KR20220052256A - Method for stochastic optical reconstruction microscopy imaging and stochastic optical reconstruction microscopy imaging apparatus - Google Patents

Method for stochastic optical reconstruction microscopy imaging and stochastic optical reconstruction microscopy imaging apparatus Download PDF

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KR20220052256A
KR20220052256A KR1020210035404A KR20210035404A KR20220052256A KR 20220052256 A KR20220052256 A KR 20220052256A KR 1020210035404 A KR1020210035404 A KR 1020210035404A KR 20210035404 A KR20210035404 A KR 20210035404A KR 20220052256 A KR20220052256 A KR 20220052256A
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Abstract

Disclosed are an imaging method of an ultra-high-resolution fluorescence microscope, and an imaging device of an ultra-high-resolution fluorescence microscope. The present invention comprises: a step of culturing cells on cover glass; a step of fixating the cultured cells; a step of marking the fixated cells with fluorescent substances; a step of immersing the fluorescently marked cells in an imaging buffer solution; a step of measuring fluorescence of the cells by using an ultra-high-resolution fluorescence microscope to perform imaging of the fluorescence of the cells and analyzing a fluorescence signal; and a step of filtering the fluorescence signal. Laser power of the ultra-high-resolution fluorescence microscope is 6 mW to 50 mW.

Description

초고해상도 형광 현미경 이미징 방법 및 초고해상도 형광 현미경 이미징 장치{METHOD FOR STOCHASTIC OPTICAL RECONSTRUCTION MICROSCOPY IMAGING AND STOCHASTIC OPTICAL RECONSTRUCTION MICROSCOPY IMAGING APPARATUS}Ultra-high-resolution fluorescence microscopy imaging method and ultra-high-resolution fluorescence microscopy imaging apparatus

본 발명은 초고해상도 형광 현미경 이미징 방법 및 초고해상도 형광 현미경 이미징 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 낮은 세기의 레이저로도 이미징이 가능한 초고해상도 형광 현미경 이미징 방법 및 초고해상도 형광 현미경 이미징 장치에 관한 것이다.The present invention relates to an ultra-high-resolution fluorescence microscope imaging method and an ultra-high-resolution fluorescence microscope imaging device, and more particularly, to an ultra-high-resolution fluorescence microscope imaging method and an ultra-high-resolution fluorescence microscope imaging device capable of imaging even with a low-intensity laser.

최근 빛의 회절 한계라고도 불리는 광학 현미경의 이론적인 해상도를 뛰어넘은 초고해상도 형광 현미경 기술이 다양하게 개발되었다. 그 중에서 STORM(Stochastic Optical Reconstruction Microscopy: 초고해상도 형광 현미경 기술) 기술은 높은 세기의 레이저 파워에서 광 스위칭(photoswitching) 현상을 일으켜서 겹쳐져 있는 형광 분자(형광체 또는 형광 염료에 대응)들을 시간별로 분리하여 초고해상도로 이미징하는 기술이다.Recently, various ultra-high-resolution fluorescence microscopy techniques have been developed that exceed the theoretical resolution of optical microscopy, which is also called the diffraction limit of light. Among them, STORM (Stochastic Optical Reconstruction Microscopy) technology causes a photoswitching phenomenon at high laser power to separate overlapping fluorescent molecules (corresponding to phosphors or fluorescent dyes) by time to achieve ultra-high resolution. It is an imaging technique with

기존 STORM 기술은 낮은 세기의 레이저 파워에서는 형광 세기가 낮고 광 스위칭이 불가능하여 초고해상도 이미징이 불가능한 문제가 있다.Existing STORM technology has a problem in that ultra-high-resolution imaging is impossible because fluorescence intensity is low and optical switching is impossible at low laser power.

보다 구체적으로, 기존 STORM 기술은 낮은 세기의 레이저 파워에서는 광 스위칭이 잘 일어나지 않고 이미지의 해상도를 결정하는 형광 세기도 급격하게 떨어져서 초고해상도 이미징이 불가능하다는 어려움이 있다.More specifically, the conventional STORM technology has a difficulty in that ultra-high-resolution imaging is impossible because optical switching does not occur well at low laser power and the intensity of fluorescence that determines image resolution also drops sharply.

반면, 높은 세기의 레이저 파워에서는 형광체가 빠르게 광퇴색될 수 있고, 특히, 바이오 시료의 경우에는 높은 세기의 레이저 파워에 의해 구조가 파괴될 수 있어, 낮은 세기의 레이저 파워에서도 형광 이미징이 가능한 기술이 필요하다.On the other hand, in the case of a high-intensity laser power, the phosphor can be rapidly photobleached, and in particular, in the case of a bio sample, the structure can be destroyed by the high-intensity laser power. need.

대한민국 공개특허 제 2020-0024794호, "슈퍼-해상도 이미징"Republic of Korea Patent Publication No. 2020-0024794, "Super-resolution imaging" 대한민국 공개특허 제 2018-0130567호, "일반화된 스토캐스틱 초-해상 시퀀싱"Republic of Korea Patent Publication No. 2018-0130567, "Generalized Stochastic Super-Resolution Sequencing"

본 발명의 실시예는, 이미징 버퍼 용액의 화학적 조성(농도 또는/및 pH)을 조절함으로써 낮은 세기의 레이저 파워에서의 형광 세기를 높이고 광 스위칭을 활성화시킬 수 있으며, 해상도를 향상시킬 수 있는 초고해상도 형광 현미경 이미징 방법 및 초고해상도 형광 현미경 이미징 장치를 제공하기 위한 것이다.In an embodiment of the present invention, by adjusting the chemical composition (concentration and/or pH) of the imaging buffer solution, it is possible to increase the fluorescence intensity at low laser power, activate optical switching, and to improve resolution. An object of the present invention is to provide a fluorescence microscope imaging method and an ultra-high-resolution fluorescence microscope imaging apparatus.

또한, 상기 이미징 버퍼 용액은 낮은 세기의 레이저 파워 조건하에서도 유기 형광체에 광 스위칭을 빠르고 강하게 일으킬 수 있는 초고해상도 형광 현미경 이미징 방법 및 초고해상도 형광 현미경 이미징 장치를 제공하기 위한 것이다.In addition, the imaging buffer solution is to provide an ultra-high-resolution fluorescence microscope imaging method and an ultra-high-resolution fluorescence microscope imaging apparatus capable of rapidly and strongly causing optical switching in organic phosphors even under low-intensity laser power conditions.

본 발명의 실시예는, 낮은 세기의 레이저 파워에서 광 스위칭이 잘 되지 않아 생긴 시그널 오류를 이미지 분석을 통해 필터링시킴으로서 낮은 세기의 레이저 파워에서도 이미징이 가능한 초고해상도 형광 현미경 이미징 방법 및 초고해상도 형광 현미경 이미징 장치를 제공하기 위한 것이다.An embodiment of the present invention provides an ultra-high-resolution fluorescence microscopy imaging method and ultra-high-resolution fluorescence microscopy imaging method capable of imaging even at low laser power by filtering signal errors caused by poor optical switching at low intensity laser power through image analysis. to provide the device.

본 발명의 실시예에 따른 초고해상도 형광 현미경 이미징 방법은 커버 글라스(cover glass)에 세포를 배양하는 단계; 상기 배양된 세포를 고정(fixation)하는 단계; 상기 고정된 세포에 형광체를 표지(marker)하는 단계; 상기 형광표지된 세포를 이미징 버퍼 용액에 담지하는 단계; 초고해상도 형광 현미경을 이용하여 상기 세포의 형광을 측정하여 이미징하고, 형광 신호를 분석하는 단계; 및 상기 형광 신호를 필터링하는 단계;를 포함하고, 상기 초고해상도 형광 현미경의 레이저 파워(Laser Power)는 6mW 내지 50mW이다.Ultra-high-resolution fluorescence microscopy imaging method according to an embodiment of the present invention comprises the steps of culturing cells on a cover glass (cover glass); fixing the cultured cells; labeling the fixed cells with a fluorescent substance; immersing the fluorescently-labeled cells in an imaging buffer solution; measuring and imaging the fluorescence of the cells using an ultra-high-resolution fluorescence microscope, and analyzing the fluorescence signal; and filtering the fluorescence signal, wherein a laser power of the ultra-high-resolution fluorescence microscope is 6mW to 50mW.

상기 초고해상도 형광 현미경은 상기 레이저 파워에 따라, 단일 형광체의 이미징 위치(centroid) 분포에 대한 반치폭(FWHM) 및 형광 세기가 조절될 수 있다.In the ultra-high-resolution fluorescence microscope, the full width at half maximum (FWHM) and the fluorescence intensity of the distribution of the imaging centroid of a single phosphor may be adjusted according to the laser power.

상기 초고해상도 형광 현미경은 STORM(Stochastic Optical Reconstruction Microscopy)일 수 있다.The ultra-high-resolution fluorescence microscope may be Stochastic Optical Reconstruction Microscopy (STORM).

