복하면 하나의 생체 시료에서 수십가지 생체 분자를 동시에 관찰하는 것이 가능하다. 하지만 형광 물질 표지를 반복해야 하기 때문에 시간이 오래 걸리고, 화학 처리 과정 중 시료가 손상되는 문제가 있다.First, in the multi-round staining technique, biomolecules inside a sample are labeled with 3 or 4 fluorescent materials, respectively, and imaged, and then the fluorescent material is inactivated or fluorescent material is removed from the biomolecules through chemical treatment. take it off After that, other biomolecules are again labeled with the same 3 or 4 fluorescent substances and imaged. By repeating this method, it is possible to simultaneously observe dozens of biomolecules in one biological sample. However, it takes a long time because fluorescent labeling has to be repeated, and there is a problem in that the sample is damaged during the chemical treatment process.

두번째로, 스펙트럼 이미징 후 신호 분리 기법(Spectral Imaging and Signal unmixing)은 방출 스펙트럼이 겹치는 여러 형광 물질로 여러 생체 분자를 각각 표지한 후, 여러 형광 물질을 동시에 여기시킨다. 그 후 여러 검출 파장대에서 시료의 이미지를 얻은 후 파장대별 각 형광 물질의 상대적 세기에 대한 정보를 바탕으로, 얻은 이미지를 각 형광 물질만의 이미지로 분리한다. 예를 들어, 방출 스펙트럼이 겹치는 세 형광 물질(ECFP, EGFP, EYFP)로 시료 내부의 세 가지 생체 분자를 각각 표지한 후, 12개의 검출 파장대에서 이미지를 얻고, 이 12개의 이미지로부터 세 형광 물질의 이미지를 분리할 수 있다. ECFP는 450nm 파장에서부터 빛을 방출하기 시작하여 475nm에서 가장 강하게 빛을 방출하며, EGFP은 470nm에서부터 빛을 방출하기 시작하여 510nm 에서 가장 강하게 빛을 방출하며, EYFP는 500nm에서부터 빛을 방출하기 시작하여 530nm에서 가장 강하게 빛을 방출한다. 만약 각 형광 물질의 방출 스펙트럼을 알고 있다면, 12개의 파장대(1부터 12까지)에서 총 12장의 이미지를 얻은 후 형광 물질 별 방출 세기를 바탕으로 세 형광 물질의 이미지를 분리(unmixing)하는 것이 가능하다. 세 형광 물질의 신호를 분리하는 과정을 수학적으로 표현한다면 하기 [수학식 1]과 같이 나타낼 수 있다(위 과정을 통해서 얻어지는 이미지의 해상도가 1024 x 1024 픽셀이라고 가정).Second, after spectral imaging and signal unmixing, several biomolecules are individually labeled with several fluorescent substances with overlapping emission spectra, and then, several fluorescent substances are simultaneously excited. After that, images of the sample are obtained in several detection wavelength bands, and the obtained images are separated into images of each fluorescent material based on the information on the relative intensity of each fluorescent material for each wavelength band. For example, after each of three biomolecules in a sample are labeled with three fluorescent substances (ECFP, EGFP, EYFP) with overlapping emission spectra, images are obtained at 12 detection wavelength bands, and from these 12 images, Images can be separated. ECFP starts emitting light at 450 nm and is strongest at 475 nm, EGFP starts emitting light at 470 nm and emits light most strongly at 510 nm, and EYFP starts emitting light at 500 nm and emits light most strongly at 530 nm. emits the strongest light. If the emission spectrum of each fluorescent substance is known, it is possible to obtain a total of 12 images in 12 wavelength bands (from 1 to 12) and then unmix the images of the three fluorescent substances based on the emission intensity of each fluorescent substance. . If the process of separating the signals of the three fluorescent materials is expressed mathematically, it can be expressed as [Equation 1] below (assuming that the resolution of the image obtained through the above process is 1024 x 1024 pixels).

Figure 112020074106419-pat00001
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좌변 행렬(IMG): 각 행은 각 형광 검출 파장대에서 얻은 이미지(예: IMG1, IMG2, … IMG12)를 나타내며, 각 열은 각 이미지에서 각 픽셀 별 절대 밝기 값(예: IMG11은 IMG1의 첫번째 픽셀의 밝기 값)을 나타냄. 이미지의 해상도가 1024 x 1024인 경우 행렬 IMG는 총 1,048,576(=1,024 x 1,024)개의 열을 가진다. Left-hand matrix (IMG): Each row represents an image (eg IMG1, IMG2, … IMG12) obtained in each fluorescence detection wavelength band, and each column represents the absolute brightness value for each pixel in each image (eg IMG1 1 is the first of IMG1) the brightness value of a pixel). When the resolution of the image is 1024 x 1024, the matrix IMG has a total of 1,048,576 (= 1,024 x 1,024) columns.

우변 첫번째 행렬(M): 각 형광 물질들의 각 검출 파장대에서의 상대적 밝기Right side first matrix (M): Relative brightness of each fluorescent material in each detection wavelength band

우변 두번째 행렬(F): 이 행렬의 각 행은 각 형광 물질로만 이루어진 이미지로, F1은 첫번째 형광 물질(ECFP)의 신호로만 이루어진 이미지를 뜻하며, 각 열은 행렬 IMG와 마찬가지로 각 픽셀 별 절대 밝기 값을 나타냄Right-hand second matrix (F): Each row of this matrix is an image composed of only each fluorescent material, F1 is an image composed only of the signal of the first fluorescent material (ECFP), and each column is the absolute brightness value of each pixel, just like the matrix IMG. indicates

IMG1,2,3,4,…12: 서로 다른 파장대에서 얻은 이미지IMG1,2,3,4,… 12: Images from different wavelength bands

IMG11: IMG1의 첫번째 픽셀의 값IMG1 1 : Value of the first pixel of IMG1

IMG11,048,576: IMG1의 마지막 픽셀(1024 x 1024 = 1,048,576)의 값IMG1 1,048,576 : The value of the last pixel of IMG1 (1024 x 1024 = 1,048,576)

F1,2,3: 세 형광 물질(ECFP, EGFP, EYFP) 신호로만 이루어진 이미지F1,2,3: Images consisting of only three fluorescent substances (ECFP, EGFP, EYFP) signals

F11: F1의 첫번째 픽셀의 값F1 1 : Value of the first pixel of F1

F11,048,576: F1의 마지막 픽셀(1024 x 1024 = 1,048,576)의 값F1 1,048,576 : The value of the last pixel of F1 (1024 x 1024 = 1,048,576)

검은색: 미리 알고 있는 값(M 행렬)이거나 측정된 값(IMG 행렬)Black: known values (M matrix) or measured values (IMG matrix)

붉은색: 알아내야 하는 값(F 행렬)Red: values to find out (F matrix)

이와 같이, 스펙트럼 이미징 후 신호 분리 기법은 각 검출 파장대에서 각 형광 물질의 세기를 알고 있을 때, 12 검출 파장대에서 이미지를 얻고, IMG/M을 통해 F 행렬을 얻을 수 있다. 즉, 이 기법은 M 행렬을 알고 있어야만 작동하는데, M 행렬은 현미경에 따라서, 시료의 화학적 환경에 따라서 달라지게 된다. M 행렬은 각 형광 물질의 검출 파장대 별 세기를 말하는데 현미경 내부의 광학적 특성과 디텍터의 파장 별 감도, 시료의 화학적 조성에 따라서 달라지게 된다. 따라서 현미경마다, 시료마다 해당 행렬을 따로 측정해줘야 한다는 번거로움이 있어 실제 조직 이미징에 널리 사용되지 못하고 있다. As such, in the signal separation technique after spectral imaging, when the intensity of each fluorescent material is known in each detection wavelength band, an image can be obtained in 12 detection wavelength bands, and an F matrix can be obtained through IMG/M. That is, this technique works only when the M matrix is known, which varies depending on the microscope and the chemical environment of the sample. The M matrix refers to the intensity of each fluorescent material in each detection wavelength band, and it varies depending on the optical properties inside the microscope, the sensitivity of the detector for each wavelength, and the chemical composition of the sample. Therefore, it is inconvenient to separately measure the corresponding matrix for each microscope and sample, so it is not widely used for actual tissue imaging.

마지막 세번째로 블라인드 신호 분리(Blind Unmixing)는 M 행렬을 모르는 상태에서 M 행렬과 F 행렬을 동시에 유추해내는 방법으로, 이를 위해서는 독립 성분 분석(Independent Component Analysis; ICA) 혹은 음수 미포함 행렬 분석(Non-negative Matrix Factorization; NMF)이 사용되어 왔다. 하지만 하기 [수학식 2]와 같이 M 행렬은 36개의 원소(element)를 가지고 있고, F 행렬은 3,145,728(=3 x 1024 x 1024)개의 원소를 가지고 있어 3백만개에 달하는 원소를 동시에 정확하게 유추하는 것이 매우 어렵다.Lastly, thirdly, blind unmixing is a method of inferring an M matrix and an F matrix simultaneously without knowing the M matrix. For this, Independent Component Analysis (ICA) or Non-Negative Matrix Analysis (Non- Negative Matrix Factorization (NMF) has been used. However, as shown in Equation 2 below, the M matrix has 36 elements and the F matrix has 3,145,728 (=3 x 1024 x 1024) elements, so it is difficult to accurately infer 3 million elements at the same time. very difficult

Figure 112020074106419-pat00002
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검은색: 측정된 값(IMG 행렬)Black: measured values (IMG matrix)

붉은색: 알아내야 하는 값(M 행렬, F 행렬)Red: values to find out (M matrix, F matrix)

그 결과 기존의 블라인드 신호 분리는 그 정확도가 크게 떨어져 매우 제한적으로 사용되어 왔다. 또한, 기존의 ICA, NMF는 분리를 위해서 필요한 이미지의 수(IMG 행렬의 행의 수)가 반드시 형광 물질의 수(F 행렬의 행의 수)보다 많아야 한다는 조건이 있다. 즉, 8개의 형광 물질을 동시에 이미징 하기 위해서는 9장 이상의 이미지를 얻어야 하기 때문에 시간이 오래 걸린다는 단점이 있다.As a result, the conventional blind signal separation has been used very limitedly because its accuracy is greatly reduced. In addition, the existing ICA and NMF have a condition that the number of images required for separation (the number of rows of the IMG matrix) must be greater than the number of fluorescent materials (the number of rows of the F matrix). That is, there is a disadvantage that it takes a long time because 9 or more images need to be obtained in order to image 8 fluorescent materials at the same time.

본 개시(Process of ultra-multiplexed Imaging of biomoleCules viA the unmixing of the Signals of Spectrally Overlapping fluorophores, PICASSO)는 이러한 종래기술의 단점을 해결한 것으로서, 블라인드 신호 분리 기법 중 하나이다. 하지만, 이 기술은 기존의 블라인드 신호 분리 기법들에 비해서 훨씬 더 높은 정확도로, 8번의 이미징만으로 8개의 형광 물질을 동시에 이미징 후 분리할 수 있다. 이를 위해 본 개시는 형광 물질 선정, 형광 검출 파장대 선정, 상호정보량 최소화를 통한 형광 물질 신호 분리를 포함한다.The present disclosure (Process of ultra-multiplexed Imaging of biomoleCules viA the unmixing of the Signals of Spectrally Overlapping fluorophores, PICASSO) solves the drawbacks of the prior art, and is one of blind signal separation techniques. However, this technique can simultaneously image and separate 8 fluorescent materials with much higher accuracy than conventional blind signal separation techniques, with only 8 imaging times. To this end, the present disclosure includes a fluorescent material signal separation by selecting a fluorescent material, selecting a fluorescence detection wavelength band, and minimizing the amount of mutual information.

본 개시는 위의 세 가지 기술을 통해 기존의 ICA 혹은 NMF 기반 기술에 비해서 동시에 유추해야 하는 원소의 수를 크게 줄여 이미지 분리 정확도를 크게 향상시켰다.The present disclosure greatly improves the image separation accuracy by significantly reducing the number of elements to be inferred at the same time compared to the existing ICA or NMF-based techniques through the above three techniques.

예를 들어 ICA 혹은 NMF로 방출 스펙트럼이 겹치는 두 형광 물질의 신호를 분리해야 하는 경우, 하기 [수학식 3]과 같이 최소 세 개의 서로 다른 파장대에서 이미징을 한 후, ICA 혹은 NMF알고리즘을 이용하여 M 행렬과 F 행렬을 동시에 유추해내야 한다.For example, when it is necessary to separate signals of two fluorescent materials with overlapping emission spectra using ICA or NMF, imaging is performed in at least three different wavelength bands as shown in Equation 3 below, and then M using the ICA or NMF algorithm We need to infer the matrix and the F matrix at the same time.

Figure 112020074106419-pat00003
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하지만 M 행렬은 6개의 원소로 이루어져 있고 F 행렬은 2,097,152개의 원소로 이루어져 있어서 2백만개가 넘는 원소를 동시에 유추해내야 하기 때문에 그 정확도가 떨어지게 된다(붉은색으로 표시된 숫자들은 유추해야 하는 원소를 나타냄).However, since the M matrix has 6 elements and the F matrix has 2,097,152 elements, more than 2 million elements must be inferred at the same time, so the accuracy is poor (the numbers in red indicate the elements to be inferred) .

이에 비해서 본 개시에서는 형광 물질 선정 전략 및 형광 검출 파장대 선정 전략을 통해 위 문제를 하기 [수학식 4]와 같이 간략화할 수 있다. In contrast, in the present disclosure, the above problem can be simplified as shown in [Equation 4] below through a strategy for selecting a fluorescence material and a strategy for selecting a fluorescence detection wavelength band.

Figure 112020074106419-pat00004
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Figure 112020074106419-pat00005
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위에서 볼 수 있듯이, 본 개시는 형광 물질과 형광 검출 파장대 선정을 통해 첫 번째 검출 파장대에서 얻은 이미지 IMG1에는 첫 번째 형광 물질의 신호인 F1만이 포함되도록 하여 IMG1 = F1의 관계가 성립한다. IMG2는 F1와 F2의 합(IMG2 = F1 x α + F2)으로 나타낼 수 있는데 F1은 측정값인 IMG1과 같기 때문에 α만 정확히 유추해낸다면 F2를 계산(F2 = IMG2 - α x IMG1)해낼 수 있다. 본 개시에서는 IMG1과 IMG2 사이의 상호정보량 최소화(Mutual information minimization)을 이용하여 α 값을 정확하게 유추할 수 있다.As can be seen above, in the present disclosure, the image IMG1 obtained in the first detection wavelength band through selection of the fluorescent material and the fluorescence detection wavelength band includes only F1, which is the signal of the first fluorescent material, so that the relationship IMG1 = F1 is established. IMG2 can be expressed as the sum of F1 and F2 (IMG2 = F1 x α + F2). Since F1 is the same as the measured value IMG1, if only α is accurately inferred, F2 can be calculated (F2 = IMG2 - α x IMG1). . In the present disclosure, the value of α can be accurately inferred using mutual information minimization between IMG1 and IMG2.

즉, ICA 혹은 NMF를 이용한 방법에서는 ICA 혹은 NMF를 이용하여 수 백만 원소(M 행렬과 F 행렬)를 동시에 유추해야 하기 때문에 그 정확도가 떨어졌다면, 본 개시에서는 형광 물질 선정 전략 및 형광 검출 파장대 선정 전략을 통해 하나의 원소(α)만 정확히 유추하면 이미지가 분리될 수 있도록 실험을 설계하여 이미지 분리의 정확도를 비약적으로 향상시키고, α 값은 상호정보량 최소화 전략을 통해 유추할 수 있다.That is, if the accuracy of the method using ICA or NMF is low because millions of elements (M matrix and F matrix) must be inferred simultaneously using ICA or NMF, the present disclosure provides a fluorescence material selection strategy and a fluorescence detection wavelength band selection strategy By designing an experiment so that images can be separated if only one element (α) is accurately inferred through

세 개 이상의 형광 물질을 동시에 이미징해야 하는 경우, 서로 방출 스펙트럼이 겹치는 세 개의 형광 물질을 사용하는 대신, 방출 스펙트럼이 겹치는 형광 물질 쌍을 여러 개 사용할 수 있다. 예를 들어 일반적으로 ICA 혹은 NMF를 이용하여 방출 스펙트럼이 겹치는 세 개의 형광 물질을 분리하는 경우, 최소 4개의 파장대에서 이미지를 얻어서 M 행렬과 F 행렬을 동시에 유추해야 한다.When three or more fluorescent substances need to be imaged simultaneously, instead of using three fluorescent substances with overlapping emission spectra, multiple pairs of fluorescent substances with overlapping emission spectra can be used. For example, in general, when three fluorescent materials with overlapping emission spectra are separated using ICA or NMF, the M matrix and the F matrix must be inferred at the same time by obtaining images in at least four wavelength bands.

Figure 112020074106419-pat00006
Figure 112020074106419-pat00006

상기 [수학식 5]와 같이 방출 스펙트럼이 겹치는 형광 물질의 수가 증가할수록 M 행렬의 크기가 기하급수적으로 커지는 것을 알 수 있고, 방출 스펙트럼이 겹치는 2개의 형광 물질을 분리하는 경우 M 행렬의 크기는 3 x 2 = 6이며, 방출 스펙트럼이 겹치는 3개의 형광 물질을 분리하는 경우 M 행렬의 크기는 4 x 3 = 12 이다. 이와 같이 방출 스펙트럼이 겹치는 N 개의 형광 물질을 분리하는 경우 M 행렬의 크기는 N2 만큼 커지게 되어 더 많은 형광 물질을 분리하는 경우 그 수학적 복잡성이 급격히 상승한다. 예를 들어 ICA 혹은 NMF로 서로 방출 스펙트럼이 겹치는 8개의 형광 물질을 분리하는 과정을 수학적으로 나타내면 하기 [수학식 6]과 같다.As shown in Equation 5 above, it can be seen that the size of the M matrix increases exponentially as the number of fluorescent substances with overlapping emission spectra increases, and when two fluorescent substances with overlapping emission spectra are separated, the size of the M matrix is 3 x 2 = 6, and the size of the M matrix is 4 x 3 = 12 when three fluorescent materials with overlapping emission spectra are separated. In the case of separating N fluorescent substances with overlapping emission spectra as described above, the size of the M matrix increases by N 2 , and when more fluorescent substances are separated, the mathematical complexity of the matrix increases rapidly. For example, the process of separating eight fluorescent materials having overlapping emission spectra with each other by ICA or NMF is mathematically expressed as follows [Equation 6].

Figure 112020074106419-pat00007
Figure 112020074106419-pat00007

본 개시에서는 이와 같은 문제를 피하기 위하여 가시광선 영역을 4 개의 영역으로 나누고, 각 영역에서는 방출 스펙트럼이 겹치는 두 개의 형광 물질만을 사용한다. 가시광선 영역을 405nm 영역, 488nm 영역, 560nm 영역, 640nm 영역으로 나누고, 각 영역에서 방출 스펙트럼이 겹치는 두 개의 형광 물질만 사용한다. 그 결과 총 8개의 형광 물질을 동시에 사용하는 경우, 하기 [수학식 7]과 같이 표현된다.In the present disclosure, in order to avoid such a problem, the visible light region is divided into four regions, and only two fluorescent materials having overlapping emission spectra are used in each region. The visible light region is divided into a 405 nm region, a 488 nm region, a 560 nm region, and a 640 nm region, and only two fluorescent materials with overlapping emission spectra in each region are used. As a result, when a total of eight fluorescent materials are used simultaneously, it is expressed as in [Equation 7] below.

Figure 112020074106419-pat00008
Figure 112020074106419-pat00008

Figure 112020074106419-pat00009
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Figure 112020074106419-pat00010
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Figure 112020074106419-pat00011
Figure 112020074106419-pat00011

이와 같이, 8개의 형광 물질을 동시에 사용하고 그 신호를 분리하는 문제를 α 값을 네 번 유추해내는 과정으로 간략화할 수 있다.In this way, the problem of simultaneously using eight fluorescent substances and separating the signals can be simplified to the process of inferring the value of α four times.

도 2는 본 개시의 다양한 실시예들에 따른 전자 장치(200)의 블록도이다. 2 is a block diagram of an electronic device 200 according to various embodiments of the present disclosure.

도 2를 참조하면, 본 개시의 다양한 실시예들에 따른 전자 장치(200)는 디텍터(210), 입력 모듈(220), 출력 모듈(230), 메모리(240) 또는 프로세서(250) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 어떤 실시예에서는 전자 장치(200)의 구성 요소들 중 적어도 어느 하나가 생략되거나, 전자 장치(200)에 하나 이상의 다른 구성 요소들이 추가될 수 있다.Referring to FIG. 2 , the electronic device 200 according to various embodiments of the present disclosure includes at least one of a detector 210 , an input module 220 , an output module 230 , a memory 240 , and a processor 250 . may contain one. In some embodiments, at least one of the components of the electronic device 200 may be omitted or one or more other components may be added to the electronic device 200 .

디텍터(210)는 시료에 대한 이미지를 촬영할 수 있다. 이 때 디텍터(210)은 전자 장치(200)의 미리 정해진 위치에 설치되어, 이미지를 촬영할 수 있다. 예를 들면, 디텍터(210)는 sCMOS(scientific complementary metal-oxide-semiconductor) 카메라, PMT(photo multiplier tube), 혹은 그 이외에 빛의 세기를 측정하여 이를 이미지로 표현할 수 있는 장비 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. The detector 210 may take an image of the sample. In this case, the detector 210 may be installed at a predetermined position of the electronic device 200 to capture an image. For example, the detector 210 includes at least one of a scientific complementary metal-oxide-semiconductor (sCMOS) camera, a photo multiplier tube (PMT), or other equipment capable of measuring light intensity and expressing it as an image. can do.

입력 모듈(220)은 전자 장치(200)의 구성 요소들 중 적어도 어느 하나에 사용될 명령 또는 데이터를 전자 장치(200)의 외부로부터 수신할 수 있다. 이 때 입력 모듈(220)은 입력 장치 또는 수신 장치 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 예를 들면, 입력 장치는 마이크(microphone), 마우스 또는 키보드 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 어떤 실시예에서, 입력 장치는 터치를 감지하도록 설정된 터치 회로(touch circuitry) 또는 터치에 의해 발생되는 힘의 세기를 측정하도록 설정된 센서 회로 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 수신 장치는 무선 수신 장치 또는 유선 수신 장치 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. The input module 220 may receive a command or data to be used for at least one of the components of the electronic device 200 from the outside of the electronic device 200 . In this case, the input module 220 may include at least one of an input device and a reception device. For example, the input device may include at least one of a microphone, a mouse, and a keyboard. In some embodiments, the input device may include at least one of a touch circuitry configured to sense a touch or a sensor circuit configured to measure the intensity of a force generated by the touch. The reception device may include at least one of a wireless reception device and a wired reception device.

출력 모듈(230)은 전자 장치(200)의 외부로 정보를 제공할 수 있다. 이 때 출력 모듈(230)은 표시 장치 또는 송신 장치 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 예를 들면, 표시 장치는 디스플레이, 홀로그램 장치, 또는 프로젝터 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 어떤 실시예에서, 표시 장치는 입력 모듈(220)의 터치 회로 또는 센서 회로 중 적어도 어느 하나와 조립되어, 터치 스크린으로 구현될 수 있다. 송신 장치는 무선 송신 장치 또는 유선 송신 장치 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. The output module 230 may provide information to the outside of the electronic device 200 . In this case, the output module 230 may include at least one of a display device and a transmission device. For example, the display device may include at least one of a display, a hologram device, and a projector. In some embodiments, the display device may be implemented as a touch screen by being assembled with at least one of a touch circuit and a sensor circuit of the input module 220 . The transmission device may include at least one of a wireless transmission device and a wired transmission device.

일 실시예에 따르면, 수신 장치와 송신 장치는 하나의 통신 모듈로 통합될 수 있다. 통신 모듈은 전자 장치(200)와 외부 장치(미도시) 간 통신을 지원할 수 있다. 이러한 통신 모듈은 무선 통신 모듈 또는 유선 통신 모듈 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 이 때 무선 통신 모듈은 무선 수신 장치 또는 무선 송신 장치 중 적어도 어느 하나로 이루어질 수 있다. 그리고, 무선 통신 모듈은 원거리 통신 방식 또는 근거리 통신 방식 중 적어도 어느 하나를 지원할 수 있다. 근거리 통신 방식은, 예컨대 블루투스(Bluetooth), 와이파이 다이렉트(WiFi direct), 또는 적외선 통신(IrDA; infrared data association) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 무선 통신 모듈은 네트워크를 통해 원거리 통신 방식으로 통신할 수 있으며, 네트워크는, 예컨대 셀룰러 네트워크, 인터넷, 또는 LAN(local area network)이나 WAN(wide area network)과 같은 컴퓨터 네트워크 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 한편, 유선 통신 모듈은 유선 수신 장치 또는 유선 송신 장치 중 적어도 어느 하나로 이루어질 수 있다. According to an embodiment, the receiving device and the transmitting device may be integrated into one communication module. The communication module may support communication between the electronic device 200 and an external device (not shown). Such a communication module may include at least one of a wireless communication module and a wired communication module. In this case, the wireless communication module may be formed of at least one of a wireless reception device and a wireless transmission device. In addition, the wireless communication module may support at least one of a long-distance communication method and a short-distance communication method. The short-range communication method may include, for example, at least one of Bluetooth, WiFi direct, and infrared data association (IrDA). The wireless communication module may communicate in a telecommunication manner through a network, and the network may include, for example, at least one of a cellular network, the Internet, or a computer network such as a local area network (LAN) or a wide area network (WAN). can Meanwhile, the wired communication module may be formed of at least one of a wired reception device and a wired transmission device.

메모리(240)는 전자 장치(200)의 구성 요소들 중 적어도 어느 하나에 의해 사용되는 프로그램 또는 데이터 중 적어도 어느 하나를 저장할 수 있다. 예를 들면, 메모리(240)는 휘발성 메모리 또는 비휘발성 메모리 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. The memory 240 may store at least one of a program or data used by at least one of the components of the electronic device 200 . For example, the memory 240 may include at least one of a volatile memory and a non-volatile memory.