상기 이미징 버퍼 용액의 pH는 7.0 내지 9.0 일 수 있다.The pH of the imaging buffer solution may be 7.0 to 9.0.

상기 이미징 버퍼 용액은 Tris(2-amino-2-hydroxymethyl-1,3-propanediol) 용액, 싸이올(thiol) 화합물 및 탈산소제(oxygen scavenger) 시스템을 포함할 수 있다. The imaging buffer solution may include a Tris (2-amino-2-hydroxymethyl-1,3-propanediol) solution, a thiol compound, and an oxygen scavenger system.

상기 이미징 버퍼 용액에서 상기 싸이올(thiol) 화합물의 농도는 5 mM 내지 200 mM 일 수 있다.The concentration of the thiol compound in the imaging buffer solution may be 5 mM to 200 mM.

상기 탈산소제(oxygen scavenger) 시스템은 글루코스 산화효소(glucose oxidase), 글루코스(glucose) 및 과산화수소분해효소(catalase)를 포함할 수 있다. The oxygen scavenger system may include glucose oxidase, glucose, and catalase.

상기 형광표지는 시아닌계 염료(cyanine series) 아토계 염료(atto series), 플루오레세인계 염료(fluorescein seires), 로다민계 염료(rhodamine series), BODIPY계 염료 및 폴피린계 염료(phorphyrin series) 중 적어도 어느 하나의 염료로 표지될 수 있다.The fluorescent label is at least one of a cyanine series dye, atto series, fluorescein seires, rhodamine series, BODIPY dye, and phorphyrin series. It may be labeled with either dye.

상기 필터링은 EM-CCD 카메라 센서에서 감지되는 800(A.U.) 내지 2000(A.U.) 의 백그라운드 신호를 제거할 수 있다.The filtering may remove a background signal of 800 (A.U.) to 2000 (A.U.) detected by the EM-CCD camera sensor.

본 발명의 실시예에 따른 초고해상도 현광 현미경 장치는 이미징 버퍼 용액에 담지된 형광표지된 세포가 배치되는 플레이트; 상기 형광표지된 세포에 레이저를 조사하는 광원부; 및 상기 세포의 형광을 측정하여 이미징하고, 형광 신호를 분석하는 검출기;를 포함하고, 상기 레이저 파워는 6mW 내지 50mW 이다.An ultra-high-resolution fluorescence microscope apparatus according to an embodiment of the present invention comprises: a plate on which fluorescently-labeled cells supported in an imaging buffer solution are disposed; a light source unit irradiating a laser to the fluorescently labeled cells; and a detector measuring and imaging the fluorescence of the cells and analyzing the fluorescence signal, wherein the laser power is 6mW to 50mW.

상기 초고해상도 형광 현미경으로 측정한 단일 형광체의 이미징 위치(centroid) 분포에 대한 반치폭(FWHM)는 21.55nm 내지 50.00nm일 수 있다.The full width at half maximum (FWHM) for the distribution of the imaging centroid of a single phosphor measured with the ultra-high-resolution fluorescence microscope may be in the range of 21.55 nm to 50.00 nm.

상기 초고해상도 형광 현미경은 STORM(Stochastic Optical Reconstruction Microscopy)일 수 있다.The ultra-high-resolution fluorescence microscope may be Stochastic Optical Reconstruction Microscopy (STORM).

상기 이미징 버퍼 용액에서 싸이올(thiol) 화합물의 농도는 5 mM 내지 200 mM 일 수 있다.The concentration of the thiol compound in the imaging buffer solution may be 5 mM to 200 mM.

상기 이미징 버퍼 용액의 pH는 7.0 내지 9.0 일 수 있다.The pH of the imaging buffer solution may be 7.0 to 9.0.

상기 검출기는 상기 형광 신호를 필터링하고, 상기 필터링은 EM-CCD 카메라 센서에서 감지되는 800(A.U.) 내지 2000(A.U.)의 백그라운드 신호를 제거할 수 있다.The detector filters the fluorescence signal, and the filtering may remove a background signal of 800 (A.U.) to 2000 (A.U.) detected by the EM-CCD camera sensor.

본 발명의 실시예에 따르면, 이미징 버퍼 용액의 화학적 조성(농도 또는/및 pH)을 조절함으로서 낮은 세기의 레이저 파워에서의 형광 세기를 높이고 광 스위칭을 활성화시킬 수 있으며, 해상도를 향상시킬 수 있는 초고해상도 형광 현미경 이미징 방법 및 초고해상도 형광 현미경 이미징 장치를 제공할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, by adjusting the chemical composition (concentration and/or pH) of the imaging buffer solution, it is possible to increase the fluorescence intensity at low laser power, activate optical switching, and improve resolution. A high-resolution fluorescence microscope imaging method and an ultra-high-resolution fluorescence microscope imaging apparatus can be provided.

또한, 상기 이미징 버퍼 용액은 낮은 레이저 파워 조건하에서도 유기 형광체에 광 스위칭을 빠르고 강하게 일으킬 수 있다.In addition, the imaging buffer solution can quickly and strongly cause optical switching in the organic phosphor even under a low laser power condition.