프로세서(250)는 메모리(240)의 프로그램을 실행하여, 전자 장치(200)의 구성 요소들 중 적어도 어느 하나를 제어할 수 있고, 데이터 처리 또는 연산을 수행할 수 있다. 프로세서(250)는, 상이한 생체 분자들에 각각 표지되어 있는 복수의 형광 물질들에 대해, 적어도 하나의 이미지를 획득하고, 획득된 이미지를 생체 분자들 각각에 대한 이미지들로 분리하도록 구성될 수 있다. 이 때 형광 물질들 중 적어도 어느 두 개는, 유사한 파장대의 방출 스펙트럼들을 각각 나타낼 수 있다. 그리고, 각 파장대는, 방출 스펙트럼들 중 어느 하나의 일부에 대응하는 제 1 검출 파장대, 및 방출 스펙트럼들 중 어느 하나의 적어도 일부와 방출 스펙트럼들 중 다른 하나의 적어도 일부가 겹쳐져 있는 제 2 검출 파장대를 포함할 수 있다. The processor 250 may execute a program in the memory 240 to control at least one of the components of the electronic device 200 , and may process data or perform an operation. The processor 250 may be configured to acquire at least one image for a plurality of fluorescent materials each labeled with different biomolecules, and to separate the obtained image into images for each of the biomolecules. . At this time, at least any two of the fluorescent materials may exhibit emission spectra of similar wavelength bands, respectively. In addition, each wavelength band includes a first detection wavelength band corresponding to a part of any one of the emission spectra, and a second detection wavelength band in which at least a part of any one of the emission spectra and at least a part of the other of the emission spectra are overlapped. may include

다양한 실시예들에 따르면, 프로세서(250)는, 제 1 검출 파장대의 제 1 이미지를 획득하고, 제 2 검출 파장대의 제 2 이미지를 획득할 수 있다. 이 때 프로세서(250)는, 파장대의 빛이 형광 물질들에 조사됨에 따라, 형광 물질들 중 적어도 어느 두 개의 방출 스펙트럼들에 대한 이미지를 생성하고, 생성된 이미지로부터 제 1 이미지와 제 2 이미지를 각각 획득할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 제 1 이미지와 제 2 이미지는, 대역 필터에 의해, 각각 획득될 수 있다. 다른 실시예에 따르면, 제 1 이미지와 제 2 이미지는, 스펙트랄 디텍터에 의해, 각각 획득될 수 있다.According to various embodiments, the processor 250 may acquire a first image in a first detection wavelength band and acquire a second image in a second detection wavelength band. At this time, the processor 250 generates an image of at least two emission spectra of the fluorescent materials as light in a wavelength band is irradiated to the fluorescent materials, and generates a first image and a second image from the generated image. Each can be obtained. According to an embodiment, the first image and the second image may be respectively obtained by a band filter. According to another embodiment, the first image and the second image may be respectively acquired by a spectral detector.

다양한 실시예들에 따르면, 프로세서(250)는 제 1 이미지를 기반으로, 제 2 이미지로부터 제 3 이미지를 획득할 수 있다. 이 때 프로세서(250)는, 제 2 이미지로부터 제 1 이미지와 제 2 이미지 사이에서 공유되는 정보를 최소화으로써, 제 3 이미지를 획득할 수 있다. 예를 들면, 프로세서(250)는, 제 1 검출 파장대에서의 형광 물질들 중 어느 하나의 밝기와 제 2 검출 파장대에서의 형광 물질들 중 어느 하나의 밝기에 대한 비율을 예측하고, 비율을 기반으로, 제 2 이미지로부터 제 3 이미지를 획득할 수 있다. 일 예로, 프로세서(250)는, 제 2 이미지로부터 비율과 제 1 이미지를 곱한 결과를 뺌으로써, 제 3 이미지를 획득하도록 구성될 수 있다. According to various embodiments, the processor 250 may acquire the third image from the second image based on the first image. In this case, the processor 250 may obtain the third image by minimizing information shared between the first image and the second image from the second image. For example, the processor 250 predicts a ratio between the brightness of any one of the fluorescent materials in the first detection wavelength band and the brightness of any one of the fluorescent materials in the second detection wavelength band, and based on the ratio , a third image may be obtained from the second image. As an example, the processor 250 may be configured to obtain the third image by subtracting a result of multiplying the ratio by the first image from the second image.

이를 통해, 프로세서(250)는 제 1 이미지를 생체 분자들 중 어느 하나의 이미지로 검출하고, 제 3 이미지를 생체 분자들 중 다른 하나의 이미지로 검출할 수 있다.Through this, the processor 250 may detect the first image as any one of the biomolecules and detect the third image as the other image of the biomolecules.

본 개시에 따르면, 기존의 다분자 동시 이미징 기술에 비해서 아래와 같은 장점을 얻을 수 있다.According to the present disclosure, the following advantages can be obtained compared to the existing multimolecular simultaneous imaging technology.

반복 염색 기법에 비해, 본 개시는 일반적으로 시료 염색에는 짧게는 1시간에서 길게는 수 시간이 걸리는데, 본 개시는 한번의 염색에 8개 이상의 형광 물질(본 개시에서는 10개까지 구현)을 동시에 관찰할 수 있어서 전체 이미징에 걸리는 시간을 수 배 단축시킬 수 있다. 본 개시는 반복 염색 기법과 결합하는 것이 가능한데 이 경우 한번에 이미징할 수 있는 생체 분자의 수가 3개에서 8개(혹은 10개)로 늘어나기 때문에 반복 염색 횟수를 3배 이상 줄일 수 있다. 반복 염색 횟수가 늘어나는 경우 여러 이미지들을 서로 정합(image registration) 해줘야 하는 번거로움이 있기 때문에 반복 염색 횟수를 줄일 수록 전체 이미징의 난이도가 내려가게 된다는 장점이 있다.Compared to the repeated staining technique, in the present disclosure, it generally takes from 1 hour to several hours to dye a sample, and the present disclosure observes 8 or more fluorescent substances (up to 10 in the present disclosure) at the same time in one dyeing. This can shorten the entire imaging time several times. The present disclosure can be combined with the repeat staining technique. In this case, since the number of biomolecules that can be imaged at one time increases from 3 to 8 (or 10), the number of repeated staining can be reduced by three times or more. If the number of repeated staining increases, there is a cumbersome need to register multiple images with each other. Therefore, as the number of repeated staining is reduced, the difficulty of the entire imaging decreases.

위의 이미지 정합의 문제로 인해서 기존의 반복 염색 기법은 다분자의 분포를 삼차원으로 얻기 어렵지만, 본 기술을 이용하면 이미지 정합 없이 10 종의 생체 분자의 분포를 삼차원으로 얻을 수 있다.Due to the above image registration problem, it is difficult to obtain the distribution of multi-molecules in three dimensions with the conventional repetitive staining technique.

스펙트럼 이미징 후 신호 분리 기법에 비해, 본 개시는 형광 물질의 방출 스펙트럼을 기반으로 하지 않기 때문에 현미경 별, 시료 별 보정 혹은 측정(calibration)이 필요 없다. 스펙트럼 이미징을 위해서는 일반적으로 스펙트랄 디텍터(spectral detector)라는 고가의 장비를 따로 사용해야 하지만 일반적인 생물학 연구실 및 병원에서는 스펙트랄 디텍터가 구비된 현미경을 보유하고 있지 않다. 본 개시는 10개의 형광 물질을 동시에 이미징하는데 단 8개의 방출 필터만을 필요로 하기 때문에 형광 필터 방식의 일반 공초점 현미경 혹은 저가의 간단한 형광 현미경으로도 구현 가능하다.Compared to the signal separation technique after spectral imaging, since the present disclosure is not based on the emission spectrum of a fluorescent material, there is no need for microscopic or sample-by-sample calibration or calibration. For spectral imaging, an expensive equipment called a spectral detector is generally used, but a microscope equipped with a spectral detector is not available in general biological laboratories and hospitals. Since only 8 emission filters are required to simultaneously image 10 fluorescent substances, the present disclosure can be implemented with a fluorescence filter type general confocal microscope or a low-cost simple fluorescence microscope.

블라인드 신호 분리 기법에 비해, 본 개시는 동일한 형광 물질을 동시에 이미징 하는 데에 ICA 혹은 NMF보다 적은 숫자의 이미지를 필요하기 때문에 이미징 시간이 단축된다. ICA 혹은 NMF에 비해서 적은 숫자의 원소만 유추하면 되기 때문에 그 정확도가 훨씬 더 높아 세포가 조밀하게 밀집되어 있는 조직에서 8개 이상의 형광 물질을 동시에 높은 정확도로 분리하는 것이 가능하다. 2개의 large stoke's shift 형광 물질을 추가로 사용하는 경우 총 10개의 형광 물질을 동시에 이미징하는 것이 가능하다. Compared to the blind signal separation technique, the present disclosure requires fewer images than ICA or NMF to simultaneously image the same fluorescent material, so the imaging time is shortened. Compared to ICA or NMF, since only a small number of elements need to be inferred, the accuracy is much higher, and it is possible to separate 8 or more fluorescent substances with high accuracy at the same time from a tissue in which cells are densely packed. If two large stoke's shift fluorescent materials are additionally used, it is possible to image a total of 10 fluorescent materials simultaneously.

도 3은 본 개시의 다양한 실시예들에 따른 전자 장치(200)의 분자 다중 이미징 방법의 흐름도이다. 도 4a는 도 3의 이미지 획득 단계의 흐름도이고, 도 4b는 도 3의 이미지들 분리 단계의 흐름도이다. 도 5는 일 실시예에 따른 형광 물질 선정 방법을 설명하는 도면이다. 도 6은 일 실시예에 따른 분자 다중 이미징 방법을 설명하는 도면이다.3 is a flowchart of a molecular multi-imaging method of the electronic device 200 according to various embodiments of the present disclosure. FIG. 4A is a flowchart of the image acquisition step of FIG. 3 , and FIG. 4B is a flowchart of the image separation step of FIG. 3 . 5 is a view for explaining a method for selecting a fluorescent material according to an exemplary embodiment. 6 is a view for explaining a molecular multi-imaging method according to an embodiment.

도 3을 참조하면, 전자 장치(200)는 310 단계에서 복수의 형광 물질들에 대해, 적어도 하나의 이미지를 획득할 수 있다. 이 때 복수의 형광 물질들이 상이한 생체 분자들에 각각 표지될 수 있다. 이에 대해, 도 4a를 참조하여, 보다 상세하게 후술될 것이다. Referring to FIG. 3 , the electronic device 200 may acquire at least one image of a plurality of fluorescent materials in step 310 . In this case, a plurality of fluorescent materials may be respectively labeled with different biomolecules. This will be described later in more detail with reference to FIG. 4A.

도 4a를 참조하면, 전자 장치(200)는 411 동작에서 각 파장대의 형광 물질들을 선정할 수 있다. 이를 통해, 형광 물질들 중 적어도 어느 두 개가 유사한 파장대의 방출 스펙트럼들을 각각 나타낼 수 있다. 이를 위해, 현재 존재하는 수많은 형광 물질들 혹은 앞으로 새롭게 합성될 형광 물질 중에서 본 기술의 형광 물질 선정 방법에 따라 적어도 두 개의 형광 물질들이 선정될 수 있다.Referring to FIG. 4A , the electronic device 200 may select fluorescent materials of each wavelength band in operation 411 . Through this, at least any two of the fluorescent materials may respectively exhibit emission spectra of a similar wavelength band. For this, at least two fluorescent materials may be selected from among numerous existing fluorescent materials or to be newly synthesized in the future according to the fluorescent material selection method of the present technology.

본 개시에서는 일반적으로 많이 사용하는 가시광선 영역인 400 - 650nm 파장대의 네 가지 여기 레이저(excitation laser)를 사용하는데, 네 가지 여기 레이저 중 하나의 여기 레이저에서만 강하게 여기 되는 형광 물질들의 리스트를 작성한다. 예를 들어 CF405S와 ATTO390은 네 가지 여기 레이저 중에서 405nm 여기 레이저로만 강하게 여기 되기 때문에 사용 가능하지만, CF440은 405nm 여기 레이저와 488nm 여기 레이저로 여기 가능하기 때문에 리스트에서 포함하지 않을 수 있다.In the present disclosure, four types of excitation lasers in a wavelength range of 400 to 650 nm, which are commonly used visible light regions, are used, and a list of fluorescent materials that are strongly excited only by one excitation laser among the four excitation lasers is prepared. For example, the CF405S and ATTO390 can be used because they are strongly excited only with the 405 nm excitation laser among the four excitation lasers, but the CF440 may not be included in the list because it can be excited with the 405 nm excitation laser and 488 nm excitation laser.

방출 스펙트럼이 겹치지 않을수록 두 형광 물질의 신호를 분리하기 좋으므로, 방출 스펙트럼이 최대한 겹치지 않는 두 형광 물질을 선정하되 기준 값이상 차이나는 두 형광 물질을 선정할 수 있다. 각 여기 레이저 별 형광 물질 리스트에서 각 레이저별로 방출 스펙트럼의 최대가 되는 파장이 기준 값 이상 차이나는 두 형광 물질을 선정할 수 있다.Since it is better to separate the signals of two fluorescent materials as the emission spectra do not overlap, two fluorescent materials with which emission spectra do not overlap as much as possible may be selected, but two fluorescent materials that differ by more than a reference value may be selected. From the list of fluorescent substances for each excitation laser, two fluorescent substances having a maximum wavelength of an emission spectrum for each laser having a difference of more than a reference value may be selected.

도 5에서, 405nm 여기 레이저의 형광 물질이 선택되는 방법을 살펴보면, 세 형광 물질 Alexa 405, CF405S, ATTO390은 모두 405nm 레이저로 강하게 여기되며, 다른 레이저로는 여기되지 않는다. Alexa 405와 CF405S는 방출 스펙트럼이 최대가 되는 파장의 차이가 10nm 이지만 CF405S와 ATTO390은 방출 스펙트럼이 최대가 되는 파장이 50nm 이상 떨어져 있다. 따라서 본 개시에서는 CF405S와 ATTO390을 선정(Alexa405와 ATTO390를 선정하거나 Alexa 405와 CF405S를 선정하는 것도 가능)할 수 있다. 위 조건에 따라서 선정한 각 여기 레이저별 형광 물질 쌍의 예시는 하기 [표 1]과 같다. 이외에도 다른 형광 물질 쌍도 가능하다.In Fig. 5, looking at how the fluorescent material of the 405 nm excitation laser is selected, the three fluorescent materials Alexa 405, CF405S, and ATTO390 are all strongly excited by the 405 nm laser, but not by the other lasers. Alexa 405 and CF405S have a maximum emission spectrum difference of 10nm, whereas CF405S and ATTO390 have a maximum emission spectrum more than 50nm apart. Therefore, in the present disclosure, CF405S and ATTO390 may be selected (Alexa405 and ATTO390 or Alexa 405 and CF405S may be selected). Examples of fluorescent material pairs for each excitation laser selected according to the above conditions are shown in Table 1 below. In addition, other fluorescent material pairs are possible.

Figure 112020074106419-pat00012
Figure 112020074106419-pat00012

405nm 여기 레이저와 488nm 여기 레이저에는 추가로 두 개의 large stoke's shift 형광 물질(CF405L, ATTO490LS)를 사용할 수 있다. Large-stoke's shift 형광 물질은 여기 스펙트럼과 방출 스펙트럼 사이에 100nm 정도의 큰 차이를 보이는 형광 물질을 뜻하는데, 이러한 특성으로 인해서 위의 8개의 형광 물질들과 동시에 사용할 수 있다. 560nm 여기 레이저 및 640nm 여기 레이저로 여기시킬 수 있는 Large-stoke's shift 형광 물질도 동시에 사용 가능한데, 이런 경우 총 12개의 형광 물질을 동시에 사용하는 것이 가능하다. Two additional large stoke's shift fluorescent materials (CF405L, ATTO490LS) can be used for the 405nm excitation laser and the 488nm excitation laser. Large-stoke's shift fluorescent material refers to a fluorescent material with a large difference of about 100 nm between the excitation spectrum and the emission spectrum. Due to this characteristic, it can be used simultaneously with the above 8 fluorescent materials. Large-stoke's shift fluorescent materials that can be excited with a 560 nm excitation laser and a 640 nm excitation laser can also be used simultaneously. In this case, a total of 12 fluorescent materials can be used simultaneously.

전자 장치(200)는 413 단계에서 각 파장대 내에서 복수의 검출 파장대들을 선정할 수 있다. 이 때 도 6 (a)에 도시된 바와 같이, 각 검출 파장대는, 방출 스펙트럼들 중 어느 하나의 일부에 대응하는 제 1 검출 파장대, 및 방출 스펙트럼들 중 어느 하나의 적어도 일부와 방출 스펙트럼들 중 다른 하나의 적어도 일부가 겹쳐져 있는 제 2 검출 파장대를 포함할 수 있다. 이러한 경우, 전자 장치(200)는 각 파장대에 대응하는 형광 물질들 중 첫번째 형광 물질의 신호만 검출되도록, 제 1 검출 파장대를 선정할 수 있다. 도 6 (a)는 사용되는 방출 스펙트럼이 겹치는 2개의 형광 물질의 방출 스펙트럼(실선과 음영 영역) 및 두 검출 파장대(점선)이다. The electronic device 200 may select a plurality of detection wavelength bands within each wavelength band in step 413 . At this time, as shown in FIG. 6A , each detection wavelength band includes a first detection wavelength band corresponding to a part of any one of the emission spectra, and at least a part of any one of the emission spectra and the other of the emission spectra. A second detection wavelength band in which at least one portion overlaps may be included. In this case, the electronic device 200 may select the first detection wavelength band so that only the signal of the first fluorescent material among the fluorescent materials corresponding to each wavelength band is detected. Fig. 6 (a) is an emission spectrum (solid line and shaded region) and two detection wavelength bands (dashed line) of two fluorescent materials with overlapping emission spectra used.

전자 장치(200)는 415 단계에서 검출 파장대들의 이미지들을 각각 획득할 수 있다. 이 때 전자 장치(200)는 제 1 검출 파장대의 제 1 이미지를 획득하고, 제 2 검출 파장대의 제 2 이미지를 획득할 수 있다. 이를 통해, 전자 장치(200)는 유사한 파장대의 형광 물질들 중 어느 하나에 대해 제 1 이미지를 획득하고, 유사한 파장대의 형광 물질들 모두에 대해 제 2 이미지를 획득할 수 있다. 이 후, 전자 장치(200)는 도 3으로 리턴하여, 320 단계로 진행할 수 있다. The electronic device 200 may acquire images of detection wavelength bands, respectively, in operation 415 . In this case, the electronic device 200 may acquire a first image in the first detection wavelength band and acquire a second image in the second detection wavelength band. Through this, the electronic device 200 may acquire a first image with respect to any one of the fluorescent materials of a similar wavelength band and acquire a second image with respect to all of the fluorescent materials of a similar wavelength band. Thereafter, the electronic device 200 may return to FIG. 3 and proceed to step 320 .

일 실시예에 따르면, 4쌍의 형광 물질을 사용하는데, 방출 스펙트럼이 겹치는 각 쌍의 형광 물질들은 4개의 표준 여기 레이저(405, 488, 560, 640nm) 중 하나에 의해서만 강하게 여기된다. 따라서 각 여기 레이저당 두 형광 물질의 신호만 분리하면 되기 때문에 방출 스펙트럼이 겹치는 여러 개의 형광 물질의 신호를 분리하는 경우에 비해서 그 과정이 간단하다. According to one embodiment, four pairs of fluorescent materials are used, and each pair of fluorescent materials with overlapping emission spectra are strongly excited by only one of the four standard excitation lasers (405, 488, 560, 640 nm). Therefore, since only the signals of two fluorescent materials need to be separated for each excitation laser, the process is simpler than in the case of separating signals of multiple fluorescent materials with overlapping emission spectra.

두 형광 물질로 시료 내부의 두 생체 분자를 각각 표지한 후 405nm 레이저를 조사(illuminate)해주면 도6 (a)에서 파란색으로 표시된 첫 번째 형광 물질과 녹색으로 표시된 두 번째 형광 물질이 동시에 빛을 방출한다. 이 빛을 파란색 점선으로 표시된 첫번째 검출 파장대를 투과시키는 투과 필터로 걸러주어 얻은 이미지 IMG1은 첫번째 형광 물질의 신호만을 포함하고 있기 때문에 IMG1 = F1의 관계가 성립한다. 그 후 시료에서 방출되는 빛을 녹색 점선으로 표시된 두번째 검출 파장대를 투과시키는 투과 필터로 걸러주어 얻은 이미지 IMG2는 두 형광 물질의 신호를 모두 포함하고 있다. 두 형광 물질로 생체 조직 내부의 두 생체 분자를 각각 표지 한 후, 두 검출 파장대에서 두 이미지를 얻는다. 이 때 스펙트랄 디텍터를 이용하여 각 검출 파장대에서 이미지를 얻을 수도 있고, 대역 필터(band-pass filter)를 이용할 수도 있다. 먼저 첫번째 검출 파장대는 첫 번째 형광 물질의 방출 스펙트럼의 앞쪽 파장대로, 이 파장대에서 얻은 이미지 IMG1는 첫번째 형광 물질의 신호 F1만이 포함되어 있다. 두 번째 파장대는 두 형광 물질의 신호가 모두 검출되는 파장대로, 이 파장대에서 얻은 이미지 IMG2는 첫번째 형광 물질의 신호 F1과 두번째 형광 물질의 신호 F2가 모두 포함되어 있다. 따라서 위의 도 6 (a) 에 표시된 IMG1, IMG2, F1, F2 사이의 관계는 하기 [수학식 8]과 같다.When two biomolecules inside the sample are labeled with two fluorescent materials, respectively, and then irradiated with a 405 nm laser, the first fluorescent material marked in blue and the second fluorescent material marked in green emit light at the same time in Fig. 6(a). . The image IMG1 obtained by filtering this light with a transmission filter that transmits the first detection wavelength band indicated by the blue dotted line contains only the signal of the first fluorescent material, so the relation IMG1 = F1 is established. After that, the image IMG2 obtained by filtering the light emitted from the sample with a transmission filter that transmits the second detection wavelength band indicated by the green dotted line contains the signals of both fluorescent materials. After labeling two biomolecules inside a living tissue with two fluorescent substances, respectively, two images are obtained at two detection wavelength bands. In this case, an image may be obtained in each detection wavelength band using a spectral detector, or a band-pass filter may be used. First, the first detection wavelength band is a wavelength band in front of the emission spectrum of the first fluorescent material, and the image IMG1 obtained in this wavelength band contains only the signal F1 of the first fluorescent material. The second wavelength band is a wavelength band at which signals of both fluorescent materials are detected, and the image IMG2 obtained in this wavelength band includes both the signal F1 of the first fluorescent material and the signal F2 of the second fluorescent material. Therefore, the relationship between IMG1, IMG2, F1, and F2 shown in FIG. 6 (a) above is as follows [Equation 8].

Figure 112020074106419-pat00013
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Figure 112020074106419-pat00014
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α는 첫 번째 형광 물질의 첫 번째 검출 파장대에서의 밝기에 대한 두 번째 검출 파장대에서의 밝기에 대한 비율이다. 상기 [수학식 8]에서 알 수 있듯이, 이 α 값만 정확하게 알 수 있다면, IMG2에서부터 F1(=IMG1)의 신호를 완전히 제거하여 F2를 계산할 수 있다. 여기서, 도 6 (a)에서, α는 '녹색 점선 안에 포함된 파란색 음영의 넓이 / 파란색 점선 안에 포함된 파란색 음영의 넓이’ 이다.α is the ratio of the brightness in the second detection wavelength band to the brightness in the first detection wavelength band of the first fluorescent material. As can be seen from [Equation 8], if only this value of α is accurately known, F2 can be calculated by completely removing the signal of F1 (=IMG1) from IMG2. Here, in Fig. 6 (a), α is 'the area of the blue shade included in the green dotted line / the area of the blue shade included in the blue dotted line'.

다시 도 3을 참조하면, 전자 장치(200)는 320 단계에서 획득된 이미지를 생체 분자들 각각에 대한 이미지들로 분리할 수 있다. 이에 대해, 도 4b를 참조하여, 보다 상세하게 후술될 것이다.Referring back to FIG. 3 , the electronic device 200 may separate the image acquired in step 320 into images of each of the biomolecules. This will be described later in more detail with reference to FIG. 4B .

도 4b를 참조하면, 전자 장치(200)는 421 단계에서 검출 파장대들에서 얻은 이미지들 사이의 상호정보량 최소화(mutual information minimization; MI minimization)를 위한 α를 유추할 수 있다. 이 때 전자 장치(200)는 제 1, 2이미지를 기반으로, α를 유추할 수 있다.Referring to FIG. 4B , in operation 421 , the electronic device 200 may infer α for mutual information minimization (MI minimization) between images obtained in detection wavelength bands. In this case, the electronic device 200 may infer α based on the first and second images.

α 값을 유추하기 위해서 상호정보량 최소화를 이용할 수 있다. 상호정보량(MI)은 두 변수 간에 공유되는 정보의 양으로, 2개의 독립적인 랜덤 변수의 MI는 0이다. IMG2에서 F1이 완전히 제거되게 되면, 그 결과로 얻게 되는 (IMG2-αx F1)과 IMG1는 서로 독립 변수가 되어 상호정보량이 최소화가 된다고 가정한다. 따라서 IMG1과 (IMG2-αx F1) 사이의 상호정보량을 최소화 시킬 수 있는 α 값을 찾고, 이 값으로부터 F2를 계산한다. 이 방법은 수백만 픽셀 값을 가지는 IMG1, IMG2로부터 하나의 변수 α를 찾아내기 때문에, 기존의 블라인드 분리 기법에 비해서 그 정확도가 매우 높다. 또한, 본 개시에서는 α를 찾아내는 두 개의 추가적인 방법으로 M 행렬을 직접 측정하는 형광 측정 기반 분리법과 또 다른 블라인드 분리법인 그람-슈미트 직교화(Gram-Schmidt orthogonalization)를 이용할 수 있다.In order to infer the value of α, it is possible to use the minimization of the amount of mutual information. Mutual information amount (MI) is the amount of information shared between two variables, and the MI of two independent random variables is 0. When F1 is completely removed from IMG2, it is assumed that the resulting (IMG2-αx F1) and IMG1 become independent variables and the amount of mutual information is minimized. Therefore, we find the α value that can minimize the amount of mutual information between IMG1 and (IMG2-αx F1), and calculate F2 from this value. Since this method finds one variable α from IMG1 and IMG2 having millions of pixel values, its accuracy is very high compared to the conventional blind separation technique. In addition, in the present disclosure, as two additional methods for finding α, a fluorescence measurement-based separation method that directly measures an M matrix and another blind separation method, Gram-Schmidt orthogonalization, may be used.