본 발명의 실시예에 따르면, 낮은 세기의 레이저 파워에서 광 스위칭이 잘 되지 않아 생긴 시그널 오류를 이미지 분석을 통해 필터링시킴으로서 낮은 세기의 레이저 파워에서도 이미징이 가능한 초고해상도 형광 현미경 이미징 방법 및 초고해상도 형광 현미경 이미징 장치를 제공할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, an ultra-high-resolution fluorescence microscope imaging method and an ultra-high-resolution fluorescence microscope capable of imaging even at low laser power by filtering signal errors caused by poor optical switching at low intensity laser power through image analysis An imaging device may be provided.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 초고해상도 형광 현미경 이미징 방법을 도시한 흐름도이다.
도 2a 내지 도 2f는 레이저 세기(laser power)를 달리하여 촬영한 세포 내 미세 소관의 초고해상도 STORM 이미지 및 형광 세기 그래프이고, 도 3은 도 2a 내지 도 2f에 따른 형광 세기(Brightness; mean photon number)를 도시한 그래프이며, 도 4는 도 2a 내지 도 2f에 따른 단일 형광체의 이미징 위치(centroid) 분포에 대한 반치폭(full width at half maximum, FWHM)을 도시한 그래프이다.
도 5는 싸이올(thiol) 화합물의 농도(MEA의 농도에 대응)를 달리하여 촬영한 세포 내 미세 소관의 초고해상도 STORM 이미지를 도시한 것이고, 도 6은 도 5에 따른 형광 세기(Brightness; mean photon number)를 도시한 그래프이며, 도 7은 도 5에 따른 단일 형광체의 이미징 위치(centroid) 분포에 대한 반치폭(full width at half maximum, FWHM)을 도시한 그래프이다.
도 8은 이미징 버퍼 용액의 pH를 달리하여 촬영한 세포 내 미세 소관의 초고해상도 STORM 이미지를 도시한 것이고, 도 9는 도 8에 따른 형광 세기(Brightness; mean photon number)를 도시한 그래프이며, 도 10은 도 8에 따른 단일 형광체의 이미징 위치(centroid) 분포에 대한 반치폭(full width at half maximum, FWHM)을 도시한 그래프이다.
도 11은 비교예 1에 따른 이미징 버퍼 용액을 사용하여 촬영한 세포 내 미세 소관의 초고해상도 STORM 이미지 및 실시예 1에 따른 이미징 버퍼 용액을 사용하여 촬영한 세포 내 미세 소관의 초고해상도 STORM 이미지를 도시한 것이며, 도 12는 도 11에 따른 형광 세기(Brightness; mean photon number)를 도시한 그래프이고, 도 13은 도 11에 따른 단일 형광체의 이미징 위치(centroid) 분포에 대한 반치폭(full width at half maximum, FWHM)을 도시한 그래프이다.
도 14는 일반 형광 이미징 방법으로 촬영된 세포 내 미세소관의 형광 이미지이고, 도 15는 높은 세기의 레이저 파워(100mW)에서 비교예 1에 따른 이미징 버퍼 용액을 사용하여 촬영한 세포 내 미세 소관의 초고해상도 STORM 이미지이다.
도 16은 도 15에 따른 단일 형광체의 이미징 위치(centroid) 분포에 대한 반치폭을 도시한 그래프이고, 도 17은 도 15에 따른 형광 세기를 도시한 그래프이다.
도 18은 일반 형광 이미징 방법으로 촬영된 세포 내 미세소관의 형광 이미지이고, 도 19는 약한 레이저 파워(12mW)에서 비교예 1에 따른 이미징 버퍼 용액을 사용하여 촬영한 세포 내 미세 소관의 초고해상도 STORM 이미지이며, 도 20은 도 19에 따른 단일 형광체의 이미징 위치(centroid) 분포에 대한 반치폭을 도시한 그래프이고, 도 21은 도 19에 따른 형광 세기를 도시한 그래프이다.
도 22는 일반 형광 이미징 방법으로 촬영된 세포 내 미세소관의 형광 이미지이고, 도 23은 약한 레이저 파워(12mW)에서 실시예 2에 따른 이미징 버퍼 용액을 사용하여 촬영한 세포 내 미세 소관의 초고해상도 STORM 이미지이며, 도 24는 도 23에 따른 단일 형광체의 이미징 위치(centroid) 분포에 대한 반치폭을 도시한 그래프이고, 도 25는 도 23에 따른 형광 세기를 도시한 그래프이다.
도 26은 일반 형광 이미징 방법으로 촬영된 세포 내 미세소관의 형광 이미지이고, 도 27는 약한 레이저 파워(12mW)에서 실시예 3에 따른 이미징 버퍼 용액을 사용하여 촬영한 세포 내 미세 소관의 초고해상도 STORM 이미지이며, 도 28은 도 27에 따른 단일 형광체의 이미징 위치(centroid) 분포에 대한 반치폭을 도시한 그래프이고, 도 29는 도 27에 따른 형광 세기를 도시한 그래프이다.
도 30은 본 발명의 실시예에 따른 초고해상도 형광현미경 이미징 방법에서 신호 오류 필터링 이미지 분석에 따른 초고해상도 형광 이미징 효과를 도시한 초고해상도 STORM 이미지 및 그래프이다.
1 is a flowchart illustrating an ultra-high-resolution fluorescence microscope imaging method according to an embodiment of the present invention.
2A to 2F are ultra-high-resolution STORM images and fluorescence intensity graphs of intracellular microtubules taken with different laser power, and FIG. 3 is a fluorescence intensity (Brightness; mean photon number) according to FIGS. 2A to 2F. ), and FIG. 4 is a graph showing the full width at half maximum (FWHM) for the distribution of the imaging position (centroid) of a single phosphor according to FIGS. 2A to 2F .
FIG. 5 shows super-resolution STORM images of intracellular microtubules taken by varying the concentration of a thiol compound (corresponding to the concentration of MEA), and FIG. 6 is a fluorescence intensity (Brightness; mean) according to FIG. photon number), and FIG. 7 is a graph showing the full width at half maximum (FWHM) for the distribution of the imaging position (centroid) of the single phosphor according to FIG. 5 .
8 is a diagram showing an ultra-high-resolution STORM image of intracellular microtubules taken by varying the pH of the imaging buffer solution, and FIG. 9 is a graph showing the fluorescence intensity (Brightness; mean photon number) according to FIG. 8, FIG. 10 is a graph illustrating a full width at half maximum (FWHM) for a distribution of an imaging centroid of a single phosphor according to FIG. 8 .
11 shows an ultra-high-resolution STORM image of intracellular microtubules photographed using the imaging buffer solution according to Comparative Example 1 and an ultra-high-resolution STORM image of intracellular microtubules photographed using the imaging buffer solution according to Example 1. 12 is a graph showing the fluorescence intensity (mean photon number) according to FIG. 11 , and FIG. 13 is a full width at half maximum for the distribution of the imaging position (centroid) of the single phosphor according to FIG. 11 . , FWHM) is a graph showing.
14 is a fluorescence image of intracellular microtubules taken by a general fluorescence imaging method, and FIG. 15 is a second of intracellular microtubules taken using the imaging buffer solution according to Comparative Example 1 at high laser power (100 mW). This is a high-resolution STORM image.
FIG. 16 is a graph showing the full width at half maximum with respect to the distribution of imaging centroids of a single phosphor according to FIG. 15 , and FIG. 17 is a graph showing fluorescence intensity according to FIG. 15 .
18 is a fluorescence image of intracellular microtubules taken by a general fluorescence imaging method, and FIG. 19 is an ultra-high-resolution STORM of intracellular microtubules taken using the imaging buffer solution according to Comparative Example 1 at a weak laser power (12 mW). image, and FIG. 20 is a graph showing the full width at half maximum for the distribution of imaging centroids of a single phosphor according to FIG. 19, and FIG. 21 is a graph showing the fluorescence intensity according to FIG.
22 is a fluorescence image of intracellular microtubules taken by a general fluorescence imaging method, and FIG. 23 is an ultra-high-resolution STORM of intracellular microtubules taken using the imaging buffer solution according to Example 2 at a weak laser power (12 mW). image, and FIG. 24 is a graph showing the full width at half maximum for the imaging centroid distribution of a single phosphor according to FIG. 23 , and FIG. 25 is a graph showing the fluorescence intensity according to FIG. 23 .
26 is a fluorescence image of intracellular microtubules taken by a general fluorescence imaging method, and FIG. 27 is an ultra-high-resolution STORM of intracellular microtubules taken using the imaging buffer solution according to Example 3 at a weak laser power (12 mW). image, and FIG. 28 is a graph showing the full width at half maximum for the imaging centroid distribution of a single phosphor according to FIG. 27 , and FIG. 29 is a graph showing the fluorescence intensity according to FIG. 27 .
30 is an ultra-high-resolution STORM image and graph illustrating the effect of ultra-high-resolution fluorescence imaging according to signal error filtering image analysis in the ultra-high-resolution fluorescence microscope imaging method according to an embodiment of the present invention.

이하 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings and contents described in the accompanying drawings, but the present invention is not limited or limited by the embodiments.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시예를 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.The terminology used herein is for the purpose of describing the embodiment and is not intended to limit the present invention. In this specification, the singular also includes the plural unless specifically stated otherwise in the phrase. As used herein, "comprises" and/or "comprising" refers to the presence of one or more other components, steps, operations and/or elements mentioned. or addition is not excluded.

본 명세서에서 사용되는 "실시예", "예", "측면", "예시" 등은 기술된 임의의 양상(aspect) 또는 설계가 다른 양상 또는 설계들보다 양호하다거나, 이점이 있는 것으로 해석되어야 하는 것은 아니다.As used herein, “embodiment”, “example”, “aspect”, “exemplary”, etc. are to be construed as advantageous in any aspect or design described as being preferred or advantageous over other aspects or designs. is not doing

또한, '또는' 이라는 용어는 배타적 논리합 'exclusive or'이기보다는 포함적인 논리합 'inclusive or'를 의미한다. 즉, 달리 언급되지 않는 한 또는 문맥으로부터 명확하지 않는 한, 'x가 a 또는 b를 이용한다'라는 표현은 포함적인 자연 순열들(natural inclusive permutations) 중 어느 하나를 의미한다.Also, the term 'or' means 'inclusive or' rather than 'exclusive or'. That is, unless stated otherwise or clear from context, the expression 'x employs a or b' means any of natural inclusive permutations.

또한, 본 명세서 및 청구항들에서 사용되는 단수 표현("a" 또는 "an")은, 달리 언급하지 않는 한 또는 단수 형태에 관한 것이라고 문맥으로부터 명확하지 않는 한, 일반적으로 "하나 이상"을 의미하는 것으로 해석되어야 한다.Also, as used herein and in the claims, the singular expression "a" or "an" generally means "one or more," unless stated otherwise or clear from the context that it relates to the singular form. should be interpreted as

아래 설명에서 사용되는 용어는, 연관되는 기술 분야에서 일반적이고 보편적인 것으로 선택되었으나, 기술의 발달 및/또는 변화, 관례, 기술자의 선호 등에 따라 다른 용어가 있을 수 있다. 따라서, 아래 설명에서 사용되는 용어는 기술적 사상을 한정하는 것으로 이해되어서는 안 되며, 실시예를 설명하기 위한 예시적 용어로 이해되어야 한다.The terms used in the description below have been selected as general and universal in the related technical field, but there may be other terms depending on the development and/or change of technology, customs, preferences of technicians, and the like. Therefore, the terms used in the description below should not be construed as limiting the technical idea, but as illustrative terms for describing the embodiment.

또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 설명 부분에서 상세한 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 아래 설명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌 그 용어가 가지는 의미와 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 이해되어야 한다.In addition, in a specific case, there is a term arbitrarily selected by the applicant, and in this case, the meaning will be described in detail in the corresponding description. Therefore, the terms used in the description below should be understood based on the meaning of the term and the content throughout the specification, rather than the simple name of the term.

한편, 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성 요소들은 용어들에 의하여 한정되지 않는다. 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.Meanwhile, terms such as first and second may be used to describe various components, but the components are not limited by the terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another.

또한, 막, 층, 영역, 구성 요청 등의 부분이 다른 부분 "위에" 또는 "상에" 있다고 할 때, 다른 부분의 바로 위에 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 막, 층, 영역, 구성 요소 등이 개재되어 있는 경우도 포함한다.In addition, when a part such as a film, layer, region, configuration request, etc. is said to be “on” or “on” another part, it is not only in the case that it is directly on the other part, but also another film, layer, region, or component in the middle. Including cases where etc. are interposed.

다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.Unless otherwise defined, all terms (including technical and scientific terms) used herein may be used with the meaning commonly understood by those of ordinary skill in the art to which the present invention belongs. In addition, terms defined in a commonly used dictionary are not to be interpreted ideally or excessively unless clearly defined in particular.

한편, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는, 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고, 본 명세서에서 사용되는 용어(terminology)들은 본 발명의 실시예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.Meanwhile, in describing the present invention, if it is determined that a detailed description of a related well-known function or configuration may unnecessarily obscure the gist of the present invention, the detailed description thereof will be omitted. In addition, the terms used in this specification are terms used to properly express the embodiment of the present invention, which may vary according to the intention of a user or operator or customs in the field to which the present invention belongs. Accordingly, definitions of these terms should be made based on the content throughout this specification.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 초고해상도 형광 현미경 이미징 방법을 도시한 흐름도이다.1 is a flowchart illustrating an ultra-high-resolution fluorescence microscope imaging method according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 실시예에 따른 초고해상도 형광 현미경 이미징 방법은 커버 글라스(cover glass)에 세포를 배양하는 단계, 배양된 세포를 고정(fixation)하는 단계, 고정된 세포에 형광체를 표지(marker)하는 단계, 형광표지된 세포를 이미징 버퍼 용액에 담지하는 단계, 초고해상도 형광 현미경을 이용하여 세포의 형광을 측정하여 이미징하고, 형광 신호를 분석하는 단계 및 형광 신호를 필터링하는 단계를 포함한다.The ultra-high-resolution fluorescence microscope imaging method according to an embodiment of the present invention comprises the steps of culturing cells on a cover glass, fixing the cultured cells, and labeling the fixed cells with a fluorescent substance. , immersing the fluorescently-labeled cells in an imaging buffer solution, measuring and imaging the fluorescence of the cells using an ultra-high-resolution fluorescence microscope, analyzing the fluorescence signal, and filtering the fluorescence signal.

본 발명의 실시예에 따른 초고해상도 형광 현미경 이미징 방법은 기존에 주로 쓰이던 레이저 세기의 12%에 해당하는 낮은 세기의 레이저 파워를 사용하여 고해상도를 구현할 수 있다.The ultra-high-resolution fluorescence microscopy imaging method according to an embodiment of the present invention can realize high resolution by using a laser power of a low intensity corresponding to 12% of the laser intensity mainly used in the prior art.

이때의, 초고해상도 형광 현미경의 레이저 파워(Laser Power)는 6mW 내지 100mW일 수 있고, 레이저 파워가 6mW 이하이면 광 스위칭을 잘 하지 못하고, 100 mW를 초과하면 광 퇴색이 빨리 일어나며 살아있는 세포를 이미징 할 때에 시료를 손상 시키는 문제가 있다. 바람직하게는, 초고해상도 형광 현미경의 레이저 파워(Laser Power)는 6mW 내지 50mW일 수 있다.At this time, the laser power of the ultra-high-resolution fluorescence microscope can be 6mW to 100mW, and when the laser power is 6mW or less, optical switching is not good, and when it exceeds 100mW, photobleaching occurs quickly and it is possible to image living cells. When there is a problem to damage the sample. Preferably, the laser power of the ultra-high-resolution fluorescence microscope may be 6mW to 50mW.

또한, 초고해상도 형광 현미경은 레이저 파워에 따라, 단일 형광체의 이미징 위치(centroid) 분포에 대한 반치폭(FWHM) 및 형광 세기가 조절될 수 있다.In addition, in the ultra-high-resolution fluorescence microscope, the full width at half maximum (FWHM) and the fluorescence intensity for the distribution of the imaging centroid of a single phosphor can be adjusted according to laser power.

단일 형광체의 이미징 위치(centroid) 분포에 대한 반치폭(full with at half maximum, FWHM)은 하나의 형광체가 프레임(frame) 별로 광 스위칭(photoswitching)되며 그 발광(emission)이 촬영될 때의 위치에 대한 분포를 의미한다. 즉, 높은 정확도(high precision)로 발광(emission)이 촬영되는 형광체의 경우에는 좁은 영역의 분포를 가져서 작은 반치폭(FWHM) 값을 가지나, 낮은 정확도(low precision)를 갖는 형광체의 경우에는 넓은 영역에 퍼져서 이미지됨으로써, 그 분포 영역이 넓어져서 큰 반치폭(FWHM) 값을 가질 수 있다.The full with at half maximum (FWHM) for the distribution of the imaging centroid of a single phosphor is the position when one phosphor is photoswitched for each frame and its emission is photographed. means distribution. That is, in the case of a phosphor whose emission is photographed with high precision, it has a narrow distribution and has a small FWHM value, but in the case of a phosphor with low precision, it has a narrow area distribution. By being spread out and imaged, the distribution area can be widened to have a large full width at half maximum (FWHM).

따라서, 본 발명의 실시예에 따른 초고해상도 형광 현미경 이미징 방법은 단일 형광체의 이미징 위치(centroid) 분포에 대한 반치폭(FWHM)이 감소됨에 따라 해상도가 향상될 수 있다. 즉, 초고해상도 형광 현미경 이미징 장치는 해상도의 기준을 단일 형광체의 이미징 위치(centroid) 분포에 대한 반치폭(FWHM)으로 결정할 수 있다.Accordingly, in the ultra-high-resolution fluorescence microscope imaging method according to an embodiment of the present invention, the resolution may be improved as the full width at half maximum (FWHM) for the distribution of the imaging centroid of a single phosphor is reduced. That is, the ultra-high-resolution fluorescence microscope imaging apparatus may determine the resolution criterion as the full width at half maximum (FWHM) with respect to the distribution of the imaging centroid of a single phosphor.

또한, 초고해상도 형광 현미경 이미징 장치(예; STORM)에서 하나의 형광체가 카메라에 이미징될 때의 형광 세기(Brightness, 광자수(photon number)를 의미함)는 그 형광체의 위치에 대한 정확도(precision)를 결정할 수 있다.In addition, the fluorescence intensity (Brightness, meaning photon number) when a single phosphor is imaged by a camera in an ultra-high-resolution fluorescence microscope imaging device (eg, STORM) is the precision of the location of the phosphor. can be decided

즉, 밝은 형광체(brightness 가 높을수록)의 경우에는 높은 세기의 선명한 점상 확산 함수(Point spread function, PSF)를 만듦으로써 그 위치(centroid)가 매우 높은 정확도(high precision)로 결정될 수 있는 반면에 어두운 형광체(brightness가 낮을수록)의 경우에는 점상 확산 함수가 선명하지 않게 만들어지면서 그 위치(centroid)가 낮은 정확도(low precision)로 불확실하게 결정될 수 있다.That is, in the case of a bright phosphor (the higher the brightness), the centroid can be determined with very high precision by making a sharp point spread function (PSF) with high intensity, whereas the dark In the case of a phosphor (the lower the brightness), the point diffusion function is made not clear, and the centroid may be uncertainly determined with low precision.

이론적으로 이러한 정위 에러(localization error)의 정도는

Figure pat00001
에 반비례하기 때문에, 형광 세기(brightness)가 높을수록 높은 정확도(small error)로 위치를 잡을 수 있어 해상도가 증가될 수 있다.Theoretically, the degree of this localization error is
Figure pat00001
Since it is inversely proportional to , the higher the fluorescence intensity (brightness), the higher the position can be positioned with high accuracy (small error), the resolution can be increased.

먼저, 본 발명의 실시예에 따른 초고해상도 형광 현미경 이미징 방법은 커버 글라스(cover glass)에 세포를 배양하는 단계 및 배양된 세포를 고정(fixation)하는 단계를 진행한다.First, the ultra-high-resolution fluorescence microscope imaging method according to an embodiment of the present invention proceeds with the steps of culturing cells on a cover glass and fixing the cultured cells.

세포는 세포, 세포 유형, 폴리뉴클레오티드, 단백질, 다당류, 무코다당류, 프로테오글리칸, 지질, 미생물, 바이러스 및 분자 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있고, 바람직하게는, 단백질일 수 있다.The cell may include at least one of a cell, a cell type, a polynucleotide, a protein, a polysaccharide, a mucopolysaccharide, a proteoglycan, a lipid, a microorganism, a virus, and a molecule, and preferably, a protein.

세포의 배양 방법 및 고정 방법으로는 당분야에 사용되는 다양한 방법이 제한없이 사용될 수 있다.Various methods used in the art may be used without limitation as a method for culturing and fixing cells.

이 후, 본 발명의 실시예에 따른 초고해상도 형광 현미경 이미징 방법은 고정된 세포에 형광체를 표지(marker)하는 단계를 진행한다.Thereafter, in the ultra-high-resolution fluorescence microscope imaging method according to an embodiment of the present invention, a step of labeling the fixed cells with a fluorescent substance is performed.