전자 장치(200)는 423 단계에서 α를 기반으로, 생체 분자들 각각에 대한 이미지들을 검출할 수 있다. 이 때 전자 장치(200)는 α를 기반으로, 제 2 이미지로부터 제 3 이미지를 획득할 수 있다. 여기서, 전자 장치(200)는 제 2 이미지로부터 α와 제 1 이미지를 곱한 결과를 뺌으로써, 제 3 이미지를 획득할 수 있다. 이를 통해, 제 2 이미지로부터 제 1 이미지와 제 2 이미지 사이에서 공유되는 정보가 최소화되고, 이로써 제 3 이미지가 획득될 수 있다. 이에 따라, 제 1 이미지가 생체 분자들 중 어느 하나의 이미지로 검출되고, 제 3 이미지가 생체 분자들 중 다른 하나의 이미지로 검출될 수 있다.The electronic device 200 may detect images of each of the biomolecules based on α in step 423 . In this case, the electronic device 200 may acquire the third image from the second image based on α. Here, the electronic device 200 may obtain the third image by subtracting a result obtained by multiplying α by the first image from the second image. Through this, information shared between the first image and the second image from the second image is minimized, and thus the third image can be obtained. Accordingly, the first image may be detected as one image among biomolecules, and the third image may be detected as another image among biomolecules.

도 6 (b)는 방출 스펙트럼이 겹치는 2개의 형광 물질로 표지 된 두 생체 분자를 도 6 (a)에서와 같이 두 개의 서로 다른 검출 파장대로 이미징 했을 때, 신호 분리 전후의 이미지이다. 6(b) is an image before and after signal separation when two biomolecules labeled with two fluorescent substances with overlapping emission spectra are imaged in two different detection wavelength bands as shown in FIG. 6(a).

도 6 (c)-(e)는 4개의 픽셀(맨 윗줄)로 구성된 이미지에 대한 신호 분리의 예로, α 는 1.2인 경우를 가정한 것이다. 사각형 안에 있는 숫자는 각 픽셀의 절대 밝기이다. (c)는 첫 번째 검출 파장대에서 얻은 이미지이고, (d)는 두 번째 검출 파장대에서 얻은 이미지이다. (e)는 신호 분리 후 두 번째 형광 물질에 대한 이미지이다. 상호 정보량 최소화를 통해 찾은 α값(1.2)를 첫 번째 검출 파장대에서 얻은 이미지에 곱한 후 두 번째 검출 파장대에서 얻은 이미지에서 뺀다. 예를 들어 도 6 (a)와 같이, 파란색으로 색칠된 부분과 녹색으로 색칠된 부분이 두 형광 물질의 방출 스펙트럼이며, 파란색 점선과 녹색 점선이 두 형광 검출 파장대를 나타낸다.6 (c)-(e) are examples of signal separation for an image composed of 4 pixels (top row), assuming that α is 1.2. The number in the square is the absolute brightness of each pixel. (c) is an image obtained in the first detection wavelength band, and (d) is an image obtained in the second detection wavelength band. (e) is an image of the second fluorophore after signal separation. The α value (1.2) found through mutual information minimization is multiplied by the image obtained in the first detection wavelength band, and then subtracted from the image obtained in the second detection wavelength band. For example, as shown in FIG. 6(a) , the blue-colored portion and the green-colored portion are emission spectra of the two fluorescent materials, and the blue dotted line and the green dotted line indicate two fluorescence detection wavelength bands.

위의 방법을 이용하여 4개의 여기 레이저(405, 488, 560, 640nm)로 8개의 형광 물질을 동시에 이미징 하고, 그 신호를 분리시키는 방법은 하기 [수학식 9]와 같이 나타낼 수 있다.A method of simultaneously imaging eight fluorescent materials with four excitation lasers (405, 488, 560, and 640 nm) using the above method and separating the signals can be expressed as [Equation 9] below.

Figure 112020074106419-pat00015
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상기 [수학식 9]에서 알 수 있듯이, 8개의 형광 물질을 동시에 이용하고 그 신호를 분리하는 과정이 각 파장 별 하나의 변수 α 를 네 번 유추해내는 과정으로 간략화 되었다. 또한, 하나의 α 유추에서 오차가 발생해도 이 오차가 다른 파장대의 형광 물질에는 영향을 미치지 않고, 같은 파장대의 형광 물질 하나에만 영향을 미치게 된다는 장점이 있다(예: α405 유추에 오차가 발생하는 경우 F2만 부정확해지고, F1, F3-8은 영향을 받지 않음). 본 개시에서는 위의 8개의 형광 물질에 더해서 여기 스펙트럼과 방출 스펙트럼이 큰 차이를 보이는 두 개의 large stoke's shift 형광 물질을 추가로 사용하였다. 이를 통해 4개의 일반 여기 레이저로 10개의 형광 물질을 동시에 사용하는 데에 성공하였다. 560nm 및 640nm 레이저로 강하게 여기 시킬 수 있는 추가적인 두 개의 Large-stoke's shift 형광 물질을 추가로 사용하는 경우 총 12개의 형광 물질을 동시에 사용하는 것도 가능하다. As can be seen from [Equation 9], the process of simultaneously using eight fluorescent materials and separating the signals has been simplified to a process of inferring one variable α for each wavelength four times. In addition, even if an error occurs in one α inference, the error does not affect fluorescent materials in other wavelength bands, but has the advantage that it affects only one fluorescent material in the same wavelength band (e.g., when an error occurs in α 405 inference) case, only F2 will be inaccurate, F1, F3-8 will not be affected). In the present disclosure, in addition to the above eight fluorescent substances, two large stoke's shift fluorescent substances having a large difference between the excitation spectrum and the emission spectrum were additionally used. Through this, we succeeded in using 10 fluorescent materials simultaneously with 4 general excitation lasers. If two additional large-stoke's shift fluorescent materials capable of strong excitation with 560 nm and 640 nm lasers are additionally used, it is also possible to use a total of 12 fluorescent materials simultaneously.

도 6의 (b)는 생체 시료 내부의 두 생체 분자를 방출 스펙트럼이 겹치는 두 형광 물질로 표지하고, 두 형광 검출 파장대에서 IMG1, IMG2을 얻을 후, 두 생체 분자의 이미지 F1, F2가 분리되는 과정을 보여준다. 도 6의 (b)에서 볼 수 있듯이, 두 형광 물질로 생체 조직 내부의 두 생체 분자(사각형 점선, 원형 점선)을 표지 한 후 도 6의 (a)에서 표시된 두 형광 검출 파장대에서 두 이미지를 얻게 되면 IMG1은 원형 단백질을 보여주는 이미지가 되고, IMG2는 원형과 사각형 생체 분자를 모두 보여준다.6(b) shows a process in which two biomolecules in a biological sample are labeled with two fluorescent materials with overlapping emission spectra, and IMG1 and IMG2 are obtained in two fluorescence detection wavelength bands, and then images F1 and F2 of the two biomolecules are separated. shows As shown in FIG. 6(b), after labeling two biomolecules (square dotted line, circular dotted line) inside a living tissue with two fluorescent materials, two images were obtained in the two fluorescence detection wavelength bands shown in FIG. 6(a). When done, IMG1 becomes an image showing a circular protein, and IMG2 shows both a circular and a square biomolecule.

이렇게 얻은 두 이미지 IMG1(=F1)과 IMG2에 상호정보량 최소화를 적용하여 α를 계산해내고, 이를 이용하여 IMG2로부터 F2를 분리(unmixing)한다. 최종 결과물인 F1과 F2는 각각 원형 단백질, 사각형 생체 분자의 이미지이다.By applying the mutual information minimization to the two images IMG1 (=F1) and IMG2 obtained in this way, α is calculated, and F2 is separated (unmixed) from IMG2 using this. The final results, F1 and F2, are images of circular proteins and rectangular biomolecules, respectively.

두 이미지 분리 단계는 상호정보량 최소화(Mutual information minimization)를 통해, IMG1(=F1)과 IMG2에서부터 α를 유추한다.In the two image separation steps, α is inferred from IMG1 (=F1) and IMG2 through mutual information minimization.

상호정보량은 정보이론에서부터 비롯된 값으로, 두 변수 사이의 상호정보량은 두 변수가 공유하고 있는 정보의 총량을 말한다. 따라서 두 무작위 변수(two random variables) 사이의 상호정보량은 0 이다.The amount of mutual information is a value derived from information theory, and the amount of mutual information between two variables refers to the total amount of information shared by the two variables. Therefore, the amount of mutual information between two random variables is zero.

디지털 이미지는 불연속 변수(discrete variable)이므로 아래의 관계식을 활용해서 두 개의 이미지 사이의 상호정보량을 계산할 수 있다. 하기 [수학식 10]에서 pX(x)와 pY(y)는 각 이미지의 확률분포함수(혹은 히스토그램)에 해당하며 p(X,Y)(x,y)는 두 이미지의 결합 확률분포함수(혹은 결합 히스토그램)에 해당한다.Since digital images are discrete variables, the amount of mutual information between two images can be calculated using the following relational expression. In [Equation 10], p X (x) and p Y (y) correspond to the probability distribution function (or histogram) of each image, and p (X,Y) (x,y) is the combined probability distribution of the two images Corresponds to a function (or combined histogram).

Figure 112020074106419-pat00019
Figure 112020074106419-pat00019

본 개시는 두 개의 이미지(IMG1, IMG2)가 있을 때, 상호정보량을 활용하여 손실함수를 하기 [수학식 11]과 같이 정의한다.In the present disclosure, when there are two images (IMG1, IMG2), the loss function is defined as follows [Equation 11] by utilizing the amount of mutual information.

Figure 112020074106419-pat00020
Figure 112020074106419-pat00020

따라서, 손실함수는 α를 독립변수로 가지는 1차원 함수가 되며, 기울기 강하(gradient descent) 등의 최적화 방법을 활용하여 최소의 L(α)값을 가지는 α값을 찾아낼 수 있다. 즉, IMG2에서부터 IMG1을 정확하게 빼 줄수록(α를 정확하게 유추할수록) IMG2에는 생체 분자1(도 6 (b)에서 원형 생체 분자)의 정보가 사라지게 되고, 이에 따라서 생체 분자1의 이미지만을 포함하고 있는 IMG1과의 상호 정보량이 줄어들게 된다. 이를 이용해서 IMG1과 (IMG2-αx F1) 사이의 상호정보량이 최소가 되는 α 값을 찾아낼 수 있다.Accordingly, the loss function becomes a one-dimensional function having α as an independent variable, and an optimization method such as gradient descent can be used to find the α value having the minimum L(α) value. In other words, the more accurately IMG1 is subtracted from IMG2 (the more accurately α is inferred), the information of biomolecule 1 (the original biomolecule in FIG. The amount of mutual information with IMG1 will be reduced. Using this, it is possible to find the α value that minimizes the amount of mutual information between IMG1 and (IMG2-αx F1).

기존의 블라인드 신호 분리 기법들은 주어진 형광 물질을 나누는 데에 집중했다면, 본 개시는 본 개시 특이적 형광 물질 선정 및 형광 검출 파장대 선정을 통해서 blind unmixing을 위해서 유추해야 하는 원소의 수를 극단적으로 감소시켰고, 그 후 상호정보량 최소화를 통해 이를 정확히 유추할 수 있다.If existing blind signal separation techniques focused on dividing a given fluorescent material, the present disclosure dramatically reduced the number of elements that must be inferred for blind unmixing through selection of a specific fluorescent material and fluorescence detection wavelength band selection of the present disclosure, After that, it can be accurately inferred by minimizing the amount of mutual information.

본 개시의 결과로 기존의 블라인드 신호 분리 기법으로는 단 한번도 달성하지 못했던 조직에서의 8개의 단백질을 동시에 관찰하는 결과를 얻을 수 있다. 또한, 기존의 블라인드 신호 분리 기법들은 분리하고자 하는 형광 물질의 수보다 많은 수의 이미지를 얻어야 하거나, 단백질 발현에 대한 조건 혹은 가정(예: 하나의 픽셀에는 하나의 단백질만 발현된다)을 도입해야 했으나 본 기술은 이러한 가정이나 조건이 없는 상태에서 작동하며, 분리하고자 하는 형광 물질과 같은 수의 이미지만을 필요로 한다. 본 개시에서는 10개 생체 분자의 이미지를 얻는 데에 이미지 정합을 필요로 하지 않기 때문에 다분자 삼차원 이미지를 얻는 것이 가능하다. 따라서, 이미지 정합의 난이도로 인해서 삼차원 이미지를 얻기 어려운 반복 염색 기법에 비해 큰 효과가 있다.As a result of the present disclosure, it is possible to obtain a result of simultaneously observing 8 proteins in a tissue, which has never been achieved by conventional blind signal separation techniques. In addition, existing blind signal separation techniques have to acquire more images than the number of fluorescent materials to be separated, or introduce conditions or assumptions for protein expression (eg, only one protein is expressed in one pixel). The present technology operates without these assumptions or conditions, and requires only the same number of images as the fluorescent material to be separated. In the present disclosure, since image registration is not required to obtain images of 10 biomolecules, it is possible to obtain multi-molecular three-dimensional images. Therefore, it has a great effect compared to the repeated staining technique in which it is difficult to obtain a three-dimensional image due to the difficulty of image registration.

본 개시를 적용할 수 있는 생체 분자의 범위가 다양하고, 배양 세포, 동물 조직 절편, 임상 시료에서 본 기술이 작동함을 알 수 있다. 본 개시는 다종의 항체로 표지 된 단백질 혹은 DNA로 표지 된 mRNA을 동시에 이미징 할 수 있다. 본 개시는 위에 나열된 시료의 종류, 생체 분자의 종류에 국한되지 않고, 형광 물질이 사용될 수 있는 모든 종류의 시료에서 형광 물질로 표지 가능한 모든 생체 분자를 이미징 하는 데에 사용될 수 있다.It can be seen that the scope of biomolecules to which the present disclosure can be applied is diverse, and the present technology works in cultured cells, animal tissue sections, and clinical samples. The present disclosure can simultaneously image multiple types of antibody-labeled protein or DNA-labeled mRNA. The present disclosure is not limited to the types of samples and biomolecules listed above, and can be used to image any biomolecules that can be labeled with a fluorescent material from all types of samples in which a fluorescent material can be used.

형광 현미경으로 조직 내부의 생체 분자를 관찰하기 위해서는 생체 조직 내부의 특정 생체 분자를 형광 물질로 표지하는 것이 필요하다. 일반적으로 단백질을 관찰하기 위해서는 형광 물질이 붙어 있는 항체를 사용하고, mRNA를 관찰하는 경우에는 형광 물질이 붙어 있는 oligonucleotide를 사용할 수 있다. 본 개시에서는 단백질을 관찰하기 위해서는 항체를 사용하였고, mRNA를 관찰하기 위해서는 oligonucleotide를 사용하였으나 본 개시는 형광 물질 구분에 대한 기술로, 형광 물질을 사용하는 모든 표지법 혹은 형광 물질이 붙어 있는 모든 표지 분자에 적용할 수 있다.In order to observe biomolecules inside a tissue with a fluorescence microscope, it is necessary to label specific biomolecules inside a living tissue with a fluorescent material. In general, an antibody having a fluorescent substance attached thereto is used to observe a protein, and an oligonucleotide having a fluorescent substance attached thereto can be used when observing mRNA. In the present disclosure, antibodies were used to observe proteins and oligonucleotides were used to observe mRNA, but the present disclosure is a technique for classifying fluorescent substances. can be applied

본 개시의 장치는 스펙트랄 디텍터를 갖추고 있는 점스캔 공초점 현미경(point-scanning confocal microscopy) 및 필터 방식의 회전 디스크 공초점 현미경(spinning-disk confocal microscopy)으로 구현 가능하다. 본 개시는 필터 방식의 점스캔 공초점 현미경 및 필터 방식의 형광현미경(widefield microscopy), 그리고 특장 파장대의 빛만을 선택적으로 검출할 수 있는 모든 현미경으로 구현할 수 있다.The apparatus of the present disclosure can be implemented as a point-scanning confocal microscopy equipped with a spectral detector and a filter-type spinning-disk confocal microscopy. The present disclosure may be implemented with a filter-type point-scan confocal microscope, a filter-type fluorescence microscope (widefield microscopy), and any microscope capable of selectively detecting only light in a special wavelength band.

본 개시에서는 방출 스펙트럼이 서로 겹치는 8개의 형광 물질과 두 개의 large stoke's shift 형광 물질을 사용하여 총 10개의 형광 물질을 동시에 이미징하는 데 성공하였다. 본 개시는 이 10개의 형광 물질에 국한되지 않고, 본 개시의 형광 물질 선정 전략에 부합되는 모든 형광 물질을 사용할 수 있다. 본 개시에서는 YFP 단백질의 신호와 CF488A의 형광 물질 신호 역시 성공적으로 분리하였는데 이와 같이 발광 스펙트럼이 겹치는 여러 형광 단백질들 혹은 형광 단백질과 형광 물질의 신호를 분리할 수 있다. 본 개시에서는 스펙트랄 디텍터를 사용하는 경우 10개의 형광 검출 파장대를 사용하였는데, 이 파장대뿐만 아니라 본 개시의 형광 검출 파장대 선정 전략에 부합하는 모든 파장대를 사용할 수 있다. 본 개시에서는 필터 방식 현미경을 사용하는 경우 8개의 방출 필터를 사용하였는데, 이 필터뿐만 아니라 본 개시의 형광 검출 파장대 선정 전략에 부합하는 모든 방출 필터를 사용할 수 있다. 본 개시는 스펙트랄 디텍터 혹은 방출 필터 이외에도 특정 파장대의 빛을 반사, 투과, 혹은 선택하여 검출할 수 있는 모든 장비를 사용하여 구현 가능하다. 또한, 본 개시는 다양한 광원으로 구현 가능한데, 특정 파장의 빛을 방출하는 레이저 혹은 LED 뿐만 아니라 백색 레이저, 메탈할라이드 램프, 수은 램프와 같이 넓은 파장대의 빛을 방출하고 이 중에서 특정 파장의 빛 만을 선택적으로 골라서 시료에 조사할 수 있는 모든 장치를 사용하여 구현 가능하다. In the present disclosure, a total of 10 fluorescent materials were simultaneously imaged using 8 fluorescent materials with overlapping emission spectra and two large stoke's shift fluorescent materials. The present disclosure is not limited to these 10 fluorescent materials, and any fluorescent material that meets the fluorescent material selection strategy of the present disclosure may be used. In the present disclosure, the signal of the YFP protein and the signal of the fluorescent material of CF488A were also successfully separated. As such, it is possible to separate signals of several fluorescent proteins or fluorescent proteins and fluorescent materials with overlapping emission spectra. In the present disclosure, when the spectral detector is used, 10 fluorescence detection wavelength bands are used. In addition to this wavelength band, any wavelength band that meets the fluorescence detection wavelength band selection strategy of the present disclosure may be used. In the present disclosure, when a filter-type microscope is used, eight emission filters are used, and all emission filters conforming to the fluorescence detection wavelength band selection strategy of the present disclosure as well as these filters may be used. The present disclosure can be implemented using any equipment capable of reflecting, transmitting, or selectively detecting light in a specific wavelength band in addition to the spectral detector or emission filter. In addition, the present disclosure can be implemented with various light sources, not only lasers or LEDs that emit light of a specific wavelength, but also emit light in a wide wavelength band such as a white laser, a metal halide lamp, and a mercury lamp, and only light of a specific wavelength is selectively selected among them. It can be implemented using any device that can select and irradiate a sample.

본 개시와 결합 가능한 기술들은 다양하다. 본 개시에서는 반복 염색 기술 중 하나인 t-CyCIF (Tissue-based cyclic immunofluorescence) 기술에 본 개시를 적용하여 한 염색 및 이미징 라운드에 더 많은 형광 물질을 사용할 수 있음을 보였는데, 본 개시는 형광 물질을 사용하는 모든 염색 기술에 적용할 수 있다. 또한, 본 개시에서는 본 기술에 형광 신호 증폭 기술을 도입하여 특정 형광 물질의 신호를 증폭할 수 있음을 보였는데, 본 개시에는 기존의 모든 형광 증폭 기술이 도입될 수 있다.There are various techniques that can be combined with the present disclosure. In the present disclosure, it was shown that more fluorescent materials can be used in one staining and imaging round by applying the present disclosure to t-CyCIF (Tissue-based cyclic immunofluorescence) technology, which is one of the repeated staining techniques. It can be applied to any dyeing technique used. In addition, the present disclosure shows that a signal of a specific fluorescent material can be amplified by introducing a fluorescence signal amplification technique to the present technology, but all existing fluorescence amplification techniques can be introduced in the present disclosure.

본 개시는 상호정보량 최소화를 이용한 방법 이외에, α 값을 유추하기 위한 다양한 방법이 이용 및 결합될 수 있다. 그 예 중 첫번째는 형광 물질 측정을 통한 α 측정법으로, 사용하는 형광 물질을 용액으로 만들고, 실제 시료를 이미징하는 현미경과 동일한 현미경에서 이 형광 물질 용액의 밝기를 측정하고 이 측정값을 바탕으로 α 값을 계산하여 IMG1과 IMG2를 분리한다. 두번째 예로는 Gram-Schmidt Orthogonalization을 통한 분리 방법으로, IMG1과 IMG2를 Gram-Schmidt Orthogonalization 하여 IMG2를 IMG1(=F1)에 수직한 성분과 수평한 성분으로 나눌 수 있다.In the present disclosure, in addition to the method using the mutual information amount minimization, various methods for inferring the α value may be used and combined. The first of these examples is the α measurement method through the measurement of a fluorescence substance. The fluorescence substance used is made into a solution, the brightness of the fluorescence substance solution is measured under the same microscope as the microscope for imaging the actual sample, and the α value is based on the measurement value. is calculated to separate IMG1 and IMG2. The second example is the separation method through Gram-Schmidt Orthogonalization. By Gram-Schmidt Orthogonalization of IMG1 and IMG2, IMG2 can be divided into components perpendicular to IMG1 (=F1) and horizontal components.

다음에서, 본 개시(PICASSO: Process of ultra-multiplexed Imaging of biomoleCules viA the unmixing of the Signals of Spectrally Overlapping fluorophores) 에 대해 설명한다.In the following, the present disclosure (PICASSO: Process of ultra-multiplexed Imaging of biomoleCules viA the unmixing of the Signals of Spectrally Overlapping fluorophores) will be described.

다분자 형광 이미징(multiplexed fluorescent imaging)은 다양한 생체 분자들이 세포 혹은 조직 내에서 어떻게 공간적으로 분포되어 있는지 알아내기 위해 필수적인 기술이다. 하지만 형광 물질들의 방출 스펙트럼 겹침으로 인해 한번에 최대 4개의 생체 분자만을 동시 사용할 수 있다. 본 개시에서는 이러한 문제를 해결할 수 있는 기술인 Process of ultra-multiplexed Imaging of biomoleCules viA the unmixing of the Signals of Spectrally Overlapping fluorophores (PICASSO)를 제시한다. 이 기술은 기존의 Spectral unmixing 기술과는 달리 형광 물질의 스펙트럼 정보를 미리 알아야 하거나 미리 측정해야 하는 번거로움 없이 4개 이상의 형광 물질을 동시에 사용할 수 있게 해준다. 본 개시는 한번의 이미징으로 쥐 뇌 속 10종류의 생체 분자들을 동시에 관찰할 수 있다. 또한, 본 개시는 임상 시료(FFPE; formalin-fixed paraffin-embedded)에도 성공적으로 적용 가능하다. 나아가 다른 다분자 이미징 기술(tissue-based cyclic immunofluorescence, t-CyCIF)과도 쉽게 적용이 가능하여 더 높은 다분자 이미징 능력을 갖출 수 있다.Multiplexed fluorescent imaging is an essential technique to find out how various biomolecules are spatially distributed in cells or tissues. However, due to overlapping emission spectra of fluorescent materials, only up to four biomolecules can be used simultaneously. The present disclosure provides a technology that can solve this problem, Process of ultra-multiplexed Imaging of biomoleCules viA the unmixing of the Signals of Spectrally Overlapping fluorophores (PICASSO). Unlike the existing spectral unmixing technology, this technology enables the simultaneous use of four or more fluorescent substances without the need to know or measure the spectral information of the fluorescent material in advance. According to the present disclosure, 10 types of biomolecules in the rat brain can be observed simultaneously with one imaging. In addition, the present disclosure can be successfully applied to a clinical sample (FFPE; formalin-fixed paraffin-embedded). Furthermore, it can be easily applied with other multi-molecular imaging technologies (tissue-based cyclic immunofluorescence, t-CyCIF), thereby providing higher multi-molecular imaging capabilities.

본 개시는 형광 물질의 선정, 검출 파장대, 신호 분리 알고리즘을 새롭게 설계하여 한 번의 표지 및 이미징으로 10개의 형광 이미징을 동시에 사용할 수 있다. 본 개시는 형광 물질의 방출 스펙트럼 없이 이미지를 분리하는 블라인드 분리 기술인데, 이 기술에서는 4쌍의 형광 물질을 사용하는데 각 쌍은 방출 스펙트럼이 겹치는 2개의 형광 물질로 구성된다. 각 쌍의 형광 물질은 하나의 여기 레이저(excitation)에 의해서만 강하게 여기된다. 각 쌍마다 검출 파장대가 다른 2개의 이미지가 얻어지며, 두 이미지는 상호정보량 최소화(mutual information minimization)를 통해 형광 물질 방출 스펙트럼 정보 없이 분리된다. 이 신호 분리를 각 형광 물질 쌍마다 반복한다. 본 개시는 기존 다분자 형광 이미징 기술들에 비해 크게 4가지의 장점이 있다.In the present disclosure, by newly designing a fluorescent material selection, detection wavelength band, and signal separation algorithm, 10 fluorescent imaging can be used simultaneously with one labeling and imaging. The present disclosure is a blind separation technique that separates images without the emission spectrum of a fluorescent material. In this technology, 4 pairs of fluorescent materials are used, and each pair is composed of two fluorescent materials with overlapping emission spectra. Each pair of fluorescent materials is strongly excited by only one excitation laser. Two images with different detection wavelength bands are obtained for each pair, and the two images are separated without information on the emission spectrum of a fluorescent substance through mutual information minimization. This signal separation is repeated for each fluorophore pair. The present disclosure has four major advantages over existing multimolecular fluorescence imaging techniques.

첫째로, 본 개시는 형광 물질의 수와 얻어야 하는 이미지의 수가 같아 이미지 획득 속도가 빠르다. 둘째, 본 개시는 스펙트랄 디텍터를 필요로 하지 않는다. 셋째, 본 개시는 신호 분리가 각 형광 물질 쌍에 대해 독립적으로 일어나기 때문에 신호 분리 상 오류가 다른 형광 쌍으로 전파되지 않는다. 마지막으로, 본 개시는 수백만의 픽셀로부터 하나의 원소만을 유추하기 때문에 그 정확도가 기존의 블라인드 분리 기술에 비해서 훨씬 더 높다.First, in the present disclosure, the image acquisition speed is fast because the number of fluorescent materials and the number of images to be acquired are equal. Second, the present disclosure does not require a spectral detector. Third, in the present disclosure, since signal separation occurs independently for each fluorophore pair, signal separation phase errors do not propagate to other fluorescence pairs. Finally, since the present disclosure infers only one element from millions of pixels, its accuracy is much higher than that of conventional blind separation techniques.