고정된 세포는 원하는 타겟에 형광체를 표지하고, 형광체를 표지하는 방법은 당분야에서 알려져 있는 다양한 항체염색(immunolabeling) 방법이 사용될 수 있으며, 항체염색(immunolabeling) 방법은 permeabilization 단계, blocking 단계 및 antibody labeling 단계를 포함할 수 있다.The immobilized cells are labeled with a fluorescent substance on a desired target, and various antibody staining methods known in the art can be used for the method of labeling the fluorescent substance. may include steps.

형광표지는 시아닌계 염료(cyanine series) 아토계 염료(atto series), 플루오레세인계 염료(fluorescein seires), 로다민계 염료(rhodamine series), BODIPY계 염료 및 폴피린계 염료(phorphyrin series) 중 적어도 어느 하나의 염료로 표지될 수 있다.The fluorescent label is at least one of cyanine series, atto series, fluorescein seires, rhodamine series, BODIPY dyes, and phorphyrin series. It can be labeled with one dye.

이 후, 본 발명의 실시예에 따른 초고해상도 형광 현미경 이미징 방법은 형광표지된 세포를 이미징 버퍼 용액에 담지하는 단계를 진행한다.Thereafter, in the ultra-high-resolution fluorescence microscopy imaging method according to an embodiment of the present invention, the step of loading the fluorescently-labeled cells in an imaging buffer solution is performed.

이미징 버퍼 용액은 Tris(2-amino-2-hydroxymethyl-1,3-propanediol) 용액, 싸이올(thiol) 화합물 및 탈산소제(oxygen scavenger) 시스템을 포함할 수 있다.The imaging buffer solution may include a Tris(2-amino-2-hydroxymethyl-1,3-propanediol) solution, a thiol compound, and an oxygen scavenger system.

바람직하게는, 싸이올(thiol) 화합물은 MEA (2-mercaptoethylamine) 및

Figure pat00002
ME(beta-mercaptoethanol) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.Preferably, the thiol compound is MEA (2-mercaptoethylamine) and
Figure pat00002
It may include at least one of beta-mercaptoethanol (ME).

본 발명의 실시예에 따른 초고해상도 형광 현미경 이미징 방법은 12mW 레이저 파워에서, 평형에 이르는 광 스위칭 속도가 이미징 버퍼 용액의 농도에 따라 달라지면서 반치폭이 조절되고 pH에 따라 탈양성자화 되는 정도가 달라지면서 형광 세기 및 반치폭이 조절되어 해상도가 조절될 수 있다.In the ultra-high-resolution fluorescence microscope imaging method according to an embodiment of the present invention, at 12 mW laser power, the optical switching speed reaching equilibrium is adjusted according to the concentration of the imaging buffer solution, the half maximum width is adjusted, and the degree of deprotonation is changed according to the pH. The resolution may be adjusted by adjusting the fluorescence intensity and the full width at half maximum.

광 스위칭 현상이라 함은 형광 염료가 형광을 낼 수 있는 온-상태(on-state)와 형광을 낼 수 없는 오프-상태(off-state)를 리버서블(reversible)하게 왔다갔다 할 수 있는 현상을 의미한다.The optical switching phenomenon refers to a phenomenon in which a fluorescent dye can reversibly switch between an on-state in which fluorescence can be emitted and an off-state in which it cannot emit fluorescence. it means.

이 때에 이미징 버퍼 용액의 농도와 pH가 형광 염료의 온-상태(on-state)에서 오프-상태(off-state)로 변하는 과정에 영향을 줄 수 있기 때문에 두 상태(state) 간의 population 이 조절될 수 있고, 이에 따라 광 스위칭 속도가 조절될 수 있다. 뿐만 아니라 일반적으로 형광 염료는 주변 버퍼 용액 상태에 따라 그 형광 세기가 민감하게 변할 수 있기 때문에, 이로 인해 다양한 이미징 버퍼 용액 조건에서 단일 형광체의 이미징 위치(centroid) 분포에 대한 반치폭 (FWHM)이 조절될 수 있다. At this time, since the concentration and pH of the imaging buffer solution can affect the process of changing the fluorescent dye from on-state to off-state, the population between the two states can be controlled. and the optical switching speed may be adjusted accordingly. In addition, in general, since fluorescent dyes can sensitively change their fluorescence intensity depending on the surrounding buffer solution conditions, the full width at half maximum (FWHM) for the imaging centroid distribution of a single phosphor under various imaging buffer solution conditions can be adjusted. can

이미징 버퍼 용액에서 싸이올(thiol) 화합물의 농도는 5 mM 내지 200 mM 일 수 있고, 싸이올(thiol) 화합물의 농도가 5 mM 미만이면 광 스위칭 속도가 너무 저하되는 문제가 있고, 200 mM를 초과하면 형광 세기가 감소하는 문제가 있다.The concentration of the thiol compound in the imaging buffer solution may be 5 mM to 200 mM, and if the concentration of the thiol compound is less than 5 mM, there is a problem in that the optical switching speed is too low, and exceeds 200 mM If the fluorescence intensity is reduced, there is a problem.

바람직하게는, 본 발명의 실시예에 따른 초고해상도 형광 현미경 이미징 방법은 이미징 버퍼 용액에 20mM의 MEA를 포함할 수 있고, 이로 인해 형광 세기는 1.8배, 해상도는 1.26배 증가될 수 있다.Preferably, the ultra-high-resolution fluorescence microscopy imaging method according to an embodiment of the present invention may include 20 mM MEA in the imaging buffer solution, whereby the fluorescence intensity may be increased by 1.8 times and the resolution by 1.26 times.

이미징 버퍼 용액의 pH는 7.0 내지 9.0 일 수 있고, 이미징 버퍼 용액의 pH가 7.0 미만이면 광 스위칭 속도가 저하하는 문제가 있으며 살아있는 세포에 적용 시키기 어려운 문제가 있고, 9.0을 초과하면 살아있는 세포의 이미징에 적용할 수 없는 문제가 있다.The pH of the imaging buffer solution may be 7.0 to 9.0, and if the pH of the imaging buffer solution is less than 7.0, there is a problem in that the optical switching speed decreases and it is difficult to apply to living cells. There is a problem that cannot be applied.

바람직하게는, 본 발명의 실시예에 따른 초고해상도 형광 현미경 이미징 방법은 이미징 버퍼 용액에 pH 9.0의 MEA를 포함하여 pH 9.0의 pH를 가질 수 있고, 이 때의 MEA의 농도는 100mM일 수 있으며, 이로 인해, 형광 세기는 1.7배, 해상도는 1.05배 증가될 수 있다.Preferably, the ultra-high-resolution fluorescence microscope imaging method according to an embodiment of the present invention may include MEA of pH 9.0 in the imaging buffer solution to have a pH of 9.0, and the concentration of MEA at this time may be 100 mM, Due to this, the fluorescence intensity can be increased by 1.7 times and the resolution by 1.05 times.

따라서, 본 발명의 실시예에 따른 초고해상도 형광 현미경 이미징 방법은 이미징 버퍼 용액의 농도 또는 pH를 조절함으로써, 6mW 내지 50mW의 낮은 세기의 레이저 파워 조건하에서도 유기 형광체에 빠르고 강하게 광 스위칭이 일어나, 초고해상도 이미지 촬영이 가능하다.Therefore, in the ultra-high-resolution fluorescence microscope imaging method according to an embodiment of the present invention, by adjusting the concentration or pH of the imaging buffer solution, light switching occurs quickly and strongly in the organic phosphor even under a laser power condition of a low intensity of 6 mW to 50 mW, It is possible to shoot high-resolution images.

Tris(2-amino-2-hydroxymethyl-1,3-propanediol) 용액은 이미징 버퍼 용액에서 pH 버퍼로 사용될 수 있고, 바람직하게는 높은 레이저 세기 조건에서는 Tris-HCl 8.0 버퍼 용액(buffer solution)을 사용할 수 있고, 낮은 레이저 세기 조건에서는 Tris-HCl 7.0 또는 Tris-HCl 9.0 버퍼 용액(buffer solution)이 사용될 수 있다. Tris(2-amino-2-hydroxymethyl-1,3-propanediol) solution may be used as a pH buffer in the imaging buffer solution, and preferably, Tris-HCl 8.0 buffer solution may be used under high laser intensity conditions. and Tris-HCl 7.0 or Tris-HCl 9.0 buffer solution may be used under low laser intensity conditions.

탈산소제(oxygen scavenger) 시스템은 산소로 인한 형광 시료의 형광 세기의 감소를 억제하는 효과를 가지며, 글루코스 산화효소(glucose oxidase), 글루코스(glucose) 및 과산화수소분해효소(catalase)를 포함할 수 있다. The oxygen scavenger system has an effect of suppressing a decrease in the fluorescence intensity of a fluorescence sample due to oxygen, and may include glucose oxidase, glucose and catalase.

이 후, 본 발명의 실시예에 따른 초고해상도 형광 현미경 이미징 방법은 초고해상도 형광 현미경을 이용하여 세포의 형광을 측정하여 이미징하고, 형광 신호를 분석하는 단계를 진행한다. Thereafter, the ultra-high-resolution fluorescence microscope imaging method according to an embodiment of the present invention performs imaging by measuring fluorescence of cells using an ultra-high-resolution fluorescence microscope, and analyzing the fluorescence signal.

바람직하게는, 형광 분자로부터 나온 형광은 EM-CCD 또는 sCMOS 카메라 센서를 통해 검출되고 픽셀 별로 읽혀지는 형광 세기를 기반으로 이미지를 얻을 수 있다.Preferably, the fluorescence emitted from the fluorescent molecule is detected through an EM-CCD or sCMOS camera sensor and an image can be obtained based on the fluorescence intensity read for each pixel.

이 때에 백그라운드 형광세기에 대해 한계 값을 설정하면, 각 프레임(frame)에서 한계 값 이상의 시그널에 대해 점 퍼짐 함수(PSF: Point Spread Function)를 인식하고, 각 점 퍼짐 함수의 형광세기에 알맞은 2차원 가우시안 곡선(curve)으로 고정(fitting) 함으로써 점 퍼짐 상수의 중심(centroid)을 단일 분자의 위치로써 정할 수 있다.At this time, if a limit value is set for the background fluorescence intensity, a Point Spread Function (PSF) is recognized for a signal exceeding the limit value in each frame, and a two-dimensional By fitting with a Gaussian curve, the centroid of the point spread constant can be determined as the position of a single molecule.

각 프레임별로 얻은 중심(centroid) 들을 모두 모으고, 시간에 따른 이동(drift)에 대해 보정함으로써 최종적인 STORM 이미지를 복원(reconstruction)할 수 있다. The final STORM image can be reconstructed by collecting all centroids obtained for each frame and correcting for drift over time.

초고해상도 형광 현미경은 STORM(Stochastic Optical Reconstruction Microscopy), STED(Stimulated Emission Depletion Microscopy), PALM(PhotoActivation Localization Microscopy) 및 SIM(Structured Illumination Microscopy) 중 어느 하나일 수 있으나, 바람직하게는, STORM(Stochastic Optical Reconstruction Microscopy)일 수 있다.The ultra-high-resolution fluorescence microscope may be any one of Stochastic Optical Reconstruction Microscopy (STORM), Stimulated Emission Depletion Microscopy (STED), PhotoActivation Localization Microscopy (PALM), and Structured Illumination Microscopy (SIM), but preferably, Stochastic Optical Reconstruction (STORM) microscopy).

마지막으로, 본 발명의 실시예에 따른 초고해상도 형광 현미경 이미징 방법은 형광 신호를 필터링하는 단계를 진행한다.Finally, the ultra-high-resolution fluorescence microscope imaging method according to an embodiment of the present invention proceeds with the step of filtering the fluorescence signal.

초고해상도 형광 현미경 이미징 방법은 낮은 세기의 레이저 파워에서 이미징을 수행하는 경우, 광 스위칭이 잘 일어나지 않고 형광체의 밝기가 낮아 잘못된 형광 신호(localization)가 발생할 수 있으며, 이러한, 시그널 오류는 점상 확산 함수(Point spread function, PSF)가 2차원 가우시안 함수로 잘 고정(fitting)되지 않아 백그라운드 신호로 분류되기 때문에 발생할 수 있다.In the ultra-high-resolution fluorescence microscopy imaging method, when imaging is performed at low laser power, optical switching does not occur well and the brightness of the phosphor is low, which may cause false fluorescence signals (localization). This may occur because the point spread function (PSF) is not well fitted with a two-dimensional Gaussian function and is classified as a background signal.

백그라운드 신호(Background signal)는 형광체의 형광 방출이 없는 상태에서 가까운 프레임(frame) 간의 픽셀 신호 강도(pixel signal intensity)의 평균(average) 값이며, 식별(identified)된 각 로컬라이징(localization) 당 백그라운드(background) 값이 주어질 수 있다.The background signal is an average value of pixel signal intensity between close frames in a state where there is no fluorescence emission of the phosphor, and the background ( background) value can be given.

따라서, 본 발명의 실시예에 따른 초고해상도 형광 현미경 이미징 방법은 일정 세기 이상의 백그라운드 신호를 제거함으로써, 느린 광스위칭 현상을 나타내는 잘못된 백그라운드 신호를 제거하고, localization precision을 향상시킬 수 있다.Therefore, the ultra-high-resolution fluorescence microscopy imaging method according to an embodiment of the present invention removes a background signal of a certain intensity or more, thereby removing an erroneous background signal indicating a slow light switching phenomenon and improving localization precision.

바람직하게는, 필터링은 EM-CCD 카메라 센서에서 감지되는 800(A.U.) 내지 2000(A.U.) 의 백그라운드 신호를 제거하여 필터링을 진행함으로써, 겹쳐져 발광하여 잘못 배치(assign)되었던 시그널 오류를 제거하여 초고해상도 이미지의 질을 향상시킬 수 있다. 예를 들어, 상기 값은 백그라운드 히스토그램(BG histogram)에서의 녹색 채널(green channel)에 대한 범위일 수 있다.Preferably, the filtering is performed by removing the background signal of 800 (A.U.) to 2000 (A.U.) detected by the EM-CCD camera sensor and filtering, thereby removing the signal error that was misplaced by overlapping light emission to remove the super high resolution Image quality can be improved. For example, the value may be a range for a green channel in a background histogram (BG histogram).

각 로컬라이징(localization)에 대해 백그라운드 값에 대한 분포를 그려보았을 때, 높은 백그라운드와 낮은 백그라운드의 두 곡선(curve)으로 크게 나뉘며, 이 때 높은 백그라운드에 해당하는 로컬라이징(localization)을 시그널 오류로 판단하여 이들을 제거할 수 있다. When the distribution of the background value for each localization is drawn, it is largely divided into two curves, a high background and a low background. At this time, the localization corresponding to the high background is judged as a signal error and these can be removed

실시예에 따라, 본 발명의 실시예에 따른 초고해상도 형광 현미경 이미징 방법은 초고해상도 형광 현미경 기술(STORM) 뿐만 아니라 다양한 형광 이미징 또는 분석에 적용함으로써, 레이저 파워에 빠르게 광퇴색되는 형광체들을 사용하여 문제가 되었던 모든 형광 분석에 적용이 가능하다.According to the embodiment, the ultra-high-resolution fluorescence microscopy imaging method according to the embodiment of the present invention is applied to various fluorescence imaging or analysis as well as ultra-high-resolution fluorescence microscopy technology (STORM). It is applicable to all fluorescence analysis that has been used.

높은 세기의 레이저(예; 100mW)를 이용하여 바이오 시료를 이미징하는 경우, 바이오 시료는 높은 세기의 레이저에 의해 구조가 파괴될 수 있으나, 본 발명의 실시예에 따른 초고해상도 형광 현미경 이미징 방법은 낮은 세기의 레이저를 사용하여 이미징하므로, 바이오 시료의 구조 파괴 없이 고해상도의 이미징이 가능하고, 나아가, 생세포 이미징(live cell imaging)이 가능하다.When imaging a biosample using a high-intensity laser (eg, 100mW), the structure of the bio-sample may be destroyed by the high-intensity laser, but the ultra-high-resolution fluorescence microscope imaging method according to an embodiment of the present invention is low Since imaging is performed using a laser of high intensity, high-resolution imaging is possible without destroying the structure of the bio sample, and furthermore, live cell imaging is possible.

또한, 높은 세기의 레이저(예; 100mW)를 이용한 형광 현미경 장치의 경우, 고가의 초고해상도 형광 현미경 셋업 비용이 요구되나, 본 발명의 실시예에 따른 초고해상도 형광 현미경 이미징 방법은 낮은 세기의 레이저를 사용하여 제조 비용을 감소시킬 수 있다.In addition, in the case of a fluorescence microscope device using a high-intensity laser (eg, 100mW), an expensive ultra-high-resolution fluorescence microscope setup cost is required, but the ultra-high-resolution fluorescence microscope imaging method according to an embodiment of the present invention uses a low-intensity laser can be used to reduce manufacturing costs.

또한, 높은 세기의 레이저(예; 100mW)를 이용한 형광 현미경 장치의 경우, 광퇴색이 빨리 일어나 이미징할 수 있는 시간이 짧으나, 본 발명의 실시예에 따른 초고해상도 형광 현미경 이미징 방법은 낮은 세기의 레이저를 사용하여 광퇴색이 느리게 일어나 이미징할 수 있는 이미징 시간을 증가시킬 수 있다.In addition, in the case of a fluorescence microscope device using a high-intensity laser (eg, 100 mW), photobleaching occurs quickly and imaging time is short. can be used to increase the imaging time that can be imaged because photobleaching occurs slowly.