본 개시는 배양 세포, 쥐 조직 절편, 임상 시료 등 다양한 샘플에서 적용 가능하며, 동일 호스트에서 생산된 여러 일차 항체를 사용할 수 있게 해주는 항체 복합체 기술(preformed antibody complexes)을 이용하여 스펙트랄 디텍터 없이 토끼 유래 항체만을 사용하여 10개의 단백질을 관찰하는 것이 가능하다. 또한 반복 표지 다분자 이미징 기법들과 결합을 통해 한 번의 표지 및 이미징에서 사용할 수 있는 형광 물질의 수를 증가시킴으로써 기존의 반복 표지 다분자 이미징 기법을 개량할 수 있다.The present disclosure is applicable to a variety of samples such as cultured cells, mouse tissue sections, and clinical samples, and uses preformed antibody complexes that allow multiple primary antibodies produced in the same host to be used without a spectral detector. It is possible to observe 10 proteins using only antibodies. In addition, it is possible to improve the existing repeat-label multi-molecular imaging technique by increasing the number of fluorescent substances that can be used in one labeling and imaging through combination with repeat-label multi-molecular imaging techniques.

도 7은 일 실시예에 따른 여러 레이저별 분자 다중 이미징의 예와 이에 대한 검증, 그리고 신호증폭 기술과 결합한 결과이다. 7 is an example of multiple molecular imaging for each laser according to an embodiment, verification thereof, and a result combined with signal amplification technology.

도 7을 참고하면, (a-d)는 사용되는 각 여기 레이저마다의 형광 물질 방출 스펙트럼(실선) 및 검출 파장대(점선 사각형)이다. (a) CF488A(빨간 실선), ATTO 514(초록 실선) 및 ATTO 490LS(large stoke's shift, 파란 실선)는 488-nm 레이저로 여기 된다. 이미지는 489-505nm(빨간 점선 사각형), 506~530nm(초록 점선 사각형) 및 630~680nm(파란 점선 사각형)의 3개의 검출 파장대에서 연속적으로 얻어낸다. (b) 405-nm 여기 레이저를 사용하여 CF405S(빨간 실선), ATTO 390(초록 실선) 및 CF405L(large stoke's shift, 파란 실선)를 여기 시킨다. 각 검출 파장대는 406~430nm(빨간 점선 사각형), 431~460nm(녹색 점선 사각형), 580~620nm(파란 점선 사각형)이다. (c) 두 형광 물질인 CF568(적색 실선) 및 ATTO Rho101(녹색 실선)는 557-nm 레이저로 여기 시킨다. 검출 파장대는 각각 558~575nm(빨간 점선 사각형) 및 576~620nm(초록 점선 사각형)이다. (d) 두 형광 물질인 CF633(빨간 실선)과 CF660R(초록 실선)는 640-nm 레이저로 여기 된다. 검출 파장대는 641~650nm(빨간 점선 사각형) 및 651~690nm(초록 점선 사각형)이다.Referring to FIG. 7 , (a-d) is a fluorescent material emission spectrum (solid line) and detection wavelength band (dashed square) for each excitation laser used. (a) CF488A (solid red line), ATTO 514 (green solid line) and ATTO 490LS (large stoke's shift, blue solid line) are excited with a 488-nm laser. Images are successively acquired in three detection wavelength bands: 489-505 nm (red dotted square), 506-530 nm (green dotted square), and 630-680 nm (blue dotted square). (b) Excitation of CF405S (solid red line), ATTO 390 (green line) and CF405L (large stoke's shift, blue solid line) using a 405-nm excitation laser. Each detection wavelength band is 406 to 430 nm (red dotted square), 431 to 460 nm (green dotted square), and 580 to 620 nm (blue dotted square). (c) Two fluorescent materials, CF568 (solid red line) and ATTO Rho101 (solid green line), were excited with a 557-nm laser. The detection wavelength bands are 558 to 575 nm (red dotted square) and 576 to 620 nm (green dotted square), respectively. (d) Two fluorescent materials, CF633 (solid red line) and CF660R (solid green line), are excited with a 640-nm laser. The detection wavelength bands are 641 to 650 nm (red dotted rectangle) and 651 to 690 nm (green dotted rectangle).

(e-h) a-d에 기재된 형광 물질과 그에 맞는 검출 파장대를 사용하여 HeLa 세포에서 2개 또는 3개의 다분자 면역 형광 이미징을 진행한 후, 상호정보량 최소화를 통하여 신호 분리한 이미지. 표적 단백질은 lamin A/C(빨간색), GM130(초록색) 및 vimentin(파란색)이다. (e) a에 나타낸 형광 물질, 검출 파장대 및 여기 레이저가 사용되었다. (f) b에 나타낸 조건을 사용하였다. (g) c에 나타낸 조건이 사용되었다. (h) d에 나타낸 조건이 사용되었다.(e-h) Images of two or three multimolecular immunofluorescence imaging in HeLa cells using the fluorescent material described in a-d and the corresponding detection wavelength band, and signal separation by minimizing the amount of mutual information. The target proteins are lamin A/C (red), GM130 (green) and vimentin (blue). (e) The fluorescent material shown in a, the detection wavelength band, and the excitation laser were used. (f) The conditions shown in b were used. (g) The conditions shown in c were used. (h) The conditions shown in d were used.

(i-l) e에서 보여준 이미지를 상호정보량 최소화에 의한 신호 분리 전·후에 따른 각 채널 별 이미지이다. (i) a에서 첫 번째 검출 파장대(빨간 점선)에서 얻어낸 이미지. Lamin A/C만이 관찰된다. (j) a에서 두 번째 검출 파장대(초록 점선)에서 얻어낸 이미지. Lamin A/C와 GM130 모두 관찰된다. (k) 신호 분리 후 이미지. i에 표시된 이미지에 상호정보량 최소화 의해 추정한 α 값을 곱한 후, j에 표시된 이미지에서 빼냈다. GM130 만을 나타낸다. (l) 세 번째 검출 파장대에서 얻은 이미지(a 파란 점선)이고, i, k 및 l에 표시된 이미지를 합쳐 e에 표시된 이미지를 생성했다.(i-1) The image shown in e is an image for each channel before and after signal separation by minimizing the amount of mutual information. (i) An image obtained in the first detection wavelength band (red dotted line) in a. Only Lamin A/C is observed. (j) Images obtained in the second detection wavelength band (green dotted line) in a. Both Lamin A/C and GM130 are observed. (k) Images after signal separation. After multiplying the image shown in i by the α value estimated by minimizing the amount of mutual information, it was subtracted from the image shown in j. Only GM130 is shown. (l) An image obtained in the third detection wavelength band (a blue dotted line), and the images shown in i, k, and l were combined to generate the image shown in e.

(m-p) 상호정보량 최소화 의한 α 추정의 검증 결과이다. (m) PV 단백질에 대한 면역 형광 이미지이고, (n) Calbindin 단백질에 대한 면역 형광 이미지. (o) α 값이 2가 되게 m과 n을 인위적으로 합친 이미지이다. 이 이미지에는 PV와 calbindin이 모두 보인다. (p) 상호정보량 최소화 의한 신호 분리를 m의 이미지와 인위적으로 만들어낸 o의 이미지에 적용하여, o 이미지에서부터 calbindin의 신호만을 분리해낸 결과이다. (q-t) 형광 물질에 대한 항체(anti-fluorophore antibody)를 사용한 선택적 신호 증폭을 설명하는 도면이다. (q) 신호를 선택적으로 증폭시키는 메커니즘을 나타내는 모식도이다. 배양 세포에서 GM130은 Alexa 488, Lamin A/C는 ATTO 514를 사용하여 표지하였다. GM130 신호는 항 Alexa 488에 대한 항체(anti alexa488 antibody)를 사용하여 선택적으로 증폭시켰다.(m-p) This is the verification result of α estimation by minimizing the amount of mutual information. (m) Immunofluorescence image for PV protein, and (n) Immunofluorescence image for Calbindin protein. (o) An image of artificially merging m and n so that the α value becomes 2. Both PV and calbindin are visible in this image. (p) This is the result of separating only the calbindin signal from the o image by applying signal separation by minimizing the amount of mutual information to the image of m and the artificially created image of o. (q-t) A diagram illustrating selective signal amplification using an anti-fluorophore antibody against a fluorescent substance. (q) A schematic diagram showing a mechanism for selectively amplifying a signal. In cultured cells, GM130 was labeled using Alexa 488 and Lamin A/C using ATTO 514. The GM130 signal was selectively amplified using an anti-Alexa488 antibody.

(r-s) 신호 증폭의 전 (r)과 후 (s)에서의 첫 번째 검출 파장대에서 얻은 형광 이미지이다. r 및 s는 같은 이미징 및 시각화 조건을 사용하였고, s에서의 신호는 신호 밝기의 포화를 방지하기 위해 조정하였다. 초록색: GM130(Alexa 488); 파란색: DAPI 를 나타낸다. Lamin A/C 신호는 시각화 하지 않았다. (t) 신호 증폭 전·후의 GM130(Alexa 488)의 신호 밝기의 변화(n = 10, 오류 바: 표준편차)이다.(r-s) Fluorescence images obtained in the first detection wavelength band before (r) and after (s) signal amplification. The same imaging and visualization conditions were used for r and s, and the signal at s was adjusted to prevent saturation of the signal brightness. Green: GM130 (Alexa 488); Blue: Indicates DAPI. Lamin A/C signals were not visualized. (t) Changes in signal brightness (n = 10, error bars: standard deviation) of GM130 (Alexa 488) before and after signal amplification.

먼저 4개의 표준 여기 레이저를 사용하여 상호정보량 최소화를 통한 신호 분리의 타당성을 검증했다. (a-d)에서 볼 수 있는 것과 같이 4개의 여기 레이저(405, 488, 560, 640nm) 별 검출 파장대를 선정하였다. 신호 분리의 검증에는 타겟 단백질로 세포 내부에 공간적으로 분리되어 있다고 알려진 두 단백질인 Lamin A/C와 GM130을 사용하였다. 간접 면역 염색법으로 Lamin A/C와 GM130을 각각 방출 파장대가 겹치는 형광 물질로 표지한 후, (a-d)에 나온 검출 파장대에서 두 이미지를 얻었다. 그 후 상호정보량 최소화를 통해 두 이미지를 Lamin A/C 신호만 포함하고 있는 이미지와 GM130 신호만을 포함하고 있는 이미지로 분리하였다. 405nm와 488nm 레이저에 대해서는 large stoke's shift 형광 물질로 vimentin을 염색하고 이 형광 물질만 선택적으로 검출할 수 있는 검출 파장대를 추가적으로 사용하여 이미지를 얻었다.First, we verified the validity of signal separation by minimizing the amount of mutual information using four standard excitation lasers. As shown in (a-d), the detection wavelength bands for each of the four excitation lasers (405, 488, 560, 640 nm) were selected. To verify the signal separation, two proteins known to be spatially separated inside the cell, Lamin A/C and GM130, were used as target proteins. After labeling Lamin A/C and GM130 with a fluorescent material overlapping each of the emission wavelength bands by indirect immunostaining, two images were obtained in the detection wavelength band shown in (a-d). After that, by minimizing the amount of mutual information, the two images were separated into an image containing only the Lamin A/C signal and an image containing only the GM130 signal. For 405 nm and 488 nm lasers, vimentin was stained with a large stoke's shift fluorescence substance, and images were obtained by additionally using a detection wavelength band that can selectively detect only this fluorescence substance.

(e-h)에서 볼 수 있는 것과 같이 4개의 여기 레이저에서 모두 Lamin A/C와 GM130이 성공적으로 분리되어 이미징 된 것을 알 수 있다.As shown in (e-h), it can be seen that Lamin A/C and GM130 were successfully separated and imaged in all four excitation lasers.

(i-l)은 이러한 분리 과정을 나타낸 것으로, 분리 전 이미지(j)와 분리 후 이미지(k)를 비교해보면 분리 전 이미지에서 핵막 이미지가 성공적으로 분리되어 제거된 것을 알 수 있다.(i-1) shows this separation process. Comparing the image before separation (j) and the image after separation (k), it can be seen that the nuclear membrane image was successfully separated and removed from the image before separation.

(e-h)의 이미지들은 Gram-Schmidt 직교화를 이용한 분리법으로도 성공적으로 분리할 수 있었다(도 20 참조). 또한, 위의 상호정보량 최소화를 이용한 분리법이 직접 면역 염색법(direct staining)으로 표지 한 두 단백질의 분리에서도 작동함을 보였다.The images in (e-h) were also successfully separated by a separation method using Gram-Schmidt orthogonalization (see Fig. 20). In addition, it was shown that the above separation method using the minimization of the amount of mutual information works even in the separation of two proteins labeled by direct staining.

상호정보량 최소화가 α 값을 정확하게 유추하는지 검증하기 위하여 한 곳에서 독립적으로 얻은 두 이미지를 인위적인 α 값을 이용하여 합친 후, 다시 상호정보량 최소화로 분리한 후 원본 이미지와 분리 후 이미지를 비교해보았다(m-p). 원본 이미지(n)와 분리 후 이미지(p)를 비교해보면 두 이미지 사이에 차이가 없을 것을 알 수 있다. 이미지를 합치는 데에 사용한 α값과 상호정보량 최소화를 통해 유추한 α값은 0.5%의 차이만을 보였다. 추가적으로 α 값을 0부터 3까지 0.001씩 증가시키며 합성 이미지를 생성함으로써 α 추정 정확도를 테스트했다. α 추정 평균 오차는 0.81 %였다. 그 다음으로는 첫 번째 검출 파장대에서 두 번째 형광 물질의 신호가 검출되지 않는다는 본 개시의 기본 가정을 검증했다. 먼저 (a-d)의 방출 스펙트럼으로부터 첫번째 검출 파장대에서 두 형광 물질 간의 형광 신호 밝기 비를 계산하였다. 그 비율은 405-nm 레이저에서 178.7, 488-nm 레이저에서 26.4, 557-nm 레이저에서는 8.5, 640-nm 레이저에서는 17.7이었다. 557-nm 레이저에서 형광 물질의 신호 밝기 비가 가장 낮았지만, 실제로 이 두 형광 물질로 면역 염색을 하여 첫번째 검출 파장대에서 이미지를 얻은 경우, 두번째 형광 물질의 신호는 보이지 않았다. 그 이유로는 557nm 레이저에서 사용한 두 형광 물질 CF568과 ATTO Rho101 중, 두번째 형광 물질인 ATTO Rho101의 557nm에서의 흡광 계수(absorption coefficient)가 CF568에 비해서 낮기 때문으로 생각된다. 이 가정이 다른 현미경에서도 유효한지 확인하기 위해, 위 두 형광 물질 용액의 형광 신호 밝기를 다른 현미경 시스템에서 측정하였다. 그 결과 첫번째 검출 파장대에서의 두 형광 물질의 신호 밝기 비는 28.4였다. 이러한 신호 밝기 비율은 신호 증폭을 통하여 더욱 높일 수 있다. 본 연구진은 방출 스펙트럼이 겹치는 두 개의 형광 물질 중 첫 번째 형광 물질의 신호만을 5 배 이상 향상시켜, 첫 번째 검출 파장대에서의 신호 세기 비를 100:1 이상으로 향상시킬 수 있음을 보였다(q-t). In order to verify that the mutual information minimization accurately infers the α value, two images obtained independently from one place were merged using an artificial α value, then separated again by the mutual information minimization, and the original image and the separated image were compared (mp ). Comparing the original image (n) with the image after separation (p), it can be seen that there is no difference between the two images. The α value used for merging the images and the α value inferred by minimizing the amount of mutual information showed only a difference of 0.5%. Additionally, we tested the accuracy of α estimation by generating composite images with α values ranging from 0 to 3 in increments of 0.001. The mean error of α estimation was 0.81%. Next, the basic assumption of the present disclosure that the signal of the second fluorescent material is not detected in the first detection wavelength band was verified. First, the fluorescence signal brightness ratio between the two fluorescent materials in the first detection wavelength band was calculated from the emission spectrum of (a-d). The ratios were 178.7 for the 405-nm laser, 26.4 for the 488-nm laser, 8.5 for the 557-nm laser, and 17.7 for the 640-nm laser. In the 557-nm laser, the signal brightness ratio of the fluorescent material was the lowest, but in fact, when an image was obtained in the first detection wavelength band by immunostaining with these two fluorescent materials, the signal of the second fluorescent material was not seen. The reason is thought to be that among the two fluorescent materials CF568 and ATTO Rho101 used in the 557 nm laser, the absorption coefficient at 557 nm of ATTO Rho101, the second fluorescent material, is lower than that of CF568. To confirm that this assumption is valid for other microscopes, the fluorescence signal brightness of the above two fluorescence material solutions was measured in different microscope systems. As a result, the signal brightness ratio of the two fluorescent materials in the first detection wavelength band was 28.4. This signal brightness ratio can be further increased through signal amplification. Our research team showed that the signal intensity ratio in the first detection wavelength band could be improved to more than 100:1 by enhancing the signal of only the first fluorescent material among the two fluorescent materials with overlapping emission spectra (q-t).

도 8은 일 실시예에 따른 동일 호스트에서 생산된 항체를 이용한 결과이다. 8 is a result using the antibody produced in the same host according to an embodiment.

도 8을 참고하면, 동일한 호스트에서 생산된 일차 항체를 사용한 다분자 형광 이미징 및 상호정보량 최소화에 의한 신호 분리 결과이다.Referring to FIG. 8 , it is a signal separation result by multimolecular fluorescence imaging using a primary antibody produced in the same host and minimizing the amount of mutual information.

(a-d)는 사전에 형성된 항체 복합체를 이용한 면역 염색에 대한 검증이다. (a) 검증 실험에 대한 모식도. 해마를 포함한 쥐의 뇌 절편을 사전에 형성된 MAP2를 표지하는 토끼 항체 복합체 및 MAP2를 표지하는 닭 항체로 염색되었다.(a-d) is the verification of the immunostaining using the previously formed antibody complex. (a) Schematic diagram of the validation experiment. A mouse brain section including the hippocampus was stained with a preformed MAP2-labeled rabbit antibody complex and MAP2-labeled chicken antibody.

(b-d) 뇌 절편 샘플의 공초점 현미경 이미지이다. (b) MAP2를 표지하는 사전에 형성된 토끼 항체 복합체의 신호이고, (c) MAP2를 표지하는 닭 항체의 신호이고, (d) b와 c 이미지를 합친 이미지이다.(b-d) Confocal microscopy images of brain slice samples. (b) the signal of the rabbit antibody complex formed in advance for labeling MAP2, (c) the signal of the chicken antibody labeling MAP2, and (d) the combined image of b and c.

(e-h) 여러 개의 사전 형성된 항체 복합체를 이용했을 때의 면역 염색에 대한 검증이다. (e) 검증 실험에 대한 모식도. Thy1-YFP 마우스 뇌 절편을 YFP 및 calbindin에 대한 2 개의 사전에 형성된 토끼 항체 복합체로 염색했다. Calbindin을 표지하는 사전에 형성된 항체 복합체만이 형광 물질을 가지고 있다. (f-h) 해당 샘플에 대한 공초점 현미경 이미지이고, (f) 샘플의 YFP 신호, (g) Calbindin를 표지하는 사전에 형성된 항체 복합체의 신호, (h) f 및 g 이미지를 합친 이미지이다.(e-h) Validation of immunostaining using several preformed antibody complexes. (e) Schematic diagram of the validation experiment. Thy1-YFP mouse brain sections were stained with two preformed rabbit antibody complexes against YFP and calbindin. Only the preformed antibody complex that labels Calbindin has a fluorescent substance. (f-h) is a confocal microscope image of the sample, (f) the YFP signal of the sample, (g) the signal of the preformed antibody complex labeling Calbindin, and (h) f and g images are combined images.

(i-l) 방출 스펙트럼이 겹치는 형광 물질을 가진 항체 복합체에 의한 다중 면역 염색에 대한 신호 분리 결과이다. BS-C-1 세포를 Lamin B1 및 GM130에 대한 2 개의 사전에 형성된 토끼 항체 복합체로 염색했다. 두 개의 항체 복합체는 CF633 또는 Alexa 680 중 하나의 형광 물질만을 가진다. 640-nm 레이저 하에서 2 개의 검출 파장대에서 2 개의 이미지를 얻어 이를 상호정보량 최소화를 통해 분리했다. (i) 첫 번째 검출 파장대로부터 얻어낸 이미지이고, Lamin B1만이 관찰된다. (j) 두 번째 검출 파장대로부터 얻어낸 Lamin B1과 GM130 모두 관찰되는 이미지이고, (k) 상호정보량 최소화 의한 신호 분리의 결과이고, (l) i와 k 를 합친 이미지이다.(i-1) Signal separation results for multiplex immunostaining by antibody complexes with fluorescent substances with overlapping emission spectra. BS-C-1 cells were stained with two preformed rabbit antibody complexes against Lamin B1 and GM130. The two antibody complexes have only one fluorescent substance, either CF633 or Alexa 680. Two images were obtained in two detection wavelength bands under a 640-nm laser and separated by minimizing the amount of mutual information. (i) An image obtained from the first detection wavelength band, and only Lamin B1 is observed. (j) Both Lamin B1 and GM130 images obtained from the second detection wavelength band are observed, (k) the result of signal separation by minimizing the amount of mutual information, and (l) the combined image of i and k.

(m-n) 본 개시를 이용하여 1개의 여기 레이저로 mRNA 및 단백질 동시 이미징 결과이다. GAPDH mRNA는 Alexa 488로 표지하고 vimentin 단백질은 ATTO 514으로 표지했다. (m) 이미지 분리 전(빨간색: vimentin; 노란색: GAPDH mRNA)이고, (n) 이미지 분리 후(빨간색: vimentin; 초록색: GAPDH mRNA)이다.(m-n) Simultaneous imaging of mRNA and protein with one excitation laser using the present disclosure. GAPDH mRNA was labeled with Alexa 488 and vimentin protein was labeled with ATTO 514. (m) before image separation (red: vimentin; yellow: GAPDH mRNA), and (n) after image separation (red: vimentin; green: GAPDH mRNA).

(o-p) 2 개의 여기 레이저로 뇌 투명화 기술인 SHIELD 기법이 적용된 쥐 뇌 절편의 4 색의 다분자 형광 이미징 결과이다. (o) 이미지 분리 전(파란색: NeuN 및 NF-H; 빨간색: GFAP 및 Calretinin)이고, (p) 이미지 분리 후(파란색: NeuN; 초록색: GFAP; 빨간색: calretinin; 자주색: NF-H)이다.(o-p) Four-color multi-molecular fluorescence imaging results of a rat brain section to which the SHIELD technique, a brain clearing technique, was applied with two excitation lasers. (o) before image separation (blue: NeuN and NF-H; red: GFAP and Calretinin) and (p) after image separation (blue: NeuN; green: GFAP; red: calretinin; purple: NF-H).

다음으로 본 개시와 항체 복합체 기술을 결합하여 동일 호스트에서 생산된 항체로 여러 단백질을 동시에 관찰하는 것이 가능한지 확인하였다. 기존의 간접 면역 염색법에서는 각 단백질을 서로 다른 호스트에서 생산된 일차 항체로 표지하여야 했다. 하지만 대부분의 항체가 토끼를 포함한 3,4가지 호스트에서 생산되기 때문에 10개 이상의 단백질을 동시에 관찰하기 위해서는 동일 호스트에서 생산된 항체를 사용하는 것이 필요하다. 이에 본 연구진은 기존에 개발된 항체 복합체 기술에 본 개시를 결합하였다. 이 기술은 서로 다른 일차 항체를 각각 다른 형광 물질이 붙어 있는 Fab fragment 이차 항체와 튜브에서 각각 결합시킴으로써, 동일한 호스트에서 생산된 여러 일차 항체를 사용할 수 있게 해준다. (a-d)에서 볼 수 있는 것과 같이, 토끼 항체 복합체는 닭 항체를 사용한 일반적인 직접 면역 염색과 동일한 단백질 발현 패턴을 보였다. 또한, (f-h)에서 보는 것과 같이 항체 복합체 기술로 여러 단백질을 동시 이미징하는 경우에 항체 복합체 간의 상호작용(crosstalk)이 나타나지 않았다. 또한 토끼가 아닌 닭 항체 복합체를 통한 염색에서도 항체 복합체 기술이 잘 작동하는 것을 확인했다. 우리는 토끼 항체 복합체 기술을 46가지 단백질을 염색하여 그 발현 패턴이 알려진 패턴과 다르지 않다는 것을 확인했다. 또한, 항체 복합체의 크기가 1차, 2차 항체보다 큼에도 불구하고 간접 염색법과 비해서 비슷한 두께의 조직을 염색할 수 있을 것을 확인했다.Next, by combining the present disclosure and antibody complex technology, it was confirmed whether it is possible to simultaneously observe several proteins with an antibody produced in the same host. In the conventional indirect immunostaining method, each protein had to be labeled with a primary antibody produced in a different host. However, since most antibodies are produced in 3 or 4 hosts including rabbits, it is necessary to use antibodies produced in the same host to simultaneously observe 10 or more proteins. Therefore, the present research team combined the present disclosure with the previously developed antibody complex technology. This technology enables the use of multiple primary antibodies produced in the same host by combining different primary antibodies with each Fab fragment secondary antibody attached to each other in a tube. As can be seen in (a-d), the rabbit antibody complex showed the same protein expression pattern as that of normal direct immunostaining using chicken antibody. In addition, as shown in (f-h), crosstalk between the antibody complexes did not appear when multiple proteins were imaged simultaneously using the antibody complex technique. In addition, it was confirmed that the antibody complex technology works well even in staining with chicken antibody complexes rather than rabbits. We stained 46 proteins using rabbit antibody complex technology, and confirmed that their expression patterns did not differ from known patterns. In addition, it was confirmed that, despite the size of the antibody complex being larger than that of the primary and secondary antibodies, it was possible to stain tissues with a similar thickness compared to the indirect staining method.

(i-l)에서 보는 것과 같이, 항체 복합체 기술과 본 개시를 결합하여 세포 내부의 두 단백질을 토끼에서 생산된 두 항체와 방출 스펙트럼이 겹치는 두 형광 물질로 이미징 및 분리하는 것이 가능했다. 그리고 이렇게 얻은 이미지가 간접 면역 염색법으로 얻은 신호가 일치함을 보였다. 본 개시는 형광 물질에 대한 기술로, 형광 물질을 사용하는 모든 기술에 적용 가능하다. 이 기술로 단백질과 mRNA를 방출 스펙트럼이 겹치는 두 형광 물질로 표지한 후, 그 신호를 분리할 수 있음을 보였다(m,n). 또한, 본 개시를 조직 투명화 기술(o,p)과 조직 팽창을 통한 초고해상도 이미징 기술에 적용하여 두 기술의 다분자 이미징 능력을 향상시킬 수 있음을 보였다.As shown in (i-1), by combining the antibody complex technology with the present disclosure, it was possible to image and separate the two proteins inside the cell into two antibodies produced in rabbits and two fluorescent substances with overlapping emission spectra. And the images thus obtained showed that the signals obtained by indirect immunostaining were consistent. The present disclosure relates to a technology for a fluorescent material, and is applicable to any technology using a fluorescent material. It was shown that this technique can separate proteins and mRNAs after labeling them with two fluorescent substances with overlapping emission spectra (m,n). In addition, it was shown that the multi-molecular imaging capability of the two techniques can be improved by applying the present disclosure to the tissue clearing technique (o,p) and the ultra-high-resolution imaging technique through tissue expansion.

도 9는 일 실시예에 따른 10개 단백질 동시 이미징 결과이다.9 is a result of simultaneous imaging of 10 proteins according to an embodiment.

도 9를 참고하면, 본 개시를 통한 쥐 뇌의 초-다분자 형광 이미징 결과이다.Referring to FIG. 9 , it is a result of ultra-multi-molecular fluorescence imaging of a rat brain according to the present disclosure.

(a) 10가지 단백질의 다분자 형광 이미징 실험 과정이고, (b) 쥐 해마의 치상회에서의 8가지 단백질 다분자 이미징이고, (c) b 하단의 점선으로 둘러싸인 영역의 확대도이고, (d) 일반적인 혈액-뇌 관문(blood-brain barrier, BBB)의 구조이다.(a) multi-molecular fluorescence imaging of 10 proteins, (b) multi-molecular imaging of 8 proteins in the dentate gyrus of the mouse hippocampus, (c) b is an enlarged view of the area surrounded by dotted lines at the bottom, (d) ) is the structure of a general blood-brain barrier (BBB).

(e-h) (b)에서 관찰된 혈액-뇌 관문의 세포 구조를 명확하게 보여주기 위해 b 상단의 점선 박스 영역의 확대도이다.(e-h) An enlarged view of the dotted box area at the top of b to clearly show the cellular structure of the blood-brain barrier observed in (b).

(i-n) c의 점선으로 둘러싸인 영역의 단백질 별 확대도이다.(i-n) is an enlarged view of each protein in the region enclosed by the dotted line in c.

(o) 쥐 해마에서의 10 색의 다분자 형광 이미징이다.(o) 10-color multimolecular fluorescence imaging in the rat hippocampus.

(p-t) o의 사각형 점선으로 둘러싸인 영역의 확대도이다. (p) 10 종류의 단백질을 한꺼번에 나타낸 그림이고, (q-t) 단일의 여기 레이저마다 신호 분리를 한 후, 3색 또는 2색의 다분자 형광 이미지이며, (u) 각 여기 레이저에서 얻은 10 종류의 표적 단백질을 서로 다른 색으로 표시한 목록이다.(p-t) is an enlarged view of the area surrounded by the dotted rectangle of o. (p) A diagram showing 10 types of proteins at once, (qt) Multi-molecular fluorescence images of 3 or 2 colors after signal separation for each single excitation laser, (u) 10 types of proteins obtained from each excitation laser A list of target proteins in different colors.

본 개시를 이용하여 조직 내부의 다수의 단백질을 동시에 이미징 하였다. 먼저 8개 단백질의 이미징을 시도하였는데, 쥐 뇌 절편을 8개의 토끼 항체 복합체로 동시에 염색했다. 염색된 쥐의 뇌 절편을 4개의 여기 레이저로 각각 여기시키면서 8개의 검출 파장대에서 이미징 하였다(a). 표적 단백질은 PV, calbindin, NeuN, GFAP, GluT, ZNF3, laminin 및 calretinin이다(b). 이를 통해서 쥐 뇌 해마에서 기존에 알려져 있던 혈액-뇌 관문(BBB; b의 상단 흰 상자)의 구조를 확인했고, 또한 기존에 알려지지 않았던 세포별 단백질 발현 다양성(b의 하단 흰 상자, 확대는 c)을 확인할 수 있었다. (d)에서 볼 수 있듯이, 일반적으로 BBB는 안쪽에서부터 내피 세포(endothelial cell), 기저막(basal lamina), 성상 세포(astrocyte)의 말단으로 이루어져 있다. (e-h)에서 볼 수 있듯이, 8-color 이미징은 이러한 BBB의 세포 구조를 명확하게 보여주었다. 이에 더해서, (c)에서 볼 수 있듯이 8-color 이미징은 기존에 알려져 있지 않았던 시상(thalamus)에서의 세포간 단백질 발현의 다양성을 보여주었다. 먼저 본 연구진은 8종의 단백질 중, 시상에서 강하게 관찰된 5개 단백질(calbindin, calretinin, ZNF3, NeuN 및 PV)의 발현 패턴을 각 단백질의 발현 패턴에 대한 문헌과 비교하였고, 일치하는 것을 확인했다. 그리고 이 5개 단백질의 발현의 조합이 세포별로 어떻게 다른지 연구하였다. (c)의 흰 상자 안의 두 세포의 단백질 발현을 비교하면, 왼쪽의 세포는 calbindin, calretinin 및 ZNF3의 발현이 높은데 반해 오른쪽의 세포는 NeuN과 laminin의 발현이 높았다(i-n). 이와 같이 본 개시는 기존에는 따로 알려진 여러 단백질의 발현 패턴을 하나의 세포에서 보여줌으로써, 각 세포별 단백질 발현의 다양성을 연구할 수 있게 해준다.Multiple proteins inside the tissue were simultaneously imaged using the present disclosure. First, imaging of 8 proteins was attempted, and rat brain sections were simultaneously stained with 8 rabbit antibody complexes. Stained rat brain sections were imaged at 8 detection wavelength bands while each excitation with 4 excitation lasers (a). Target proteins are PV, calbindin, NeuN, GFAP, GluT, ZNF3, laminin and calretinin (b). Through this, we confirmed the structure of the previously known blood-brain barrier (BBB; upper white box in b) in the mouse brain hippocampus, and the previously unknown protein expression diversity in cells (lower white box in b, enlarged is c) was able to confirm As can be seen in (d), the BBB generally consists of endothelial cells, basal lamina, and ends of astrocytes from the inside. As can be seen in (e-h), 8-color imaging clearly showed the cellular structure of these BBBs. In addition, as shown in (c), 8-color imaging showed a diversity of intercellular protein expression in the thalamus, which was not previously known. First, our research team compared the expression patterns of five proteins (calbindin, calretinin, ZNF3, NeuN, and PV) strongly observed in the thalamus with the literature on the expression patterns of each protein, and confirmed that they were consistent. . And how the combination of expression of these five proteins differs for each cell was studied. Comparing the protein expression of the two cells in the white box in (c), the cell on the left showed high expression of calbindin, calretinin and ZNF3, whereas the cell on the right showed high expression of NeuN and laminin (i-n). As such, the present disclosure shows the expression patterns of several previously known proteins in one cell, thereby making it possible to study the diversity of protein expression for each cell.

여기서 더 나아가 10개 단백질을 동시에 이미징할 수 있다. 쥐 뇌 절편을 10개의 형광 물질이 각각 붙어 있는 10개의 토끼 항체 복합체로 표지하였다. 그 후 4개의 여기 레이저를 사용해서 10개의 서로 다른 검출 파장대에서 이미지를 얻고, 상호정보량 최소화를 통해 하나의 단백질의 신호만 들어있는 10 개의 이미지로 분리하였다. 이 실험에서는 위의 8-단백질 동시 이미징에서 관찰한 단백질에 신경 세포의 구조 및 기능에 중요한 역할을 하는 단백질을 추가하여 NeuN, CNP1, calbindin, calretinin, GFAP, MAP2, NF-H, GluT, NF-L, PV를 관찰하였다. 그 결과 수 밀리미터에 걸쳐 10개 세포 타입 마커 및 다양한 생체 분자들을 한번에 관찰할 수 있었다(o-p). 10개의 단백질 모두 기존에 알려진 각 단백질의 발현 패턴과 동일한 패턴을 보였는데, 특히 calbindin과 calretinin의 발현량이 시상(thalamus)과 중뇌(midbrain)의 경계에서 크게 변화하였다(o 점선 동그라미). 이러한 변화는 다양한 데이터베이스 및 문헌에서 보고된 것과 일치하였다. Calbindin은 칼슘 결합 단백질이며 인간의 뇌에서 많이 발현된다. 관찰된 Calbindin의 발현 패턴은 치아이랑(dentate gyrus, DG)에서 mossy fiber projection이 시각화되며 발현량이 높고 시상(thalamus, TH)에서는 낮았으며 이는 알려진 문헌과 일치했다. Further, 10 proteins can be imaged simultaneously. The rat brain sections were labeled with 10 rabbit antibody complexes each with 10 fluorescent substances attached thereto. After that, images were obtained in 10 different detection wavelength bands using 4 excitation lasers, and separated into 10 images containing only one protein signal by minimizing the amount of mutual information. In this experiment, NeuN, CNP1, calbindin, calretinin, GFAP, MAP2, NF-H, GluT, NF- L and PV were observed. As a result, 10 cell type markers and various biomolecules could be observed at once over several millimeters (o-p). All 10 proteins showed the same pattern as the previously known expression patterns of each protein. In particular, the expression levels of calbindin and calretinin were significantly changed at the boundary between the thalamus and midbrain (o dotted circle). These changes were consistent with those reported in various databases and literature. Calbindin is a calcium-binding protein and is highly expressed in the human brain. The observed expression pattern of Calbindin was high in the visualization of mossy fiber projection in the dentate gyrus (DG) and low in the thalamus (TH), which was consistent with the known literature.

Calretinin은 칼슘 결합 단백질이며 인간의 뇌에서 많이 발현된다. 관찰된 Calretinin의 발현은 문헌과 잘 일치했고 DG의 the molecular layer(DG-mo)와 granule cell layer(DG-sg) 및 시상(TH)에서 고도로 발현된다. ZNF3는 전사 인자이며, 인간의 뇌에서 고도로 발현된다. b의 ZNF3도 DG의 DG-sg, polymorph layer(DG-po)와 TH 고도로 발현되었다. NeuN은 뉴런 마커이며 뇌에서만 고도로 발현된다. (b)에서 볼 수 있듯이 NeuN은 DG-sg, DG-po, TH에서 발현되지만 TH보다 DG에서 발현이 높았으며, 이는 알려진 문헌과 일치하였다. Parvalbumin(PV)는 칼슘 결합 알부민 단백질이며, 인간의 뇌에서 많이 발현된다. 관찰된 PV는 DG의 DG-po, DG-sg, DG-mo와 TH에서 널리 발현되었으며 이는 알려진 문헌과 일치한다.Calretinin is a calcium-binding protein and is highly expressed in the human brain. The observed expression of Calretinin was in good agreement with the literature and was highly expressed in the molecular layer (DG-mo) and granule cell layer (DG-sg) of DG and in the thalamus (TH). ZNF3 is a transcription factor and is highly expressed in the human brain. ZNF3 in b was also highly expressed in DG-sg, polymorph layer (DG-po) and TH of DG. NeuN is a neuronal marker and is highly expressed only in the brain. As shown in (b), NeuN was expressed in DG-sg, DG-po, and TH, but the expression was higher in DG than in TH, which was consistent with the known literature. Parvalbumin (PV) is a calcium-binding albumin protein and is highly expressed in the human brain. The observed PV was widely expressed in DG-po, DG-sg, DG-mo and TH of DG, which is consistent with the known literature.

이에 더해 삼차원 다분자 이미징을 시도하였다. Thy1-YFP 쥐 뇌 절편을 DAPI 및 5개의 토끼 항체 복합체로 염색한 후, 7개의 검출 파장대에서 z-stack 이미지를 얻고, 상호정보량 최소화를 통해 분리하였다. 이를 통해 7가지 생체 분자(DAPI로 염색된 핵, 뇌 절편이 자체적으로 가지고 있는 YFP, 항체로 염색된 5개의 단백질)의 분포를 삼차원으로 이미징 하는 데에 성공하였다. 이 실험에서는 488-nm 여기 레이저로 YFP 단백질과 CF488A 형광 물질을 동시에 여기시키고, 그 신호를 분리하였다. 이 실험에서는 방출 스펙트럼이 겹치는 형광 단백질과 형광 물질의 신호도 분리하는 것이 가능함을 보였다.In addition, three-dimensional multi-molecular imaging was attempted. Thy1-YFP mouse brain sections were stained with DAPI and 5 rabbit antibody complexes, and then z-stack images were obtained at 7 detection wavelength bands and separated by minimizing the amount of mutual information. Through this, we succeeded in three-dimensional imaging of the distribution of 7 biomolecules (nucleus stained with DAPI, YFP that the brain section has by itself, and 5 proteins stained with antibody). In this experiment, the YFP protein and the CF488A fluorescent material were simultaneously excited with a 488-nm excitation laser, and the signals were separated. In this experiment, it was shown that it is possible to separate the signals of fluorescent proteins and fluorescent substances with overlapping emission spectra.

도 10은 일 실시예에 따른 병리학 시료의 다분자 이미징 결과이다.10 is a multi-molecular imaging result of a pathological sample according to an exemplary embodiment.

도 10을 참고하면, 본 개시를 통한 FFPE 임상 샘플에서의 다분자 형광 이미징이다.Referring to FIG. 10 , multimolecular fluorescence imaging in FFPE clinical samples according to the present disclosure.

(a-l) 하나의 여기 레이저를 사용한 12 종류 인체 조직의 2 색의 다분자 형광 이미징이다(빨간색: KRT 19(CF488A); 초록색: histone H3(ATTO 514)). (a) 유방, (b) 침샘, (c) 위; 몸통, (d) 소장; 공장, (e) 대장, (f) 신장; 피질, (g) 신장; 수질, (h) 방광, (i) 전립선, (j) 자궁 내막; 증식기, (k) 자궁 내막; 분비기, (l) 흉선이다.(a-1) Two-color multimolecular fluorescence imaging of 12 types of human tissues using a single excitation laser (red: KRT 19 (CF488A); green: histone H3 (ATTO 514)). (a) breast, (b) salivary glands, (c) stomach; trunk, (d) small intestine; jejunum, (e) large intestine, (f) kidney; cortex, (g) kidney; medulla, (h) bladder, (i) prostate, (j) endometrium; proliferative phase, (k) endometrium; secretory, (l) thymus.

(m-p) 같은 인체 조직 타입에 2 개의 여기 레이저를 사용한 4 색의 다분자 형광 이미징(파란색: KRT 19(CF488A); 초록색: histone H3(ATTO 514), 빨간색: COX IV(CF568); 노란색: vimentin(ATTO Rho101))이다. (m) 침샘, (n) 위; 몸통, (o) 소장; 공장, (p) 신장; 수질이다.(mp) Four-color multimolecular fluorescence imaging using two excitation lasers on the same human tissue type (blue: KRT 19 (CF488A); green: histone H3 (ATTO 514); red: COX IV (CF568); yellow: vimentin) (ATTO Rho 101)). (m) salivary glands, (n) stomach; trunk, (o) small intestine; jejunum, (p) kidney; is water quality

본 개시는 병리 시료에도 적용할 수 있음을 보였다. 12가지 장기의 Formalin-fixed paraffin-embedded(FFPE) 시료가 포함되어 있는 조직 마이크로 어레이(tissue microarray; TMA)에 본 개시를 사용하여 임상 시료에서 작동하는지 테스트했다. 먼저 keratin 19와 histone H3를 표적 단백질로 사용하였다. 이 두 단백질 모두 거의 모든 인간의 장기에서 높게 발현되고, 이들의 발현량 변화 또는 변형은 암 마커로 사용된다. Keratin 19와 histone H3는 세포 내의 다른 위치(세포질과 핵원형질)에서 발현되므로 두 단백질의 신호가 성공적으로 분리되었다면 두 발현 패턴은 공간적으로 분리되어야 한다. (a-l)에서 볼 수 있듯이, 12가지 장기에서 모두 keratin 19와 histone H3가 명확하게 공간적으로 분리되어 있는 것을 알 수 있다. 이 결과는 본 개시를 이용하여 임상 시료에서 1개의 여기 레이저로 두 단백질을 동시에 이미징 할 수 있다는 것을 보여준다. 일부 핵은 노란색으로 보이는데(i, j, l), 이는 현미경의 수직 분해능(axial resolution)의 한계 때문에 histone H3와 histone H3 아래에 있는 keratin 19이 동시 검출된 것으로 보인다.It has been shown that the present disclosure is also applicable to pathological samples. A tissue microarray (TMA) containing Formalin-fixed paraffin-embedded (FFPE) samples from 12 organs was tested for operation in clinical samples using the present disclosure. First, keratin 19 and histone H3 were used as target proteins. Both of these proteins are highly expressed in almost all human organs, and their expression level changes or modifications are used as cancer markers. Since Keratin 19 and histone H3 are expressed at different locations within the cell (cytoplasm and nuclear protoplasm), if the signals of the two proteins are successfully separated, the two expression patterns should be spatially separated. As shown in (a-l), it can be seen that keratin 19 and histone H3 are clearly spatially separated in all 12 organs. These results show that two proteins can be simultaneously imaged with one excitation laser in a clinical sample using the present disclosure. Some nuclei appear yellow (i, j, l), which seems to indicate that histone H3 and keratin 19 under histone H3 were simultaneously detected due to the limitation of the axial resolution of the microscope.

더 나아가 4가지 장기의 FFPE 시료에서 4개 단백질(keratin 19, histone H3, vimentin, cytochrome c oxidase subunit 4;COX IV)의 발현을 이미징하였다. Keratin 19, histone H3와 마찬가지로, vimentin과 COX IV 역시 암과 밀접한 관련이 있으며, 암 마커로 사용된다. 또한 Vimentin과 keratin 비율은 epithelial-mesenchymal transition(EMT) 상태와 관련 있기 때문에 단일 시료에서의 vimentin과 keratin을 동시에 이미징 하는 것은 임상적으로 중요하다. (m-p)에서 보는 것과 같이, 병리 시료에서 방출 스펙트럼이 겹치는 형광 물질 2쌍과 2개의 여기 레이저를 사용하여, 4개의 단백질을 동시에 관찰할 수 있었다. 위 실험 결과는 병리 시료에서도 본 개시가 성공적으로 작동함을 보여준다.Furthermore, expression of 4 proteins (keratin 19, histone H3, vimentin, cytochrome c oxidase subunit 4; COX IV) was imaged in FFPE samples from 4 organs. Like Keratin 19 and histone H3, vimentin and COX IV are also closely related to cancer and are used as cancer markers. Also, since the ratio of vimentin and keratin is related to the status of epithelial-mesenchymal transition (EMT), it is clinically important to image vimentin and keratin at the same time in a single sample. As shown in (m-p), four proteins could be observed simultaneously using two pairs of fluorescent materials and two excitation lasers with overlapping emission spectra in a pathological sample. The above experimental results show that the present disclosure works successfully even in pathological samples.

도 11은 일 실시예에 따른 스펙트랄 디텍터 없이 대역 필터를 이용한 다분자 이미징 결과이다.11 is a multi-molecular imaging result using a bandpass filter without a spectral detector according to an exemplary embodiment.

도 11을 참고하면, 스펙트랄 디텍터가 없는 대역 필터 기반의 현미경을 사용하여 쥐 뇌에서의 10 색의 다분자 형광 이미징 결과이다.Referring to FIG. 11 , it is a 10-color multi-molecular fluorescence imaging result in a rat brain using a band-pass filter-based microscope without a spectral detector.

(a) 본 개시를 이용한 쥐 해마의 CA1 영역에서의 10 색의 다분자 형광 이미징이다. 위 이미지는 8 개의 대역 필터와 4 개의 여기 레이저를 갖춘 회전 디스크 공초점 현미경(spinning-disk confocal microscopy)을 사용하여 얻었다.(a) 10-color multimolecular fluorescence imaging in the CA1 region of the rat hippocampus using the present disclosure. The above images were obtained using spinning-disk confocal microscopy equipped with 8 bandpass filters and 4 excitation lasers.

(b-e) a에서 보여준 이미지를 4개의 여기 레이저 중 각 단일 레이저를 이용하여 얻어낸 세 개의 채널 (b-c) 또는 두 개의 채널 (d-e)의 이미지이고, 여기 레이저의 파장은 405nm(b), 488nm(c), 561nm(d) 및 637nm(e)이다.(be) The image shown in a is an image of three channels (bc) or two channels (de) obtained using each single laser among the four excitation lasers, and the wavelengths of the excitation lasers are 405 nm (b) and 488 nm (c). ), 561 nm (d) and 637 nm (e).

(f-h) a에 나타난 이미지에서 선택된 6개의 채널 (f) 또는 5 개의 채널 (g-h) 오버레이 이미지로 생물학적으로 관련 채널들을 명확하게 관찰하기 위함이다. 가시성을 극대화하기 위해 각 이미지의 단백질에 다른 색을 사용하였다. 모든 스케일 바는 50μm이다.(f-h) 6 channels (f) or 5 channels (g-h) selected from the image shown in a (g-h) are used to clearly observe biologically relevant channels. Different colors were used for the proteins in each image to maximize visibility. All scale bars are 50 μm.

스펙트랄 디텍터 없이 대역 필터(band-pass filter)만으로 10개의 단백질을 동시에 관찰할 수 있음을 보였다. 시판되고 있는 다종의 대역 필터 중, 사용한 검출 파장대와 잘 매치되는 최적의 대역 필터를 선정하였다. 스펙트럼 상으로는 561nm 및 637nm 여기 레이저에서 첫번째 대역 필터에서의 두 형광 물질 간의 밝기 비율이 충분히 높지 않은 것으로 보였다. 하지만 형광 물질 용액을 이용하여 실제로 이 비율을 측정했을 때 두 형광 물질의 밝기 비율은 561-nm 레이저는 32.8, 640-nm 레이저에서는 20.3이었다. 이 비율은 커스텀 필터(custom band-pass filter)를 사용함으로써 개선할 수 있을 것으로 보인다. 또한, 도 7(q-t)에서 보인 신호 증폭 프로세스를 사용하여 더욱 개선 될 수 있다. 10개의 형광 물질을 동시에 사용하기 위해서 10개의 검출 파장대에서 이미지를 얻었지만 일반적인 현미경에는 최대 8개의 대역 필터를 설치할 수 있다. 따라서 하나의 필터를 두 개의 여기 레이저에서 반복해서 사용하는 방법으로 8개의 대역 필터로 10개의 단백질을 이미징할 수 있었다.It has been shown that 10 proteins can be observed simultaneously with only a band-pass filter without a spectral detector. Among the many commercially available band filters, an optimal band filter that matches well with the detection wavelength band used was selected. From the spectral view, the brightness ratio between the two fluorescent materials in the first band filter in the 561 nm and 637 nm excitation lasers was not high enough. However, when this ratio was actually measured using a fluorescent material solution, the brightness ratio of the two fluorescent materials was 32.8 for the 561-nm laser and 20.3 for the 640-nm laser. This ratio can be improved by using a custom band-pass filter. It can also be further improved by using the signal amplification process shown in Fig. 7(q-t). In order to use 10 fluorescent substances at the same time, images were obtained in 10 detection wavelength bands, but a maximum of 8 band filters can be installed in a general microscope. Therefore, it was possible to image 10 proteins with 8 bandpass filters by repeatedly using one filter on two excitation lasers.

(a-e)에 볼 수 있는 것과 같이 이 방법을 이용하여 쥐 뇌 절편에서 토끼 항체만을 이용하여 10개 단백질을 동시에 이미징 하는 데에 성공하였다. 위 결과에서 볼 수 있는 생물학적 의미를 좀 더 명확히 표시하기 위하여 10개의 단백질 중 5-6개의 단백질을 선택하여 표시하였다(f-h). (f)의 흰색 상자 (i)에서는 BBB에서의 성상 세포(GFAP)와 상피 세포(GluT)의 배치를 볼 수 있다. (f,g)의 상자 (ii)와 (iii)에 있는 2개의 PV-양성 신경 세포의 단백질 발현을 비교하면, (ii)의 뉴런은 ZNF3를 높은 수준으로 발현하지만, MAP2는 낮은 수준으로 발현된다. 이와 반대로, (iii)의 뉴런은 ZNF3를 낮게 발현하지만 MAP2을 높게 발현한다. (h) 흰색 상자 (iv)은 SV2A 발현을 통해 시냅스의 위치를 관찰할 수 있다.As shown in (a-e), using this method, we succeeded in imaging 10 proteins simultaneously using only rabbit antibodies in a mouse brain section. In order to more clearly indicate the biological meaning seen in the above results, 5-6 proteins out of 10 proteins were selected and displayed (f-h). In the white box (i) of (f), the arrangement of astrocytes (GFAP) and epithelial cells (GluT) in the BBB can be seen. Comparing the protein expression of two PV-positive neurons in boxes (ii) and (iii) in (f,g), neurons in (ii) express high levels of ZNF3 but low levels of MAP2. do. In contrast, neurons in (iii) express low ZNF3 but high MAP2 expression. (h) The white box (iv) can observe the location of the synapse through SV2A expression.

이와 같이, 본 개시는 8개의 대역 필터를 이용해서 스펙트랄 디텍터 없이 10개 단백질의 발현 분포를 동시에 관찰하는 것이 가능하다. 이에 더해서 이 이미지들이 형광 측정 기반 분리법으로도 잘 분리가 되는 것을 확인했다(도 18 참조).As such, in the present disclosure, it is possible to simultaneously observe the expression distribution of 10 proteins without a spectral detector using 8 bandpass filters. In addition, it was confirmed that these images were well separated even by a fluorescence measurement-based separation method (see Fig. 18).