이미징 시간은 미세소관처럼 높은 밀도의 구조를 이미징할 경우, 60Hz 기준 10분 내지 15분일 수 있고, 이미징 시간이 10분 미만이면 좋은 퀄리티의 이미지를 얻지 못하는 문제(혹은 localization 수가 낮아져 타겟의 형태를 불명확하게 관찰하게 되는 문제)가 있고, 30분을 초과하면 광 퇴색이 일어나는 문제가 있다.The imaging time may be 10 to 15 minutes at 60 Hz when imaging a structure with a high density such as microtubules, and if the imaging time is less than 10 minutes, it is difficult to obtain a high-quality image (or the shape of the target is unclear due to the low localization number) There is a problem that is observed frequently), and there is a problem that light fading occurs if it exceeds 30 minutes.

본 발명의 실시예에 따른 초고해상도 현광 현미경 장치는 이미징 버퍼 용액에 담지된 형광표지된 세포가 배치되는 플레이트, 형광표지된 세포에 레이저를 조사하는 광원부 및 세포의 형광을 측정하여 이미징하고, 형광 신호를 분석하는 검출기를 포함한다.The ultra-high-resolution fluorescence microscope apparatus according to an embodiment of the present invention includes a plate on which fluorescently-labeled cells supported in an imaging buffer solution are disposed, a light source unit that irradiates a laser to the fluorescently-labeled cells, and the fluorescence of the cells by measuring the fluorescence and fluorescence signal It includes a detector that analyzes the

본 발명의 실시예에 따른 초고해상도 현광 현미경 장치는 본 발명의 실시예에 따른 초고해상도 현광 현미경 이미징 방법과 동일한 구성 요소를 포함하고 있으므로, 동일한 구성요소에 대해서는 생략하기로 한다.Since the ultra-high-resolution fluorescence microscope apparatus according to the embodiment of the present invention includes the same components as the ultra-high-resolution fluorescence microscope imaging method according to the embodiment of the present invention, the same components will be omitted.

바람직하게는, 초고해상도 형광 현미경은 STORM(Stochastic Optical Reconstruction Microscopy)일 수 있다.Preferably, the ultra-high resolution fluorescence microscope may be STORM (Stochastic Optical Reconstruction Microscopy).

본 발명의 실시예에 따른 초고해상도 현광 현미경 장치는 이미징 버퍼 용액에 담지된 형광표지된 세포가 배치되는 플레이트를 포함한다.The ultra-high-resolution fluorescence microscope apparatus according to an embodiment of the present invention includes a plate on which fluorescently-labeled cells supported in an imaging buffer solution are disposed.

플레이트에는 이미징 버퍼 용액에 담지된 형광표지된 세포가 배치될 수 있다.Fluorescently-labeled cells supported in an imaging buffer solution may be placed on the plate.

이미징 버퍼 용액에서 싸이올(thiol) 화합물의 농도는 5 mM 내지 200 mM 일 수 있고, 이미징 버퍼 용액의 pH는 7.0 내지 9.0 일 수 있다. The concentration of the thiol compound in the imaging buffer solution may be 5 mM to 200 mM, and the pH of the imaging buffer solution may be 7.0 to 9.0.

본 발명의 실시예에 따른 초고해상도 현광 현미경 장치는 형광표지된 세포에 레이저를 조사하는 광원부를 포함한다.The ultra-high-resolution fluorescence microscope device according to an embodiment of the present invention includes a light source for irradiating a laser to the fluorescently labeled cells.

광원부에서 광원에서 방사되는 광은 형광표지된 세포에 도달하여 형광염색체를 여기 시킨 후, 초고해상도 형광 현미경의 렌즈에서 집광되어 상이 확대 및 필터링될 수 있다.The light emitted from the light source from the light source reaches the fluorescently-labeled cells to excite the fluorescent chromosome, and then is condensed by the lens of the ultra-high-resolution fluorescence microscope to enlarge and filter the image.

이때, 광원부의 레이저 파워는 6mW 내지 50mW이다.In this case, the laser power of the light source is 6mW to 50mW.

본 발명의 실시예에 따른 초고해상도 현광 현미경 장치는 세포의 형광을 측정하여 이미징하고, 형광 신호를 분석하는 검출기를 포함한다.The ultra-high-resolution fluorescence microscope apparatus according to an embodiment of the present invention includes a detector for measuring and imaging the fluorescence of cells, and analyzing the fluorescence signal.

검출기는 입사 레이저에 의하여 방출되는 형광체의 신호를 분석하고, 가우시안 점상 강도 분포함수를 이용하여 입사 레이저에 의하여 방출되는 형광체 신호를 분석하여 형광체의 위치정보를 획득할 수 있다.The detector may analyze a signal of the phosphor emitted by the incident laser, and analyze the phosphor signal emitted by the incident laser using a Gaussian point intensity distribution function to obtain position information of the phosphor.

검출기는 형광 신호를 필터링하고, 필터링은 EM-CCD 카메라 센서에서 감지되는 800(A.U.) 내지 2000(A.U.) 의 백그라운드 신호를 제거할 수 있다.The detector filters the fluorescence signal, and the filtering can remove a background signal of 800 (A.U.) to 2000 (A.U.) detected by the EM-CCD camera sensor.

초고해상도 형광 현미경의 단일 형광체의 이미징 위치(centroid) 분포에 대한 반치폭(FWHM)는 24nm 내지 50.00nm일 수 있다.A full width at half maximum (FWHM) for a centroid distribution of a single phosphor of an ultra-high-resolution fluorescence microscope may be 24 nm to 50.00 nm.

실험예 1: 이미징 버퍼 용액의 제조Experimental Example 1: Preparation of imaging buffer solution

[비교예 1]: 100mM+ pH 8.0[Comparative Example 1]: 100 mM + pH 8.0

pH 8.0 MEA 100mM 기반 이미징 버퍼 용액의 경우, 먼저 Tris 8.0 버퍼 용액 50mM 에 oxygen scavenger 시스템으로서 glucose oxidase 7.81 mM, 5% glucose (w/v)와 catalase 0.16 mM을 섞은 다음, MEA 100mM을 가하여 상온(21℃)에서 잘 섞어준다. In the case of a pH 8.0 MEA 100 mM-based imaging buffer solution, first, 50 mM Tris 8.0 buffer solution was mixed with 7.81 mM glucose oxidase, 5% glucose (w/v), and 0.16 mM catalase as an oxygen scavenger system. Then, 100 mM MEA was added to room temperature (21 ℃) and mix well.

[실시예 1]: 20mM+ pH 9.0[Example 1]: 20 mM + pH 9.0

pH 9.0 MEA 20mM 기반 이미징 버퍼 용액의 경우, 먼저 Tris 8.0 버퍼 용액 50mM 에 oxygen scavenger 시스템으로서 glucose oxidase 7.81 mM, 5% glucose (w/v)와 catalase 0.16 mM을 섞은 다음, MEA 20mM을 가하고 NaOH 로 pH 를 9.0 으로 맞춰준 후 상온(21℃)에서 잘 섞어준다. For imaging buffer solution based on pH 9.0 MEA 20mM, first, 50 mM Tris 8.0 buffer solution was mixed with 7.81 mM glucose oxidase as an oxygen scavenger system, 5% glucose (w/v), and 0.16 mM catalase 0.16 mM. Then, 20 mM MEA was added, followed by pH with NaOH. After adjusting to 9.0, mix well at room temperature (21℃).

[실시예 2]: 20mM[Example 2]: 20 mM

[예시]pH 8.0 MEA 20mM 기반 이미징 버퍼 용액의 경우, 먼저 Tris 8.0 버퍼 용액 50mM 에 oxygen scavenger 시스템으로서 glucose oxidase 7.81 mM, 5% glucose (w/v)와 catalase 0.16 mM을 섞은 다음, MEA 20mM을 가하여 상온(21℃)에서 잘 섞어준다. [Example] In the case of an imaging buffer solution based on pH 8.0 MEA 20 mM, first, 50 mM Tris 8.0 buffer solution was mixed with 7.81 mM glucose oxidase, 5% glucose (w/v), and 0.16 mM catalase as an oxygen scavenger system, and then 20 mM MEA was added. Mix well at room temperature (21℃).

[실시예 3]: pH 9.0 + 100mM[Example 3]: pH 9.0 + 100 mM

[예시]pH 9.0 MEA 100mM 기반 이미징 버퍼 용액의 경우, 먼저 Tris 8.0 버퍼 용액 50mM 에 oxygen scavenger 시스템으로서 glucose oxidase 7.81 mM, 5% glucose (w/v)와 catalase 0.16 mM을 섞은 다음, MEA 100mM을 가하고 NaOH 로 pH 를 9.0 으로 맞춰준 후 상온(21℃)에서 잘 섞어준다. [Example] In the case of an imaging buffer solution based on pH 9.0 MEA 100 mM, first, 50 mM Tris 8.0 buffer solution was mixed with 7.81 mM glucose oxidase, 5% glucose (w/v), and 0.16 mM catalase as an oxygen scavenger system, then 100 mM MEA was added. After adjusting the pH to 9.0 with NaOH, mix well at room temperature (21°C).