본 개시는 반복 염색 다분자 이미징 기술과 결합할 수 있다(도 19 참조). 반복 염색 다분자 이미징 기법 중 하나인 t-CyCIF과 본 개시를 결합하여 t-CyCIF의 다분자 이미징 능력을 향상시킬 수 있는지 테스트하였다. 쥐의 뇌 절편의 두 단백질을 방출 스펙트럼이 겹치는 두 형광 물질로 표지하여 이미징 및 이미지 분리 한 후, 형광 물질을 화학적으로 비활성화하고, 다른 두 단백질을 같은 두 형광 물질로 표지하여 이미징 및 이미지 분리하였다. 위 과정으로 얻은 4개의 단백질의 패턴은 모두 예상되는 염색 패턴과 일치했다. 이 결과는 본 개시를 반복 염색 다분자 이미징 기법과 결합하여 한 번의 염색 및 표지 라운드에 4개 이상, 최대 10개의 단백질을 동시에 관찰할 수 있음을 보여준다.The present disclosure can be combined with repeat staining multimolecular imaging technology (see FIG. 19 ). It was tested whether t-CyCIF, one of the repeat staining multimolecular imaging techniques, could be combined with the present disclosure to improve the multimolecular imaging ability of t-CyCIF. After imaging and image separation by labeling two proteins in a rat brain section with two fluorescent substances with overlapping emission spectra, the fluorescent substances were chemically inactivated, and the other two proteins were labeled with the same two fluorescent substances for imaging and image separation. The patterns of the four proteins obtained by the above procedure all matched the expected staining patterns. These results show that by combining the present disclosure with the repeat staining multimolecular imaging technique, 4 or more and up to 10 proteins can be observed simultaneously in one staining and labeling round.

이와 같이, 10종류의 형광 물질을 한 번에 시료에 적용하기 때문에 다른 다분자 이미징 기술과 비교하여 실험 절차의 복잡성 및 소요 시간이 크게 줄어든다. 또한 용액 교환이나 화학 처리를 하지 않고 한 번의 이미징으로 10가지의 생체 분자의 이미지를 얻을 수 있기 때문에 이미지 정합 과정이 필요하지 않으며, 삼차원 이미지를 얻는 것이 가능하다. 그리고 스펙트랄 디텍터를 사용하지 않고 대역 필터만으로 구현할 수 있기 때문에 장비의 요구 사항이 크게 줄어든다. 따라서, 본 개시는 생물학적 연구 및 진단에서 아주 유용하게 사용될 수 있을 것으로 보인다.As described above, since 10 types of fluorescent materials are applied to the sample at once, the complexity and time required for the experimental procedure are greatly reduced compared to other multimolecular imaging techniques. In addition, since images of 10 types of biomolecules can be obtained with one imaging without solution exchange or chemical treatment, there is no need for image matching and it is possible to obtain three-dimensional images. And since it can be implemented only with a band filter without using a spectral detector, the equipment requirements are greatly reduced. Therefore, it appears that the present disclosure can be very usefully used in biological research and diagnosis.

본 개시는 앞에서 사용한 4개의 가시광선 대역의 레이저(400 - 650nm)에 더하여 근적외선(near-infrared, NIR) 레이저와 방출 스펙트럼이 겹치는 2 종의 NIR 형광 분자(예: ATTO740 및 Cy7.5)를 사용하여 한 라운드 이미징만으로 12 가지 생체 분자를 이미징 할 수 있다. 또한, 560 nm, 640 nm, 근적외선에서 여기되는 large stoke's shift 형광 물질을 추가로 사용하는 경우, 15가지 생체 분자를 동시에 이미징 할 수 있다. 커스텀 다중 대역 필터(custom multi-band pass filter)를 사용하는 경우 8개의 대역 필터만으로 15가지 생체 분자를 동시에 이미징 할 수 있다. 신호 밝기와 신호 대비 잡음비(signal to noise ratio, SNR)를 개선 할 수 있다. 또한, 본 개시는 저가형 광원(LED 혹은 램프)과 대역 필터를 갖춘 단순 광학 현미경을 사용하여도 구현이 가능하다. 커스텀 대역 필터를 사용하여 간단한 장비로도 높은 신호 밝기와 분리 정도를 얻을 수 있을 것이다. 조직 투명화, 팽창 현미경, mRNA 또는 단백질 다분자 형광 이미징, 생체분석, 세포 추적 등의 다양한 이미징 기술과 결합하여 해당 기술의 이미징 능력을 개선시킬 수 있다. 또한 형광 바코드 기술과 결합하여 하나의 바코드가 인코딩 할 수 있는 정보량을 늘릴 수 있다. 본 개시는 생체 분자 공간 정보를 필요로 하는 다양한 분야에 유용하게 사용될 것으로 기대된다. 최근 생체 분자의 멀티 스케일 3차원 아틀라스가 구축됨에 따라서 생물학을 이해하는 방법이 변화되고 있다. 이러한 아틀라스 구축에서 형광 이미징은 생체 분자를 매핑하는 주요 도구 중 하나로 쓰이고 있다. 본 개시는 더 많은 생체 분자를 동시에 시각화 해주고, 단백질 혹은 mRNA 분자 사이의 동일위치 정보 또는 그 발현의 상관 관계에 대한 정보를 제공할 수 있다. 또한 병리학적 시료의 분자 구조를 시각화 함으로써 암의 진단과 예후 진단에 도움이 될 것이다.In the present disclosure, in addition to the four visible ray band lasers (400 - 650 nm) used above, a near-infrared (NIR) laser and two NIR fluorescent molecules (eg, ATTO740 and Cy7.5) with overlapping emission spectra are used. Thus, 12 biomolecules can be imaged with only one round of imaging. In addition, if a large stoke's shift fluorescent material excited at 560 nm, 640 nm, and near-infrared light is additionally used, 15 biomolecules can be imaged simultaneously. If a custom multi-band pass filter is used, 15 biomolecules can be simultaneously imaged with only 8 band filters. It can improve signal brightness and signal to noise ratio (SNR). In addition, the present disclosure can be implemented using a simple optical microscope equipped with a low-cost light source (LED or lamp) and a band filter. A custom bandpass filter can be used to achieve high signal brightness and isolation with simple equipment. In combination with various imaging techniques such as tissue clearing, expansion microscopy, mRNA or protein multimolecular fluorescence imaging, bioanalysis, and cell tracking, the imaging capabilities of these techniques can be improved. It can also be combined with fluorescent barcode technology to increase the amount of information that one barcode can encode. The present disclosure is expected to be usefully used in various fields requiring biomolecular spatial information. Recently, as a multi-scale three-dimensional atlas of biomolecules is constructed, the method of understanding biology is changing. In this atlas construction, fluorescence imaging is being used as one of the main tools for mapping biomolecules. The present disclosure can visualize more biomolecules at the same time, and provide information about colocation information between protein or mRNA molecules or correlation of their expression. In addition, visualization of the molecular structure of pathological samples will be helpful in the diagnosis and prognosis of cancer.

세포 배양 및 고정은 다음과 같다.Cell culture and fixation were as follows.

BS-C-1, HeLa, NIH-3T3 세포는 한국 세포주 은행에서 구입했다. 세포는 Nunc Lab-Tek II chamber # 1.5 커버글라스에서 배양되었다. BS-C-1 세포는 10 % fetal bovine serum(FBS), 1 % penicillin-streptomycin, 1 % sodium pyruvate을 첨가한 Minimum Essential Medium(MEM)에서 배양되었다. HeLa 세포는 10 % FBS와 1 % penicillin-streptomycin 첨가한 Dulbecco's modified Eagles'medium(DMEM)에서 배양되었다. NIH-3T3 세포는 10 % bovine calf serum(BCS)와 1 % penicillin-streptomycin을 첨가한 DMEM에서 배양되었다. 모든 세포는 37 °C, 5 % CO2 조건 하에서 배양되었다. 고정을 위해 세포를 1x PBS로 3회 세척하고 4 % paraformaldehyde(PFA)가 첨가된 1x PBS 에서 10분간 고정한 후, 1x PBS로 3회 세척하였다. 이어서 세포를 0.1M glycine이 첨가된 1Х PBS에 10분 담가 놓은 뒤 1ХPBS로 3회 세척하였다.BS-C-1, HeLa, and NIH-3T3 cells were purchased from the Korean Cell Line Bank. Cells were cultured in Nunc Lab-Tek II chamber # 1.5 coverslips. BS-C-1 cells were cultured in Minimum Essential Medium (MEM) supplemented with 10% fetal bovine serum (FBS), 1% penicillin-streptomycin, and 1% sodium pyruvate. HeLa cells were cultured in Dulbecco's modified Eagles' medium (DMEM) supplemented with 10% FBS and 1% penicillin-streptomycin. NIH-3T3 cells were cultured in DMEM supplemented with 10% bovine calf serum (BCS) and 1% penicillin-streptomycin. All cells were cultured under 37 °C, 5% CO2 conditions. For fixation, the cells were washed 3 times with 1x PBS, fixed in 1x PBS with 4% paraformaldehyde (PFA) for 10 minutes, and washed 3 times with 1x PBS. Then, the cells were immersed in 1Х PBS with 0.1M glycine for 10 minutes and washed 3 times with 1ХPBS.

쥐 관류 및 슬라이싱은 다음과 같다.Mice perfusion and slicing are as follows.

동물을 포함한 다음의 모든 절차는 한국과학기술원-동물실험윤리위원회(KAIST-IACUC)에 의해 승인되었다. 8-14 주령의 C57BL/6J 쥐를 사용했다. 쥐를 isoflurane으로 마취하고, 심장으로 4% PFA가 첨가된 1x PBS를 관류하여 고정시킨다. 관류를 통해 고정시킨 쥐로부터 뇌를 채취하여, 4

Figure 112020074106419-pat00021
가 유지되는 환경에서 4% PFA가 첨가된 1x PBS에 2시간동안 보관한다. 그런 뇌를 절편기(vibratome, Leica VT1000S)를 사용하여 150μm 두께로 잘랐다. 잘려진 뇌 절편은 사용하기전까지 4
Figure 112020074106419-pat00022
에서 0.1M 글리신이 첨가된 1x PBS에 보관하였다.All of the following procedures involving animals were approved by the Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST-IACUC). C57BL/6J mice aged 8-14 weeks were used. Mice are anesthetized with isoflurane, and the heart is fixed by perfusion of 1x PBS with 4% PFA. Brains were harvested from rats fixed by perfusion, 4
Figure 112020074106419-pat00021
Store in 1x PBS with 4% PFA for 2 hours in an environment where The brain was cut into 150 μm thick using a vibratome (Leica VT1000S). The cut brain sections are stored until use.
Figure 112020074106419-pat00022
was stored in 1x PBS supplemented with 0.1M glycine.

형광 물질과 항체의 결합은 다음과 같다.The binding between the fluorescent material and the antibody is as follows.

Alexa와 CF 형광 물질 결합을 위해 1 M sodium bicarbonate(pH 8.3) 10 μL와 DMSO에 녹아 있는 succinimidyl ester-fluorophore stock을 항체 용액 몰수에 9배만큼 항체 용액에 넣어준다. 이 용액을 상온, 어두운 조건에서 1시간 반응시킨다. For ATTO 형광 물질 결합을 위해 항체 용액의 버퍼를 Zeba spin desalting columns을 이용하여 결합 버퍼(0.01 M sodium bicarbonate in 1x PBS, pH 8.3) 교환해주었다. 그 후 버퍼가 교환된 항체 용액에 DMSO에 녹아 있는 succinimidyl ester-fluorophore stock(10mg/ml)을 항체 몰수에 3배만큼 항체 용액에 넣어준다. 이 용액을 상온, 어두운 조건에서 1시간 반응시킨다. 결합된 항체의 정제를 위해 NAP-5 gel filtration 칼럼이 사용되었다. 칼럼은 1x PBS 10 mL로 equilibration 되었다. 반응된 용액 100 μL를 columns에 넣어 준다. 1x PBS 400 μL를 칼럼에 넣어 주면 결합되지 않은 형광 물질과 결합된 항체의 분리층이 관찰된다. 칼럼 밑에 수집 튜브를 위치시키고 500 μL 1x PBS를 넣어주면, 용출액이 모이고 이를 Vivaspin 칼럼(MWCO: 5,000)을 사용하여 농축시킨다.For binding Alexa and CF fluorescent material, add 9 times the number of moles of antibody solution to the antibody solution with 10 μL of 1 M sodium bicarbonate (pH 8.3) and succinimidyl ester-fluorophore stock dissolved in DMSO. This solution is reacted at room temperature and dark conditions for 1 hour. For ATTO fluorescence binding, the buffer of the antibody solution was exchanged with the binding buffer (0.01 M sodium bicarbonate in 1x PBS, pH 8.3) using Zeba spin desalting columns. After that, succinimidyl ester-fluorophore stock (10 mg/ml) dissolved in DMSO in the buffer-exchanged antibody solution is added to the antibody solution by 3 times the number of moles of antibody. This solution is reacted at room temperature and dark conditions for 1 hour. A NAP-5 gel filtration column was used to purify the bound antibody. The column was equilibrated with 10 mL of 1x PBS. Put 100 μL of the reacted solution into the columns. When 400 μL of 1x PBS is added to the column, a separation layer of unbound fluorescent material and bound antibody is observed. When a collection tube is placed under the column and 500 μL 1x PBS is added, the eluate is collected and concentrated using a Vivaspin column (MWCO: 5,000).

항체 복합체의 형성은 다음과 같다.The formation of the antibody complex is as follows.

1x PBS, 형광 물질이 결합된 Fab fragment를 포함하는 용액, 그리고 일차 항체를 포함하는 용액을 10:2:1의 부피비로 혼합하여 어두운 조건하에 10분 동안 상온에서 반응시켰다. 그 후, 해당 용액에 5 배 과량의 블로킹 버퍼(10 % normal rabbit serum, 0.2 % Triton X-100, 1x PBS 으로 이루어짐)를 첨가하여 어두운 조건하에 부드럽게 섞으며 상온에서 10 분 동안 반응시킨다. 26 종류의 형광 물질을 사전에 형성된 항체 복합체에 테스트하였다.1x PBS, a solution containing the Fab fragment to which a fluorescent material is bound, and a solution containing the primary antibody were mixed in a volume ratio of 10:2:1 and reacted at room temperature for 10 minutes under dark conditions. After that, a 5-fold excess of blocking buffer (10% normal rabbit serum, 0.2% Triton X-100, and 1x PBS) is added to the solution, mixed gently under dark conditions, and reacted for 10 minutes at room temperature. Twenty-six kinds of fluorescent substances were tested on the preformed antibody complex.

사전에 형성된 항체 복합체를 이용한 세포 및 마우스 뇌 절편 염색은 다음과 같다.Cells and mouse brain sections were stained using a preformed antibody complex as follows.

다음으로 진행되는 모든 단계들은 상온에서 실행되었다. 투과화 및 블로킹을 위해, 세포를 블로킹 버퍼(10 % normal rabbit serum, 0.2 % Triton X 100,1x PBS)에서 30 분 동안 담가 놓는다. 이어서 세포를 사전에 형성된 항체 복합체 혼합물에서 30 분간 염색하고, 블로킹 버퍼로 3 회 세척한다. 쥐의 뇌 절편을 염색하기 위해서는 배양 시간(블로킹: 3 시간, 세척: 30 분 염색: 하룻밤 동안)을 제외하고, 블로킹, 염색 및 세척 단계는 배양 세포 프로토콜과 같다.All subsequent steps were carried out at room temperature. For permeabilization and blocking, cells are soaked in blocking buffer (10% normal rabbit serum, 0.2% Triton X 100,1x PBS) for 30 min. Cells are then stained for 30 min in the preformed antibody complex mixture and washed 3 times with blocking buffer. For staining the rat brain sections, the blocking, staining, and washing steps are the same as in the cultured cell protocol, except for the incubation time (blocking: 3 hours, washing: 30 minutes, staining: overnight).

시료 준비 및 병리학 시료 염색은 다음과 같다.Sample preparation and pathology sample staining were as follows.

인간 시료를 사용한 모든 실험들은 한국과학기술원 생명윤리 심의위원회(KAIST IRB)의 승인을 받았다. 도 9에서 사용한 Human normal multi-organ tissue microarray(TMA)는 Novus Biologicals(NBP2-30189)에서 구입했다. 포르말린 고정된 파라핀-포매 병리학 시료의 경우, 시료 슬라이드를 60

Figure 112020074106419-pat00023
오븐에서 1시간 건조시켰다. 슬라이드를 xylene에 2회 각 5분간 탈파라핀했다. 수화를 위해 슬라이드를 실온에서 각 3분씩 100 % 에탄올 2회, 95 % 에탄올, 80 % 에탄올, 탈이온수에 순서대로 넣었다. 이 연구에 사용된 슬라이드는 염색 전에 heat induced epitope retrieval(HIER) 처리되었다. 슬라이드를 10 mM sodium citrate solution(10 mM Sodium Citrate, 0.05% Tween 20, pH 6.0)에 95 ~ 100
Figure 112020074106419-pat00024
에서 30 분간 두고 1x PBS에서 20 분간 냉각했다. 슬라이드를 블로킹 버퍼(10 % normal rabbit serum, 0.2 % Triton X-100,1x PBS)로 RT에서 3시간 블로킹하고, 상온에서 밤새 항체 복합체와 반응시킨 후, 상온에서 블로킹 버퍼로 3회 각 30분씩 세척하였다.All experiments using human samples were approved by the Bioethics Review Committee of the Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST IRB). Human normal multi-organ tissue microarray (TMA) used in FIG. 9 was purchased from Novus Biologicals (NBP2-30189). For formalin-fixed, paraffin-embedded pathology samples, slide the sample slides to 60
Figure 112020074106419-pat00023
It was dried in an oven for 1 hour. The slides were deparaffinized twice in xylene for 5 minutes each. For hydration, slides were placed in 100% ethanol twice, 95% ethanol, 80% ethanol, and deionized water for 3 minutes each at room temperature in that order. The slides used in this study were subjected to heat induced epitope retrieval (HIER) prior to staining. Slide 95-100 in 10 mM sodium citrate solution (10 mM Sodium Citrate, 0.05% Tween 20, pH 6.0)
Figure 112020074106419-pat00024
incubated for 30 min and cooled in 1x PBS for 20 min. The slides were blocked with blocking buffer (10% normal rabbit serum, 0.2% Triton X-100,1x PBS) at RT for 3 hours, reacted with the antibody complex overnight at room temperature, and then washed 3 times with blocking buffer at room temperature for 30 minutes each. did

RNA-FISH는 다음과 같다.RNA-FISH is as follows.

제조업체의 사용설명서의 지침에 따라 NIH-3T3 세포로 RNAscope(Advanced Cell Diagnostics)를 실시했다. 간략하게, 고정된 세포를 에탄올로 탈수(dehydration)하고, 에탈올 및 1x PBS를 통해 재수화(rehydration)했다. 재수화된 세포는 프로테아제 III(RNAscope)를 1x PBS를 사용하여 1:15의 비율로 희석시켜 digestion되고, 그 이후에 1x PBS로 헹군다. RNAscope 증폭기를 처리하기 전에, 세포를 RNAscope 프로브와 반응시키고, 1x RNAscope 세척 버퍼로 헹군다. 증폭 후, 세포를 DAPI로 표지하고 1x PBS에서 헹군다. 그런 다음, 세포를 사전에 형성된 항체 복합체로 염색했다.Advanced Cell Diagnostics (RNAscope) was performed with NIH-3T3 cells according to the manufacturer's instructions. Briefly, fixed cells were dehydrated with ethanol and rehydrated with ethanol and 1x PBS. Rehydrated cells are digested by diluting Protease III (RNAscope) at a ratio of 1:15 with 1x PBS, and then rinsed with 1x PBS. Before processing the RNAscope amplifier, the cells are reacted with the RNAscope probe and rinsed with 1x RNAscope wash buffer. After amplification, the cells are labeled with DAPI and rinsed in 1x PBS. The cells were then stained with preformed antibody complexes.

형광 물질의 불활성화(t-CyCIF)는 다음과 같다.Inactivation of the fluorescent material (t-CyCIF) is as follows.

첫 번째 염색 라운드에서는 PV를 표지하는 항체 복합체(CF488A으로 표시)와 NeuN를 표지하는 항체 복합체(ATTO514으로 표시)를 사용하여 쥐의 뇌 절편을 염색했다. DAPI는 해당 시료에 기준 마커로 사용되었다. 첫 번째 이미징 라운드 후, 형광 물질로 염색된 시료를 백색광 하에 2 시간동안 상온에서 불활성화 버퍼(1x PBS에 4.5% H2O2 및 24 mM NaOH)에 담가 형광 물질을 불황성화 시킨다. 그 다음 시료를 1x PBS으로 각 1 시간마다 4 회 세척하고, 두 번째 염색 라운드를 실시하였다. 두 번째 염색에서는 동일 시료에 calretinin을 표지하는 항체 복합체(CF488A으로 표시)와 GluT를 표지하는 항체 복합체 2 종류를 사용하였다. DAPI도 다시 사용하였다.In the first staining round, mouse brain sections were stained using an antibody complex labeled with PV (labeled CF488A) and an antibody complex labeled with NeuN (labeled ATTO514). DAPI was used as a reference marker for the sample. After the first imaging round, the fluorescent material is inactivated by immersing the fluorescent material-stained sample in an inactivation buffer (4.5% H2O2 and 24 mM NaOH in 1x PBS) at room temperature for 2 hours under white light. Then, the samples were washed 4 times each 1 hour with 1x PBS, and a second staining round was performed. In the second staining, two types of antibody complexes labeling calretinin (labeled as CF488A) and GluT were used in the same sample. DAPI was also used again.

항 형광 물질 항체(anti-fluorophore)를 이용한 신호 증폭은 다음과 같다.Signal amplification using an anti-fluorophore antibody is as follows.

이 부분에서 사용되는 모든 항체는 블로킹 버퍼(5 % normal donkey serum, 0.2 % Triton X-100,1x PBS)로 1:500으로 희석되었다. BS-C-1 세포를 투과화 처리 및 블로킹을 위해 블로킹 버퍼에서 1.5 시간동안 담가 놓는다. 뒤 이어서, GM130를 표지하는 토끼 일차 항체(rabbit anti-GM130)가 있는 용액을 넣어 섞어주고, 각각 5 분 마다 블로킹 버퍼로 3 회 세척하였다. 이어서 세포를 형광 물질인 alexa488와 결합한 당나귀 항 토끼 이차 항체(donkey anti-rabbit conjugated with alexa488)가 있는 용액에서 섞어주고, 블로킹 버퍼로 각각 5 분 마다 3 회 세척하였다. 세포를 토끼 항 alexa488 항체(rabbit anti-alexa488)가 있는 용액에 담근 후, 각각 5 분간 블로킹 버퍼로 3 회 세척하였다. 마지막으로, 세포를 위와 같은 이차 항체(donkey anti-rabbit conjugated with alexa488)가 있는 용액에 담근 후, 블로킹 버퍼로 각각 5 분간 3 회 세척하였다. 토끼 일차 항체에 대한 신호 증폭 후, 세포를 lamin A/C를 표지하는 쥐 일차 항체(mouse anti-laminA/C)가 있는 용액에서 섞어주고 블로킹 버퍼로 3 회 각각 5 분간 세척하였다. 마지막으로 세포를 ATTO514가 결합된 당나귀 항 쥐 이차 항체(donkey anti-mouse conjugated with ATTO514)가 있는 용액에 담근 후, 블로킹 버퍼로 3 회 각각 5 분간 세척하였다.All antibodies used in this section were diluted 1:500 with blocking buffer (5% normal donkey serum, 0.2% Triton X-100,1x PBS). BS-C-1 cells are soaked in blocking buffer for 1.5 h for permeabilization and blocking. Subsequently, a solution containing a rabbit primary antibody (rabbit anti-GM130) for labeling GM130 was added and mixed, and each was washed three times with blocking buffer every 5 minutes. Then, the cells were mixed in a solution with a donkey anti-rabbit conjugated with alexa488 conjugated to alexa488, a fluorescent substance, and washed 3 times every 5 minutes with a blocking buffer. Cells were immersed in a solution containing rabbit anti-alexa488 antibody, and then washed three times with blocking buffer for 5 minutes each. Finally, the cells were immersed in a solution with the above secondary antibody (donkey anti-rabbit conjugated with alexa488), and then washed 3 times for 5 minutes each with blocking buffer. After signal amplification for the rabbit primary antibody, the cells were mixed in a solution with a mouse anti-laminA/C labeling lamin A/C and washed 3 times with blocking buffer for 5 minutes each. Finally, the cells were immersed in a solution containing ATTO514-conjugated donkey anti-mouse conjugated with ATTO514, and then washed three times with blocking buffer for 5 minutes each.

형광 물질 밝기 측정은 다음과 같다.Fluorescent material brightness measurement is as follows.

형광 물질 밝기 측정은 Andor 회전 디스크 공초점 현미경에서 실시했다. CF405S, ATTO390, CF405L은 100 μM 형광 물질 용액을 사용했다. CF488A, ATTO514, ATTO490LS, CF568, ATTO Rho101, CF633, CF660R는 10 μM 형광 물질 용액을 사용했다. 형광 물질 용액은 10 x 대물 렌즈에서 4 개의 여기 레이저(405-nm, 488-nm, 561-nm, 637-nm) 중 하나를 사용하여 이미징 했다.Fluorescence brightness measurements were performed on an Andor rotating disk confocal microscope. For CF405S, ATTO390, and CF405L, 100 μM fluorescent material solution was used. For CF488A, ATTO514, ATTO490LS, CF568, ATTO Rho101, CF633, and CF660R, a 10 μM fluorescent material solution was used. Fluorescent material solutions were imaged using one of four excitation lasers (405-nm, 488-nm, 561-nm, 637-nm) at a 10× objective.

Protein-retention expansion microscopy는 다음과 같다.Protein-retention expansion microscopy is as follows.

염색된 시료를 1x PBS에 희석된 acryloyl-X, SE(AcX)에 밤새 상온에서 반응시킨 후, 1x PBS로 3번 각 30분씩 세척하였다. 그 다음 시료를 monomer solution(7.5%(w/w) sodium acrylate, 2.5%(w/w) acrylamide, 0.15%(w/w) bis-acrylamide, 1x PBS, 2 M NaCl)에 2번 각 30분씩 4

Figure 112020074106419-pat00025
에서 반응시킨다. 시료를 젤 버퍼(monomer solution, 0.2%(w/w) APS, 0.2%(w/w) TEMED, 0.01%(w/w) H-TEMPO)가 채워진 2개의 커버 글라스 사이에 놓고, 37
Figure 112020074106419-pat00026
에서 1.5시간 반응시킨다. 만들어진 젤을 digestion buffer(25 mM EDTA, 50 mM Tris, 0.5% Triton X-100, 1M NaCl)에 1:100으로 희석한 proteinase K를 처리해주고 밤새 37
Figure 112020074106419-pat00027
에서 부드럽게 섞어준다. Digestion 후 젤을 탈이온수에 넣고 부드럽게 섞어준다.The stained sample was reacted with acryloyl-X, SE (AcX) diluted in 1x PBS overnight at room temperature, and then washed 3 times with 1x PBS for 30 minutes each. Then, the sample was soaked in monomer solution (7.5% (w/w) sodium acrylate, 2.5% (w/w) acrylamide, 0.15% (w/w) bis-acrylamide, 1x PBS, 2 M NaCl) twice for 30 minutes each. 4
Figure 112020074106419-pat00025
react in The sample was placed between two cover glasses filled with gel buffer (monomer solution, 0.2% (w/w) APS, 0.2% (w/w) TEMED, 0.01% (w/w) H-TEMPO), 37
Figure 112020074106419-pat00026
reacted for 1.5 hours. The prepared gel was treated with proteinase K diluted 1:100 in digestion buffer (25 mM EDTA, 50 mM Tris, 0.5% Triton X-100, 1M NaCl) and treated with proteinase K overnight.
Figure 112020074106419-pat00027
mix gently. After digestion, put the gel in deionized water and mix gently.

SHIELD는 다음과 같다.SHIELD is as follows.

500μm의 두께의 쥐 뇌 절편을 SHIELD-OFF 용액(DI 워터, SHIELD 완충액, SHIELD-Epoxy 용액의 1 : 1 : 2의 비율)에 담가 4

Figure 112020074106419-pat00028
에서 하루 동안 부드럽게 섞어준다. 시료을 SHIELD-ON Buffer와 SHIELD-Epoxy Solution 7 : 1 비율의 혼합액에 옮기고 37
Figure 112020074106419-pat00029
에서 6 시간 동안 부드럽게 섞어준다. 시료는 SHIELD-ON 버퍼에 담가 37 °C에서 하룻밤동안 부드럽게 섞어준다. 조직 투명화를 위해, 시료를 투명화 용액(300 mM sodium dodecyl sulfate, 10 mM boric acid, 100 mM sodium sulfite, pH 9.0)에 담가 37
Figure 112020074106419-pat00030
에서 1 일간 부드럽게 섞어준다. 이미징은 Nikon C2 plus 공초점 현미경 with DUVB 디텍터, Leica TCS SP8, Andor Dragonly회전 디스크 공초점 현미경에서 40x 1.15 NA water immersion를 사용하여 얻었다.Immerse a 500 μm thick rat brain section in SHIELD-OFF solution (1 : 1 : 2 ratio of DI water, SHIELD buffer, SHIELD-Epoxy solution) 4
Figure 112020074106419-pat00028
Mix gently throughout the day. Transfer the sample to a mixture of SHIELD-ON Buffer and SHIELD-Epoxy Solution 7: 1
Figure 112020074106419-pat00029
Gently mix for 6 hours. Samples are immersed in SHIELD-ON buffer and gently mixed overnight at 37 °C. For tissue clearing, the sample was immersed in a clearing solution (300 mM sodium dodecyl sulfate, 10 mM boric acid, 100 mM sodium sulfite, pH 9.0) 37
Figure 112020074106419-pat00030
Mix gently for 1 day. Imaging was obtained on a Nikon C2 plus confocal microscope with DUVB detector, Leica TCS SP8, Andor Dragonly rotating disk confocal microscope using 40x 1.15 NA water immersion.

이미지 프로세싱은 다음과 같다.Image processing is as follows.

스펙트럼 디텍터로부터 얻은 이미지들은 spectral separation algorithm을 바로 적용하였고, 대역 필터를 갖춘 공초점 현미경으로 얻은 이미지들은 신호 분리 전에 사전 프로세싱을 했다. 사전 프로세싱을 위해 먼저, 이미지의 비네팅(vignetting)을 형광 슬라이드의 이미지를 사용하여 보정했다. 둘째로 여기 레이저의 간섭으로 인한 이미지 상의 링 모양 아티팩트를 어떠한 물체를 놓지 않고 찍은 이미지를 빼주어 제거하였다. 셋째로 색수차(chromatic aberration)에 의한 픽셀 이동은 이미지 정합을 통해 해결하였다. 상호정보량 최소화를 통한 신호 분리를 위해서, 우리는 α 초기 추정으로 시작하고 IMG1, (IMG2-αxIMG1) 사이의 상호 정보량을 측정하였다. 여기서 IMG1과 IMG2는 각각 첫 번째 그리고 두 번째 이미지이다. 상호 정보량을 측정할 때는 joint histogram 계산 속도를 향상시키기 위해 두 이미지 모두 3비트로 양자화 하였다. 하나의 매개 변수 추정을 위해 수백만의 픽셀들을 사용하므로, 양자화는 α 추정 정확도에 영향을 미치지 않는다. 경사하강법(gradient descent)을 사용하여 우리는 상호 정보량이 최소화된 최적의 α 값을 찾았다. 최적의 αopt을 찾게 되면, 그 후 두 번째 형광 물질의 이미지를 얻기 위해 (IMG2-αopt x IMG1)를 계산해준다. 그람-슈미트 직교화를 통한 색분리를 위해 αGS를 하기 [수학식 12]와 같이 추정한다.The images obtained from the spectral detector were directly applied with the spectral separation algorithm, and the images obtained with a confocal microscope equipped with a bandpass filter were pre-processed before signal separation. For pre-processing, first, vignetting of the image was corrected using the image of a fluorescent slide. Second, the ring-shaped artifact on the image due to the interference of the excitation laser was removed by subtracting the image taken without placing any object. Third, pixel shift due to chromatic aberration was resolved through image registration. For signal separation by minimizing the amount of mutual information, we started with the initial estimation of α and measured the amount of mutual information between IMG1 and (IMG2-αxIMG1). Here, IMG1 and IMG2 are the first and second images, respectively. When measuring the amount of mutual information, both images were quantized to 3 bits to improve the joint histogram calculation speed. Since we use millions of pixels for one parameter estimation, quantization does not affect the α estimation accuracy. Using gradient descent, we found the optimal value of α with the minimum amount of mutual information. After finding the optimal α opt , (IMG2-αopt x IMG1) is calculated to obtain the image of the second fluorescent material. For color separation through Gram-Schmidt orthogonalization, α GS is estimated as shown in Equation 12 below.

Figure 112020074106419-pat00031
Figure 112020074106419-pat00031

여기서 <,>은 벡터 내적,

Figure 112020074106419-pat00032
Figure 112020074106419-pat00033
Figure 112020074106419-pat00034
Figure 112020074106419-pat00035
는 IMG1과 IMG2를 각각 벡터로 재정리한 것이다. 그리고 위와 동일하게 두 번째 형광 물질의 이미지를 얻기 위해 (IMG2-αGSxIMG1)를 계산해준다. 위의 모든 이미지 프로세싱은 자체 제작한 MATLAB 코드를 사용하여 실행했다.where <,> is the vector dot product,
Figure 112020074106419-pat00032
Figure 112020074106419-pat00033
Wow
Figure 112020074106419-pat00034
Figure 112020074106419-pat00035
is the rearrangement of IMG1 and IMG2 into vectors, respectively. And in the same way as above, (IMG2-α GS xIMG1) is calculated to obtain the image of the second fluorescent material. All of the above image processing was performed using our own MATLAB code.

도 12는 항체 복합체 염색의 유효성 검증 결과이다.12 is a validation result of antibody complex staining.

도 12를 참고하면, 항체 복합체의 친화도와 특이성을 검증하기 위해, 하나의 타겟 단백질에 대해 기존의 항체와 항체 복합체 염색을 동시에 진행하고 형광 신호를 관찰한다. 왼쪽에서 오른쪽으로 차례로 기존의 항체 염색, 항체 복합체 염색, 두 이미지를 합친 이미지들을 나타낸다.Referring to FIG. 12 , in order to verify the affinity and specificity of the antibody complex, the existing antibody and antibody complex are stained for one target protein at the same time, and the fluorescence signal is observed. From left to right, the conventional antibody staining, the antibody complex staining, and the two images combined are shown.

(a) GFP 항체로 표지 된 Thy1-YFP 쥐 뇌 절편의 공초점 현미경 이미지, (b) 쥐 뇌 절편 내 GFAP의 공초점 현미경 이미지, (c) 쥐 뇌 절편의 해마 부위 내 MBP의 공초점 현미경 이미지, (d) Confocal images of vimentin in BS-C-1 세포 내 vimentin의 공초점 현미경 이미지이다. 스케일 바: (a-c) 50 μm, (d) 20 μm.(a) Confocal microscopy images of Thy1-YFP rat brain sections labeled with GFP antibody, (b) Confocal microscopy images of GFAP in rat brain sections, (c) Confocal microscopy images of MBPs in the hippocampal region of rat brain sections , (d) Confocal images of vimentin in BS-C-1 cells. Scale bars: (a-c) 50 μm, (d) 20 μm.

도 13은 항체 복합체 간의 혼선 유무 검증 결과이다.13 is a result of verifying the presence or absence of crosstalk between antibody complexes.

도 13을 참고하면, 도 8 (e-h)에서 보여준 혼선 검증 이미지의 추가 실험 결과 이미지이다. Thy1-YFP 쥐 뇌 절편에 YFP 항체 복합체, neurofilament heavy chain(NF-H) 항체 복합체를 염색한다.Referring to FIG. 13 , it is an additional experimental result image of the crosstalk verification image shown in FIG. 8 (e-h). Thy1-YFP mouse brain sections are stained with YFP antibody complex and neurofilament heavy chain (NF-H) antibody complex.

(a) YFP의 형광 신호, (b) 항체 복합체로 염색한 NF-H(CF568, red), (c) a와 b를 합친 이미지이다. a와 b 사이에 혼선이 없음을 보았을 때, 일반 토끼 혈청(normal rabbit serum, NRS)이 결합하지 않은 Fab fragments 항체를 효과적으로 차단해주고 있음을 알 수 있다. 스케일 바: 50 μm.(a) YFP fluorescence signal, (b) NF-H stained with antibody complex (CF568, red), (c) a and b combined images. When it can be seen that there is no crosstalk between a and b, it can be seen that normal rabbit serum (NRS) effectively blocks the unbound Fab fragments antibody. Scale bar: 50 μm.

도 14는 항체 복합체를 사용하여 염색한 시료에서 상호정보량 최소화를 통한 신호 분리의 유효성 검증 결과이다.14 is a validation result of signal separation by minimizing the amount of mutual information in a sample stained using an antibody complex.

도 14를 참고하면, 쥐 뇌 절편을 calretinin(rabbit, CF568 conjugated) 항체 복합체와 GFAP(rabbit, ATTO Rho101 conjugated) 항체 복합체로 염색하고, GFAP(chicken, visualized by CF633) 항체로 간접 염색한 결과이다. Referring to FIG. 14, a mouse brain section was stained with a calretinin (rabbit, CF568 conjugated) antibody complex and GFAP (rabbit, ATTO Rho101 conjugated) antibody complex, and indirectly stained with an GFAP (chicken, visualized by CF633) antibody.

(a) 신호 분리 유효성 실험의 도식이고, (b) 첫번째 검출 파장대에서 557-nm로 여기 했을 때, calretinin 신호만 보인다. (c) 두번째 검출 파장대에서 557-nm로 여기 했을 때, calretinin 신호와 GFAP(rabbit) 신호 모두 보인다. (d) 신호 분리된 GFAP(rabbit) 이미지, (e) 일반 간접 면역 염색법으로 얻은 GFAP(chicken) 이미지, (f) b, d, e를 합친 이미지이다.(a) Schematic of the signal separation effectiveness experiment, (b) when excited at 557-nm in the first detection wavelength band, only the calretinin signal is seen. (c) When excited at 557-nm in the second detection wavelength band, both the calretinin signal and the GFAP (rabbit) signal are visible. (d) Signal-separated GFAP (rabbit) image, (e) GFAP (chicken) image obtained by general indirect immunostaining method, and (f) b, d, e are combined images.

도 15는 본 개시와 팽창 현미경(expansion microscopy, ExM)의 호환성 검증 결과이다.15 is a result of verifying compatibility between the present disclosure and an expansion microscopy (ExM).

도 15를 참고하면, 팽창 현미경이 적용된 쥐 뇌 절편의 신호 분리이미지이다. (a) 신호 분리 전(빨강: NeuN과 GFAP), (b) 신호 분리 후(빨강: NeuN, 초록: GFAP), (c) 신호 분리 전(빨강: Neurofilament heavy chain(NF-H)과 GluT), (d) 신호 분리 후(빨강: NF-H, 초록: GluT)이다. 스케일 바: 50 μm.15 , it is a signal separation image of a rat brain section to which an expansion microscope is applied. (a) before signal separation (red: NeuN and GFAP), (b) after signal separation (red: NeuN, green: GFAP), (c) before signal separation (red: Neurofilament heavy chain (NF-H) and GluT) , (d) after signal separation (red: NF-H, green: GluT). Scale bar: 50 μm.

도 16은 레이저 노출 시간(exposure time)에 따른 신호 밝기의 선형성 그래프이고, 도 17은 레이저 세기(laser intensity)에 따른 신호 밝기의 선형성 그래프이다.16 is a linearity graph of signal brightness according to laser exposure time, and FIG. 17 is a linearity graph of signal brightness according to laser intensity.

도 16을 참고하면, 최적화된 광학 필터를 사용하여 Andor 회전 디스크 공초점 현미경에서 10가지 형광 물질들의 레이저 노출 시간에 따른 밝기를 측정한다.Referring to FIG. 16 , the brightness of 10 fluorescent materials according to the laser exposure time was measured in an Andor rotating disk confocal microscope using an optimized optical filter.

(a-c) CF405S(빨강), ATTO390(초록), CF405L(파랑) 측정 결과이다.(a-c) CF405S (red), ATTO390 (green), and CF405L (blue) measurement results.

(d-f) CF488A(빨강), ATTO514(초록), ATTO490LS(파랑) 측정 결과이다.(d-f) CF488A (red), ATTO514 (green), ATTO490LS (blue) measurement results.

(g-h) CF568(빨강), ATTO Rho101(초록) 측정 결과이다.(g-h) CF568 (red) and ATTO Rho101 (green) measurement results.

(i-k) CF633(빨강), CF660R(초록) 측정 결과이다. (i-k) CF633 (red) and CF660R (green) measurement results.

도 17을 참고하면, 최적화된 광학 필터를 사용하여 Andor 회전 디스크 공초점 현미경에서 본 개시에 사용된 10가지 형광 물질들의 레이저 세기에 따른 밝기를 측정한다.Referring to FIG. 17 , brightness according to laser intensity of ten fluorescent materials used in the present disclosure is measured in an Andor rotating disk confocal microscope using an optimized optical filter.

(a-c) CF405S(빨강), ATTO390(초록), CF405L(파랑) 측정 결과이다.(a-c) CF405S (red), ATTO390 (green), and CF405L (blue) measurement results.

(d-f) CF488A(빨강), ATTO514(초록), ATTO490LS(파랑) 측정 결과이다.(d-f) CF488A (red), ATTO514 (green), ATTO490LS (blue) measurement results.

(g-h) CF568(빨강), ATTO Rho101(초록) 측정 결과이다.(g-h) CF568 (red) and ATTO Rho101 (green) measurement results.

(i-k) CF633(빨강), CF660R(초록) 측정 결과이다. (i-k) CF633 (red) and CF660R (green) measurement results.

도 18은 형광 물질 측정 기반 신호 분리를 설명하는 도면이다.18 is a diagram for explaining signal separation based on measurement of a fluorescent substance.

도 18을 참고하면, (a-d) 형광 물질 측정 기반 신호 분리에서, CF488A의 측정 α 값(도 16 및 도 17)을 이미징 시 설정했던 레이저 세기와 노출 시간을 기반으로 보정하여 신호 분리한다. (a) SV2A, (b) 신호 분리 전(SV2A와 GluT), (c) 신호 분리 후(GluT), (d) a와 c를 합친 이미지이다. 스케일 바: 50 μm.Referring to FIG. 18 , (a-d) In signal separation based on measurement of fluorescence, the measured α value of CF488A ( FIGS. 16 and 17 ) is corrected based on the laser intensity and exposure time set during imaging to separate signals. (a) SV2A, (b) before signal separation (SV2A and GluT), (c) after signal separation (GluT), (d) a and c combined images. Scale bar: 50 μm.

도 19는 본 개시의 다른 다분자 이미징 기술(t-CyCIF)로의 적용을 설명하는 도면이다.19 is a diagram for explaining application of the present disclosure to another multimolecular imaging technique (t-CyCIF).

도 19를 참고하면, (a) 형광 물질 불활성화 기술(t-CyCIF )과 본 개시를 같이 적용하는 개념 모식도이다.Referring to FIG. 19 , (a) is a conceptual schematic diagram of applying the fluorescent material inactivation technology (t-CyCIF) and the present disclosure together.

(b-c) 쥐 뇌 절편 해마에서의 공초점 현미경 이미지이다. (b) 첫 번째 이미징 라운드에서는 PV(CF488A, 빨강), NeuN(ATTO514, 초록), DAPI(파랑)을 표지 하였고, 상호정보량 최소화를 통해 신호 분리를 한다. (c) 형광 물질 불활성화 후, 두 번째 이미징 라운드에서 calretinin(CF488A, 빨강), GluT(ATTO514, 초록) and DAPI(파랑)을 표지 하였고, 상호정보량 최소화를 통해 신호 분리를 한다. 스케일 바: 50 μm.(b-c) Confocal microscopy images of the hippocampus of a rat brain slice. (b) In the first imaging round, PV (CF488A, red), NeuN (ATTO514, green), and DAPI (blue) were labeled, and signal separation was performed by minimizing the amount of mutual information. (c) After inactivation of the fluorescent material, calretinin (CF488A, red), GluT (ATTO514, green) and DAPI (blue) were labeled in the second imaging round, and signal separation was performed by minimizing the amount of mutual information. Scale bar: 50 μm.

도 20은 본 개시의 그람-슈미트 직교화를 통한 신호 분리 결과이다.20 is a signal separation result through Gram-Schmidt orthogonalization of the present disclosure.

도 20을 참고하면, 도 7 (e-h)의 분리 전 원본 이미지들을 그람-슈미트 직교화를 통한 신호 분리로 얻은 다분자 형광 이미지이다. Lamin A/C(첫번째 검출 파장대에서 얻은 이미지), GM130(두번째 검출 파장대에서 얻은 이미지에서 첫번째 검출 파장대 이미지를 분리해 낸 후 이미지), vimentin(large stoke's shift 형광 물질로 얻은 이미지)를 타겟 하여 염색 후 신호 분리하였다. 스케일 바: 30 μm.Referring to FIG. 20 , it is a multimolecular fluorescence image obtained by signal separation through Gram-Schmidt orthogonalization of the original images before separation of FIG. 7 (e-h). After staining by targeting Lamin A/C (image obtained in the first detection wavelength band), GM130 (image obtained after separating the image in the first detection wavelength band from the image obtained in the second detection wavelength band), and vimentin (image obtained with large stoke's shift fluorescent material) signal was separated. Scale bar: 30 μm.

하기 [표 2]는 본 개시가 작동함을 검증한 1차 항체의 리스트이다.Table 2 below is a list of primary antibodies that have been validated that the present disclosure works.

## AntibodyAntibody VendorVendor Catalog#Catalog# HostHost ClonalityClonality Mouse brain markermouse brain marker 1One ABATABAT ATLASATLAS HPA041690HPA041690 RbRb PolyPoly 22 α-internexin/NF66α-internexin/NF66 EnCorEnCor RPCA-α-IntRPCA-α-Int RbRb PolyPoly 33

Figure 112020074106419-pat00036
-tubulin
Figure 112020074106419-pat00036
-tubulin AbcamAbcam ab6046ab6046 RbRb PolyPoly 44 ARFGEF1ARFGEF1 ATLASATLAS HPA023822HPA023822 RbRb PolyPoly 55 CalbindinCalbindin AbcamAbcam ab11426ab11426 RbRb PolyPoly 66 CalretininCalretinin AbcamAbcam ab702ab702 RbRb PolyPoly 77 CAMK2BCAMK2B ATLASATLAS HPA026307HPA026307 RbRb PolyPoly 88 DDX3XDDX3X ATLASATLAS HPA001648HPA001648 RbRb PolyPoly 99 E1F1AXE1F1AX ATLASATLAS HPA002561HPA002561 RbRb PolyPoly 1010 FGF3FGF3 ATLASATLAS HPA012692HPA012692 RbRb PolyPoly 1111 GABA-A receptor α1GABA-A receptor α1 SYSYSYSY 224 203224 203 RbRb PolyPoly 1212 GAD 65/67GAD 65/67 MilliporeMillipore AB1511AB1511 RbRb PolyPoly 1313 GFAPGFAP HPAHPA HPA056030HPA056030 RbRb PolyPoly 1414 GFPGFP AbcamAbcam ab290ab290 RbRb PolyPoly 1515 GluR1GluR1 AbcamAbcam ab31232ab31232 RbRb PolyPoly 1616 Iba1Iba1 SYSYSYSY 234 003234 003 RbRb PolyPoly 1717 INAINA ATLASATLAS HPA008057HPA008057 RbRb PolyPoly 1818 Lamin B1Lamin B1 AbcamAbcam ab16048ab16048 RbRb PolyPoly 1919 LamininLaminin AbcamAbcam ab11575ab11575 RbRb PolyPoly 2020 LamininLaminin EnCorEnCor RPCA-LamininRPCA-Laminin RbRb PolyPoly 2121 LHX2LHX2 ATLASATLAS HPA000838HPA000838 RbRb PolyPoly 2222 MAP2MAP2 AbcamAbcam ab32454ab32454 RbRb PolyPoly 2323 MBPMBP AbcamAbcam ab40390ab40390 RbRb PolyPoly 2424 MBPMBP HPAHPA HPA049222HPA049222 RbRb PolyPoly 2525 MBPMBP AvesAves MBPMBP ChkChk PolyPoly 2626 NECAB2NECAB2 ATLASATLAS HPA013998HPA013998 RbRb PolyPoly 2727 NeuNNeuN MilliporeMillipore ABN78ABN78 RbRb PolyPoly 2828 Neurofilament 200Neurofilament 200 SigmaSigma N4142N4142 RbRb PolyPoly 2929 Neurofilament-MNeurofilament-M EnCorEnCor RPCA-NF-MRPCA-NF-M RbRb PolyPoly 3030 Neuropeptide YNeuropeptide Y ImmunostarImmunostar 2294022940 RbRb PolyPoly 3131 ParvalbuminParvalbumin NovusNovus NB120-11427NB120-11427 RbRb PolyPoly 3232 PCP4PCP4 ATLASATLAS HPA005792HPA005792 RbRb PolyPoly 3333 RAP1GAPRAP1GAP ATLASATLAS HPA001922HPA001922 RbRb PolyPoly 3434 SLC2A1SLC2A1 ATLASATLAS HPA031345HPA031345 RbRb PolyPoly 3535 Sox2Sox2 SYSYSYSY 347 003347 003 RbRb PolyPoly 3636 SomatostatinSomatostatin HPAHPA HPA019472HPA019472 RbRb PolyPoly 3737 SV2ASV2A AbcamAbcam ab32942ab32942 RbRb PolyPoly 3838 TBR1TBR1 AbcamAbcam ab31940ab31940 RbRb PolyPoly 3939 THTH AbcamAbcam ab112ab112 RbRb PolyPoly 4040 VAMP2VAMP2 abcamabcam ab3347ab3347 RbRb PolyPoly 4141 ZNF3ZNF3 ATLASATLAS HPA003719HPA003719 RbRb PolyPoly Cell markercell marker 4242
Figure 112020074106419-pat00037
-tubulin
Figure 112020074106419-pat00037
-tubulin
AbcamAbcam ab6046ab6046 RbRb PolyPoly
4343 Clathrin heavy chainClathrin heavy chain AbcamAbcam ab21679ab21679 RbRb PolyPoly 4444 Collagen IVCollagen IV AbcamAbcam ab6586ab6586 RbRb PolyPoly 4545 FibronectinFibronectin AbcamAbcam ab2413ab2413 RbRb PolyPoly 4646 GM130GM130 AbcamAbcam ab52649ab52649 RbRb MonoMono 4747 LaminB1LaminB1 AbcamAbcam ab16048ab16048 RbRb PolyPoly 4848 PericentrinPericentrin AbcamAbcam ab4448ab4448 RbRb PolyPoly Human tissue markerhuman tissue markers 4949 KRT19KRT19 ATLASATLAS HPA002465HPA002465 RbRb PolyPoly 5050 COX IVCOX IV AbcamAbcam ab16056ab16056 RbRb PolyPoly 5151 Histone H3Histone H3 AbcamAbcam ab1791ab1791 RbRb PolyPoly 5252 VimentinVimentin AbcamAbcam ab45939ab45939 RbRb PolyPoly 5353 LaminB1LaminB1 AbcamAbcam ab16048ab16048 RbRb PolyPoly 5454 FibronectinFibronectin AbcamAbcam ab2413ab2413 RbRb PolyPoly 5555 Collagen IVCollagen IV AbcamAbcam ab6586ab6586 RbRb PolyPoly

상기 [표 3]은 본 개시가 테스트한 형광 물질의 리스트이다.[Table 3] is a list of fluorescent materials tested by the present disclosure.

## DyeDye VendorVendor Catalog#Catalog# 1One ATTO390ATTO390 ATTO-TECATTO-TEC AD 390-31AD 390-31 22 CF405SCF405S BiotiumBiotium #92110#92110 33 CF405MCF405M BiotiumBiotium #92111#92111 44 CF405LCF405L BiotiumBiotium #92112#92112 55 Dylight405Dylight405 Life technologiesLife technologies 4640046400 66 ATTO430LSATTO430LS ATTO-TECATTO-TEC AD 430LS-31AD 430LS-31 77 CF488ACF488A BiotiumBiotium #92120#92120 88 ATTO488ATTO488 ATTO-TECATTO-TEC AD 488-31AD 488-31 99 Alexa488Alexa488 Life technologiesLife technologies A20000A20000 1010 ATTO490LSATTO490LS ATTO-TECATTO-TEC AD 490LS-31AD 490LS-31 1111 ATTO514ATTO514 ATTO-TECATTO-TEC AD 514-31AD 514-31 1212 CF514CF514 BiotiumBiotium #92103#92103 1313 ATTO532ATTO532 ATTO-TECATTO-TEC AD 532-31AD 532-31 1414 Alexa546Alexa546 Life technologiesLife technologies A20002A20002 1515 ATTO565ATTO565 ATTO-TECATTO-TEC AD 565-31AD 565-31 1616 CF568CF568 BiotiumBiotium #92131#92131 1717 ATTO Rho101ATTO Rho101 ATTO-TECATTO-TEC AD Rho101-31AD Rho101-31 1818 Alexa594*Alexa594* Jackson
ImmunoResearch
Jackson
ImmunoResearch
111-587-008111-587-008
1919 ATTO594ATTO594 ATTO-TECATTO-TEC AD 594-31AD 594-31 2020 ATTO633ATTO633 ATTO-TECATTO-TEC AD 633-31AD 633-31 2121 CF633CF633 BiotiumBiotium #92133#92133 2222 Alexa647*Alexa647* Jackson
ImmunoResearch
Jackson
ImmunoResearch
111-607-008111-607-008
2323 ATTO647NATTO647N ATTO-TECATTO-TEC AD 647N-31AD 647N-31 2424 Alexa680*Alexa680* Jackson
ImmunoResearch
Jackson
ImmunoResearch
111-627-008111-627-008
2525 CF660RCF660R BiotiumBiotium #92134#92134 2626 CF680RCF680R BiotiumBiotium #92107#92107

본 개시의 다양한 실시예들에 따른 전자 장치(200)의 동작 방법은, 상이한 생체 분자들에 각각 표지 되어 있는 복수의 형광 물질들에 대해, 적어도 하나의 이미지를 획득하는 단계(310), 및 획득된 이미지를 생체 분자들 각각에 대한 이미지들로 분리하는 단계(320)를 포함할 수 있다. The method of operating the electronic device 200 according to various embodiments of the present disclosure includes acquiring at least one image for a plurality of fluorescent materials each labeled with different biomolecules ( 310 ), and acquiring It may include a step 320 of separating the obtained image into images for each of the biomolecules.

다양한 실시예들에 따르면, 형광 물질들 중 적어도 어느 두 개는, 유사한 파장대의 방출 스펙트럼들을 각각 나타낼 수 있다. According to various embodiments, at least any two of the fluorescent materials may respectively exhibit emission spectra of a similar wavelength band.

다양한 실시예들에 따르면, 파장대는, 방출 스펙트럼들 중 어느 하나의 일부에 대응하는 제 1 검출 파장대, 및 방출 스펙트럼들 중 어느 하나의 적어도 일부와 방출 스펙트럼들 중 다른 하나의 적어도 일부가 겹쳐져 있는 제 2 검출 파장대를 포함할 수 있다. 다양한 실시예들에 따르면, 이미지를 획득하는 단계(310)는, 제 1 검출 파장대의 제 1 이미지를 획득하는 단계, 및 제 2 검출 파장대의 제 2 이미지를 획득하는 단계를 포함할 수 있다. According to various embodiments, the wavelength band includes a first detection wavelength band corresponding to a portion of any one of the emission spectra, and a second wavelength band in which at least a portion of any one of the emission spectra overlaps with at least a portion of the other of the emission spectra. It may include two detection wavelength bands. According to various embodiments, acquiring an image 310 may include acquiring a first image in a first detection wavelength band, and acquiring a second image in a second detection wavelength band.

다양한 실시예들에 따르면, 획득된 이미지를 분리하는 단계(320)는, 제 1 이미지를 기반으로, 제 2 이미지로부터 제 3 이미지를 획득하는 단계를 포함할 수 있다.According to various embodiments, the step of separating the obtained image 320 may include obtaining a third image from a second image based on the first image.

다양한 실시예들에 따르면, 제 1 이미지가 생체 분자들 중 어느 하나의 이미지로 검출되고, 제 3 이미지가 생체 분자들 중 다른 하나의 이미지로 검출될 수 있다.According to various embodiments, the first image may be detected as one image among biomolecules, and the third image may be detected as another image of biomolecules.

다양한 실시예들에 따르면, 제 3 이미지를 획득하는 단계는, 제 2 이미지로부터 제 1 이미지와 제 2 이미지 사이에서 공유되는 정보를 최소화함으로써, 제 3 이미지를 획득할 수 있다. According to various embodiments, the acquiring of the third image may include acquiring the third image by minimizing information shared between the first image and the second image from the second image.

다양한 실시예들에 따르면, 제 3 이미지를 획득하는 단계는, 제 1 검출 파장대에서의 형광 물질들 중 어느 하나의 밝기와 제 2 검출 파장대에서의 형광 물질들 중 어느 하나의 밝기에 대한 비율을 예측하는 단계, 및 비율을 기반으로, 제 2 이미지로부터 제 3 이미지를 획득하는 단계를 포함할 수 있다. According to various embodiments, the acquiring of the third image may include predicting a ratio of the brightness of any one of the fluorescent materials in the first detection wavelength band to the brightness of any one of the fluorescent materials in the second detection wavelength band. and obtaining a third image from the second image based on the ratio.

다양한 실시예들에 따르면, 비율을 기반으로, 제 3 이미지를 획득하는 단계는, 제 2 이미지로부터 비율과 제 1 이미지를 곱한 결과를 뺌으로써, 제 3 이미지를 획득하는 단계를 포함할 수 있다. According to various embodiments, the obtaining of the third image based on the ratio may include obtaining the third image by subtracting a result of multiplying the ratio by the first image from the second image.

다양한 실시예들에 따르면, 이미지를 획득하는 단계(310)는, 파장대의 빛이 형광 물질들에 조사됨에 따라, 형광 물질들 중 적어도 어느 두 개의 방출 스펙트럼들에 대한 이미지를 생성하는 단계를 더 포함하고, 제 1 이미지와 제 2 이미지는 생성된 이미지로부터 각각 획득될 수 있다. According to various embodiments, the step of acquiring an image 310 may further include generating an image of emission spectra of at least any two of the fluorescent materials as light in a wavelength band is irradiated to the fluorescent materials. and the first image and the second image may be respectively obtained from the generated images.

일 실시예에 따르면, 제 1 이미지와 제 2 이미지는, 대역 필터에 의해, 각각 획득될 수 있다. According to an embodiment, the first image and the second image may be respectively obtained by a bandpass filter.

다른 실시예에 따르면, 제 1 이미지와 제 2 이미지는, 스펙트랄 디텍터에 의해, 각각 획득될 수 있다. According to another embodiment, the first image and the second image may be respectively acquired by a spectral detector.

본 개시의 다양한 실시예들에 따른 전자 장치(200)는, 메모리(240), 및 메모리(240)와 연결되고, 메모리(240)에 저장된 적어도 하나의 명령을 실행하도록 구성된 프로세서(250)를 포함하고, 프로세서(250)는, 상이한 생체 분자들에 각각 표지 되어 있는 복수의 형광 물질들에 대해, 적어도 하나의 이미지를 획득하고, 획득된 이미지를 생체 분자들 각각에 대한 이미지들로 분리하도록 구성될 수 있다. The electronic device 200 according to various embodiments of the present disclosure includes a memory 240 and a processor 250 connected to the memory 240 and configured to execute at least one instruction stored in the memory 240 . and the processor 250 may be configured to acquire at least one image for a plurality of fluorescent materials each labeled with different biomolecules, and to separate the obtained image into images for each of the biomolecules. can

다양한 실시예들에 따르면, 형광 물질들 중 적어도 어느 두 개는, 유사한 파장대의 방출 스펙트럼들을 각각 나타낼 수 있다. According to various embodiments, at least any two of the fluorescent materials may respectively exhibit emission spectra of a similar wavelength band.

다양한 실시예들에 따르면, 파장대는, 방출 스펙트럼들 중 어느 하나의 일부에 대응하는 제 1 검출 파장대, 및 방출 스펙트럼들 중 어느 하나의 적어도 일부와 방출 스펙트럼들 중 다른 하나의 적어도 일부가 겹쳐져 있는 제 2 검출 파장대를 포함할 수 있다. According to various embodiments, the wavelength band includes a first detection wavelength band corresponding to a portion of any one of the emission spectra, and a second wavelength band in which at least a portion of any one of the emission spectra overlaps with at least a portion of the other of the emission spectra. It may include two detection wavelength bands.

다양한 실시예들에 따르면, 프로세서(250)는, 제 1 검출 파장대의 제 1 이미지를 획득하고, 제 2 검출 파장대의 제 2 이미지를 획득하도록 구성될 수 있다. According to various embodiments, the processor 250 may be configured to acquire a first image in a first detection wavelength band and to acquire a second image in a second detection wavelength band.

다양한 실시예들에 따르면, 프로세서(250)는, 제 1,2 이미지를 기반으로, 제 2 이미지로부터 제 3 이미지를 획득하고, 제 1 이미지를 생체 분자들 중 어느 하나의 이미지로 검출하고, 제 3 이미지를 생체 분자들 중 다른 하나의 이미지로 검출하도록 구성될 수 있다. According to various embodiments, the processor 250 obtains a third image from a second image based on the first and second images, detects the first image as any one image among biomolecules, and 3 images may be configured to detect an image of the other of the biomolecules.

다양한 실시예들에 따르면, 프로세서(250)는, 제 2 이미지로부터 제 1 이미지와 제 2 이미지 사이에서 공유되는 정보를 최소화함으로써, 제 3 이미지를 획득하도록 구성될 수 있다. According to various embodiments, the processor 250 may be configured to obtain the third image by minimizing information shared between the first image and the second image from the second image.

다양한 실시예들에 따르면, 프로세서(250)는, 제 1 검출 파장대에서의 형광 물질들 중 어느 하나의 밝기와 제 2 검출 파장대에서의 형광 물질들 중 어느 하나의 밝기에 대한 비율을 예측하고, 비율을 기반으로, 제 2 이미지로부터 제 3 이미지를 획득하도록 구성될 수 있다. According to various embodiments, the processor 250 predicts a ratio of the brightness of any one of the fluorescent materials in the first detection wavelength band to the brightness of any one of the fluorescent materials in the second detection wavelength band, and the ratio may be configured to obtain a third image from the second image.

다양한 실시예들에 따르면, 프로세서(250)는, 제 2 이미지로부터 비율과 제 1 이미지를 곱한 결과를 뺌으로써, 제 3 이미지를 획득하도록 구성될 수 있다. According to various embodiments, the processor 250 may be configured to obtain the third image by subtracting a result of multiplying the ratio by the first image from the second image.

다양한 실시예들에 따르면, 프로세서(250)는, 파장대의 빛이 형광 물질들에 조사됨에 따라, 형광 물질들 중 적어도 어느 두 개의 방출 스펙트럼들에 대한 이미지를 생성하고, 생성된 이미지로부터 제 1 이미지와 제 2 이미지를 각각 획득하도록 구성될 수 있다. According to various embodiments, the processor 250 generates an image of emission spectra of at least two of the fluorescent materials as light in a wavelength band is irradiated to the fluorescent materials, and a first image from the generated image and a second image, respectively.

일 실시예에 따르면, 제 1 이미지와 제 2 이미지는, 대역 필터에 의해, 각각 획득될 수 있다. According to an embodiment, the first image and the second image may be respectively obtained by a bandpass filter.

다른 실시예에 따르면, 제 1 이미지와 제 2 이미지는, 스펙트랄 디텍터에 의해, 각각 획득될 수 있다. According to another embodiment, the first image and the second image may be respectively acquired by a spectral detector.

이상에서 설명한 본 개시의 실시예는 장치 및 방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 본 개시의 실시예의 구성에 대응하는 기능을 실현하는 프로그램 또는 그 프로그램이 기록된 기록 매체를 통해 구현될 수도 있다.The embodiment of the present disclosure described above is not implemented only through the apparatus and method, and may be implemented through a program for realizing a function corresponding to the configuration of the embodiment of the present disclosure or a recording medium in which the program is recorded.

이상에서 본 개시의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 개시의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 개시의 기본 개념을 이용한 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 개시의 권리범위에 속하는 것이다. Although the embodiments of the present disclosure have been described in detail above, the scope of the present disclosure is not limited thereto, and various modifications and improvements using the basic concept of the present disclosure defined in the following claims are also provided. will belong to

Claims (20)

전자 장치의 동작 방법에 있어서,
상이한 생체 분자들에 각각 표지 되어 있는 복수의 형광 물질들에 대해, 적어도 하나의 이미지를 획득하는 단계; 및
상기 획득된 이미지를 상기 생체 분자들 각각에 대한 이미지들로 분리하는 단계를 포함하고,
상기 형광 물질들 중 적어도 어느 두 개는,
유사한 파장대의 방출 스펙트럼들을 각각 나타내고,
상기 파장대는,
상기 방출 스펙트럼들 중 어느 하나의 일부에 대응하는 제 1 검출 파장대, 및
상기 방출 스펙트럼들 중 어느 하나의 적어도 일부와 상기 방출 스펙트럼들 중 다른 하나의 적어도 일부가 겹쳐져 있는 제 2 검출 파장대를 포함하고,
상기 이미지를 획득하는 단계는,
상기 제 1 검출 파장대의 제 1 이미지를 획득하는 단계; 및
상기 제 2 검출 파장대의 제 2 이미지를 획득하는 단계를 포함하고,
상기 획득된 이미지를 분리하는 단계는,
상기 제 1 이미지를 기반으로, 상기 제 2 이미지로부터 제 3 이미지를 획득하는 단계를 포함하고,
상기 제 1 이미지가 상기 생체 분자들 중 어느 하나의 이미지로 검출되고,
상기 제 3 이미지가 상기 생체 분자들 중 다른 하나의 이미지로 검출되고,
상기 제 3 이미지를 획득하는 단계는,
상기 제 1 이미지와 상기 제 2 이미지를 직교화함으로써, 상기 제 3 이미지를 획득하는 방법.
A method of operating an electronic device, comprising:
acquiring at least one image for a plurality of fluorescent materials each labeled with different biomolecules; and
Separating the acquired image into images for each of the biomolecules,
At least any two of the fluorescent materials,
each of the emission spectra of a similar wavelength band,
The wavelength band,
a first detection wavelength band corresponding to a portion of any one of the emission spectra, and
a second detection wavelength band in which at least a portion of any one of the emission spectra overlaps with at least a portion of the other one of the emission spectra;
Acquiring the image includes:
acquiring a first image in the first detection wavelength band; and
acquiring a second image of the second detection wavelength band;
Separating the acquired image comprises:
based on the first image, obtaining a third image from the second image;
The first image is detected as any one image of the biomolecules,
the third image is detected as an image of the other one of the biomolecules;
The step of obtaining the third image is
A method of obtaining the third image by orthogonalizing the first image and the second image.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 전자 장치의 동작 방법에 있어서,
상이한 생체 분자들에 각각 표지 되어 있는 복수의 형광 물질들에 대해, 적어도 하나의 이미지를 획득하는 단계; 및
상기 획득된 이미지를 상기 생체 분자들 각각에 대한 이미지들로 분리하는 단계를 포함하고,
상기 형광 물질들 중 적어도 어느 두 개는,
유사한 파장대의 방출 스펙트럼들을 각각 나타내고,
상기 파장대는,
상기 방출 스펙트럼들 중 어느 하나의 일부에 대응하는 제 1 검출 파장대, 및
상기 방출 스펙트럼들 중 어느 하나의 적어도 일부와 상기 방출 스펙트럼들 중 다른 하나의 적어도 일부가 겹쳐져 있는 제 2 검출 파장대를 포함하고,
상기 이미지를 획득하는 단계는,
상기 제 1 검출 파장대의 제 1 이미지를 획득하는 단계; 및
상기 제 2 검출 파장대의 제 2 이미지를 획득하는 단계를 포함하고,
상기 획득된 이미지를 분리하는 단계는,
상기 제 1 이미지를 기반으로, 상기 제 2 이미지로부터 제 3 이미지를 획득하는 단계를 포함하고,
상기 제 1 이미지가 상기 생체 분자들 중 어느 하나의 이미지로 검출되고,
상기 제 3 이미지가 상기 생체 분자들 중 다른 하나의 이미지로 검출되고,
상기 제 3 이미지를 획득하는 단계는,
상기 제 1 검출 파장대에서의 상기 형광 물질들 중 어느 하나의 밝기와 상기 제 2 검출 파장대에서의 상기 형광 물질들 중 어느 하나의 밝기에 대한 비율을 예측하는 단계; 및
상기 비율을 기반으로, 상기 제 2 이미지로부터 상기 제 3 이미지를 획득하는 단계를 포함하는 방법.
A method of operating an electronic device, comprising:
acquiring at least one image for a plurality of fluorescent materials each labeled with different biomolecules; and
Separating the acquired image into images for each of the biomolecules,
At least any two of the fluorescent materials,
each of the emission spectra of a similar wavelength band,
The wavelength band,
a first detection wavelength band corresponding to a portion of any one of the emission spectra, and
a second detection wavelength band in which at least a portion of any one of the emission spectra overlaps with at least a portion of the other one of the emission spectra;
Acquiring the image includes:
acquiring a first image in the first detection wavelength band; and
acquiring a second image of the second detection wavelength band;
Separating the acquired image comprises:
based on the first image, obtaining a third image from the second image;
The first image is detected as any one image of the biomolecules,
the third image is detected as an image of the other one of the biomolecules;
The step of obtaining the third image is
predicting a ratio of the brightness of any one of the fluorescent materials in the first detection wavelength band to the brightness of any one of the fluorescent materials in the second detection wavelength band; and
based on the ratio, obtaining the third image from the second image.
제 7 항에 있어서, 상기 비율을 기반으로, 상기 제 3 이미지를 획득하는 단계는,
상기 제 2 이미지로부터 상기 비율과 상기 제 1 이미지를 곱한 결과를 뺌으로써, 상기 제 3 이미지를 획득하는 단계를 포함하는 방법.
8. The method of claim 7, wherein, based on the ratio, obtaining the third image comprises:
and obtaining the third image by subtracting the result of multiplying the ratio by the first image from the second image.
제 8 항에 있어서, 상기 이미지를 획득하는 단계는,
상기 파장대의 빛이 상기 형광 물질들에 조사됨에 따라, 상기 형광 물질들 중 적어도 어느 두 개의 방출 스펙트럼들에 대한 이미지를 생성하는 단계를 더 포함하고,
상기 제 1 이미지와 상기 제 2 이미지는 상기 생성된 이미지로부터 각각 획득되는 방법.
The method of claim 8, wherein acquiring the image comprises:
The method further comprises generating an image of emission spectra of at least any two of the fluorescent materials as the light in the wavelength band is irradiated to the fluorescent materials,
wherein the first image and the second image are respectively obtained from the generated image.
제 9 항에 있어서, 상기 제 1 이미지와 상기 제 2 이미지는,
대역 필터 또는 스펙트랄 디텍터에 의해, 각각 획득되는 방법.
10. The method of claim 9, wherein the first image and the second image,
A method obtained by a bandpass filter or a spectral detector, respectively.
전자 장치에 있어서,
메모리; 및
상기 메모리와 연결되고, 상기 메모리에 저장된 적어도 하나의 명령을 실행하도록 구성된 프로세서를 포함하고,
상기 프로세서는,
상이한 생체 분자들에 각각 표지되어 있는 복수의 형광 물질들에 대해, 적어도 하나의 이미지를 획득하고,
상기 획득된 이미지를 상기 생체 분자들 각각에 대한 이미지들로 분리하도록 구성되고,
상기 형광 물질들 중 적어도 어느 두 개는,
유사한 파장대의 방출 스펙트럼들을 각각 나타내고,
상기 파장대는,
상기 방출 스펙트럼들 중 어느 하나의 일부에 대응하는 제 1 검출 파장대, 및
상기 방출 스펙트럼들 중 어느 하나의 적어도 일부와 상기 방출 스펙트럼들 중 다른 하나의 적어도 일부가 겹쳐져 있는 제 2 검출 파장대를 포함하고,
상기 프로세서는,
상기 제 1 검출 파장대의 제 1 이미지를 획득하고,
상기 제 2 검출 파장대의 제 2 이미지를 획득하고,
상기 제 1 이미지를 기반으로, 상기 제 2 이미지로부터 제 3 이미지를 획득하고,
상기 제 1 이미지를 상기 생체 분자들 중 어느 하나의 이미지로 검출하고,
상기 제 3 이미지를 상기 생체 분자들 중 다른 하나의 이미지로 검출하도록 구성되고,
상기 프로세서는,
상기 제 1 이미지와 상기 제 2 이미지를 직교화함으로써, 상기 제 3 이미지를 획득하도록 구성되는 장치.
In an electronic device,
Memory; and
a processor coupled to the memory and configured to execute at least one instruction stored in the memory;
The processor is
For a plurality of fluorescent materials each labeled with different biomolecules, at least one image is acquired,
configured to separate the acquired image into images for each of the biomolecules,
At least any two of the fluorescent materials,
each of the emission spectra of a similar wavelength band,
The wavelength band,
a first detection wavelength band corresponding to a portion of any one of the emission spectra, and
a second detection wavelength band in which at least a portion of any one of the emission spectra overlaps with at least a portion of the other one of the emission spectra;
The processor is
acquiring a first image of the first detection wavelength band;
acquiring a second image of the second detection wavelength band;
Based on the first image, obtaining a third image from the second image,
detecting the first image as an image of any one of the biomolecules;
configured to detect the third image as an image of the other one of the biomolecules;
The processor is
and obtain the third image by orthogonalizing the first image and the second image.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 전자 장치에 있어서,
메모리; 및
상기 메모리와 연결되고, 상기 메모리에 저장된 적어도 하나의 명령을 실행하도록 구성된 프로세서를 포함하고,
상기 프로세서는,
상이한 생체 분자들에 각각 표지되어 있는 복수의 형광 물질들에 대해, 적어도 하나의 이미지를 획득하고,
상기 획득된 이미지를 상기 생체 분자들 각각에 대한 이미지들로 분리하도록 구성되고,
상기 형광 물질들 중 적어도 어느 두 개는,
유사한 파장대의 방출 스펙트럼들을 각각 나타내고,
상기 파장대는,
상기 방출 스펙트럼들 중 어느 하나의 일부에 대응하는 제 1 검출 파장대, 및
상기 방출 스펙트럼들 중 어느 하나의 적어도 일부와 상기 방출 스펙트럼들 중 다른 하나의 적어도 일부가 겹쳐져 있는 제 2 검출 파장대를 포함하고,
상기 프로세서는,
상기 제 1 검출 파장대의 제 1 이미지를 획득하고,
상기 제 2 검출 파장대의 제 2 이미지를 획득하고,
상기 제 1 이미지를 기반으로, 상기 제 2 이미지로부터 제 3 이미지를 획득하고,
상기 제 1 이미지를 상기 생체 분자들 중 어느 하나의 이미지로 검출하고,
상기 제 3 이미지를 상기 생체 분자들 중 다른 하나의 이미지로 검출하도록 구성되고,
상기 프로세서는,
상기 제 1 검출 파장대에서의 상기 형광 물질들 중 어느 하나의 밝기와 상기 제 2 검출 파장대에서의 상기 형광 물질들 중 어느 하나의 밝기에 대한 비율을 예측하고,
상기 비율을 기반으로, 상기 제 2 이미지로부터 상기 제 3 이미지를 획득하도록 구성되는 장치.
In an electronic device,
Memory; and
a processor coupled to the memory and configured to execute at least one instruction stored in the memory;
The processor is
For a plurality of fluorescent materials each labeled with different biomolecules, at least one image is acquired,
configured to separate the acquired image into images for each of the biomolecules,
At least any two of the fluorescent materials,
each of the emission spectra of a similar wavelength band,
The wavelength band,
a first detection wavelength band corresponding to a portion of any one of the emission spectra, and
a second detection wavelength band in which at least a portion of any one of the emission spectra overlaps with at least a portion of the other one of the emission spectra;
The processor is
acquiring a first image of the first detection wavelength band;
acquiring a second image of the second detection wavelength band;
Based on the first image, obtaining a third image from the second image,
detecting the first image as an image of any one of the biomolecules;
configured to detect the third image as an image of the other one of the biomolecules;
The processor is
predicting a ratio of the brightness of any one of the fluorescent materials in the first detection wavelength band to the brightness of any one of the fluorescent materials in the second detection wavelength band;
and obtain the third image from the second image based on the ratio.
제 17 항에 있어서, 상기 프로세서는,
상기 제 2 이미지로부터 상기 비율과 상기 제 1 이미지를 곱한 결과를 뺌으로써, 상기 제 3 이미지를 획득하도록 구성되는 장치.
The method of claim 17, wherein the processor comprises:
and obtain the third image by subtracting the result of multiplying the ratio by the first image from the second image.
제 18 항에 있어서, 상기 프로세서는,
상기 파장대의 빛이 상기 형광 물질들에 조사됨에 따라, 상기 형광 물질들 중 적어도 어느 두 개의 방출 스펙트럼들에 대한 이미지를 생성하고,
상기 생성된 이미지로부터 상기 제 1 이미지와 상기 제 2 이미지를 각각 획득하도록 구성되는 장치.
The method of claim 18, wherein the processor comprises:
As the light of the wavelength band is irradiated to the fluorescent materials, an image of at least any two emission spectra of the fluorescent materials is generated,
an apparatus configured to obtain the first image and the second image from the generated image, respectively.
제 19 항에 있어서, 상기 제 1 이미지와 상기 제 2 이미지는,
대역 필터 또는 스펙트랄 디텍터에 의해, 각각 획득되는 장치.
The method of claim 19, wherein the first image and the second image,
A device obtained by a bandpass filter or a spectral detector, respectively.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2023043211A1 (en) * 2021-09-16 2023-03-23 한국과학기술원 Apparatus and method for processing image
CN114049330A (en) * 2021-11-16 2022-02-15 长春理工大学 Method and system for fusing fluorescence characteristics in fluorescence in-situ hybridization image
WO2024049192A1 (en) * 2022-08-30 2024-03-07 한국과학기술원 Image processing device and method using artificial neural network model

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2005036143A1 (en) * 2003-10-10 2005-04-21 Hamamatsu Photonics K.K. Method and system for determining concentration of fluorescent pigment
US20130045529A1 (en) 2007-01-26 2013-02-21 Edward Michael Goldberg Method, System, and Compositions for Cell Counting and Analysis
JP2015108549A (en) * 2013-12-04 2015-06-11 横河電機株式会社 Cell inspection equipment and method
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2015074005A1 (en) * 2013-11-17 2015-05-21 Quantum-Si Incorporated Active-source-pixel, integrated device for rapid analysis of biological and chemical speciments

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2005036143A1 (en) * 2003-10-10 2005-04-21 Hamamatsu Photonics K.K. Method and system for determining concentration of fluorescent pigment
US20130045529A1 (en) 2007-01-26 2013-02-21 Edward Michael Goldberg Method, System, and Compositions for Cell Counting and Analysis
JP2015108549A (en) * 2013-12-04 2015-06-11 横河電機株式会社 Cell inspection equipment and method
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