실험예 2: 초고해상도 STORM 촬영Experimental Example 2: Ultra-high-resolution STORM shooting

세포주는 COS-7 세포주로 세포주들의 배양용액은 둘베코 개질 이글 배지(Dulbecco's modified Eagle's medium, DMEM)에 10% 소 태아 혈청 (fetal bovine serum), 1% 페니실린/스트렙토마이신(v/v)을 넣어 사용하고 세포는 95% 공기/5% CO2의 습한 조건의 배양기에서 온도 36.5 ℃에서 배양하였다. 배양용액은 3 ~ 4일에 한번씩 교체하고 세포는 일주일마다 분주해 주었다.The cell line is COS-7 cell line, and the culture solution of the cell lines is Dulbecco's modified Eagle's medium (DMEM) with 10% fetal bovine serum and 1% penicillin/streptomycin (v/v) added. and cells were cultured at a temperature of 36.5 °C in an incubator under humid conditions of 95% air/5% CO2. The culture solution was changed once every 3 to 4 days, and the cells were aliquoted every week.

3% 파라폼알데하이드(PFA) + 0.1% 글루타르알데하이드(GA)로 세포를 고정해주고, 일반적인 면역형광법을 통하여 이미징할 타겟에 형광을 표지한다.Cells are fixed with 3% paraformaldehyde (PFA) + 0.1% glutaraldehyde (GA), and the target to be imaged is fluorescently labeled through general immunofluorescence.

STORM 촬영 전 형광을 표지한 세포에 이미징 버퍼를 넣는다. 그리고 6mW 내지 100mW 의 레이저를 이용하여 형광을 발하게 한다.Before STORM imaging, put the imaging buffer into the cells labeled with fluorescence. And the fluorescence is emitted using a laser of 6mW to 100mW.

마지막으로, 타겟으로부터 발하는 형광은 전하 증폭 전하 결합 소자 센서(Electron multiplying Charge-Coupled Device, EMCCD) 를 통해 이미징한다.Finally, the fluorescence emanating from the target is imaged through an Electron multiplying Charge-Coupled Device (EMCD).

도 2a 내지 도 2f는 레이저 세기(laser power)를 달리하여 촬영한 세포 내 미세 소관의 초고해상도 STORM 이미지 및 형광 세기 그래프이고, 도 3은 도 2a 내지 도 2f에 따른 형광 세기(Brightness; mean photon number)를 도시한 그래프이며, 도 4는 도 2a 내지 도 2f에 따른 단일 형광체의 이미징 위치(centroid) 분포에 대한 반치폭(full width at half maximum, FWHM)을 도시한 그래프이다.2A to 2F are ultra-high-resolution STORM images and fluorescence intensity graphs of intracellular microtubules taken with different laser power, and FIG. 3 is a fluorescence intensity (Brightness; mean photon number) according to FIGS. 2A to 2F. ), and FIG. 4 is a graph showing the full width at half maximum (FWHM) for the distribution of the imaging position (centroid) of a single phosphor according to FIGS. 2A to 2F .

표 1은 도 2a 내지 도 2f 및 도 3에 대한 결과값을 도시한 표이다.Table 1 is a table showing the result values for FIGS. 2A to 2F and FIG. 3 .

[표 1][Table 1]

Figure pat00003
Figure pat00003

도 2a 내지 도 2f, 도 4 및 표 1을 참조하면, 레이저 파워(laser power)가 감소됨에 따라, 100mW의 MEA를 포함하는 이미징 버퍼 용액을 사용하여 촬영한 초고해상도 STORM 대비 반치폭이 증가되는 것으로 보아 해상도가 향상되는 것을 알 수 있다.Referring to FIGS. 2A to 2F, 4 and Table 1, as the laser power is decreased, the half width at half maximum is increased compared to the ultra-high-resolution STORM photographed using an imaging buffer solution containing 100 mW of MEA. It can be seen that the resolution is improved.

그러나, 레이저 파워가 감소됨에 따라, 형광 세기가 감소되기 때문에 레이저 파워 값에 따라 형광 세기 및 반치폭을 조절하여 해상도를 제어할 수 있다.However, since the fluorescence intensity is reduced as the laser power is reduced, the resolution may be controlled by adjusting the fluorescence intensity and the half width according to the laser power value.

바람직하게는, 본 발명의 실시예에 따른 초고해상도 형광 현미경 이미징 방법은 12mW의 레이저 파워를 인가할 수 있고, 이는 다양한 레이저 강도(laser intensity)에서의 시간(time trace) vs 강도(intensity)를 통하여 이미징 버퍼 용액의 조성을 바꿈으로써 해상도의 질이 향상될 수 있기 때문이다.Preferably, the ultra-high resolution fluorescence microscope imaging method according to an embodiment of the present invention can apply a laser power of 12 mW, which is through time trace vs. intensity at various laser intensities. This is because the quality of resolution can be improved by changing the composition of the imaging buffer solution.

만약, 레이저 파워가 9mW 또는 6mW인 경우에는 시간(time trace) vs 강도(intensity) 그래프(도2 내지 도 4)에서 볼 수 있듯이 광 스위칭 특성(photoswitching property)이 12mW 보다는 다소 감소될 수 있다.If the laser power is 9mW or 6mW, as can be seen from the time trace vs. intensity graph ( FIGS. 2 to 4 ), the photoswitching property may be slightly reduced than 12mW.

그러나, 이 때, 본 발명의 실시예에 따른 초고해상도 형광 현미경 이미징 방법은 9mW 또는 6mW 의 레이저 파워에 최적화되록 이미징 버퍼 용액의 농도 및 pH를 조절하여 해상도 및 광 스위칭 특성을 향상시킬 수 있다.However, in the ultra-high-resolution fluorescence microscopy imaging method according to an embodiment of the present invention, resolution and optical switching characteristics can be improved by adjusting the concentration and pH of the imaging buffer solution to be optimized for a laser power of 9 mW or 6 mW.

도 5는 싸이올(thiol) 화합물의 농도(MEA의 농도에 대응)를 달리하여 촬영한 세포 내 미세 소관의 초고해상도 STORM 이미지를 도시한 것이고, 도 6은 도 5에 따른 형광 세기(Brightness; mean photon number)를 도시한 그래프이며, 도 7은 도 5에 따른 단일 형광체의 이미징 위치(centroid) 분포에 대한 반치폭(full width at half maximum, FWHM)을 도시한 그래프이다.FIG. 5 shows super-resolution STORM images of intracellular microtubules taken by varying the concentration of a thiol compound (corresponding to the concentration of MEA), and FIG. 6 is a fluorescence intensity (Brightness; mean) according to FIG. photon number), and FIG. 7 is a graph showing the full width at half maximum (FWHM) for the distribution of the imaging position (centroid) of the single phosphor according to FIG. 5 .

표 2는 도 6 및 도 7에 대한 결과값을 도시한 표이다.Table 2 is a table showing the result values for FIGS. 6 and 7 .

[표 2][Table 2]

Figure pat00004
Figure pat00004

도 5 내지 도 7 및 표 2를 참조하면, 이미징 버퍼 용액에 포함되는 MEA의 농도가 감소됨에 따라 20mM 까지는 형광 세기는 증가되고, 단일 형광체의 이미징 위치(centroid) 분포에 대한 반치폭(FWHM)은 감소되어 광 스위칭 특성 및 해상도가 향상되는 것을 알 수 있다.5 to 7 and Table 2, as the concentration of MEA included in the imaging buffer solution is decreased, the fluorescence intensity is increased up to 20 mM, and the full width at half maximum (FWHM) for the distribution of the imaging centroid of a single phosphor is decreased. It can be seen that the optical switching characteristics and resolution are improved.

특히, 종래에 사용되는 MEA 농도인 100mM에 비해 20mM을 사용하는 본 발명의 경우, 낮은 세기의 레이저를 사용하여도 형광 세기가 증가되고, 반치폭이 감소되어 광 스위칭 특성 및 해상도가 향상되는 것을 알 수 있다.In particular, in the case of the present invention using 20 mM compared to 100 mM, which is the MEA concentration used in the prior art, it can be seen that the fluorescence intensity is increased and the half width is reduced, so that the optical switching characteristics and resolution are improved even when a low intensity laser is used. there is.

도 8은 이미징 버퍼 용액의 pH를 달리하여 촬영한 세포 내 미세 소관의 초고해상도 STORM 이미지를 도시한 것이고, 도 9는 도 8에 따른 형광 세기(Brightness; mean photon number)를 도시한 그래프이며, 도 10은 도 8에 따른 단일 형광체의 이미징 위치(centroid) 분포에 대한 반치폭(full width at half maximum, FWHM)을 도시한 그래프이다.FIG. 8 is a super-resolution STORM image of intracellular microtubules taken by varying the pH of the imaging buffer solution, and FIG. 9 is a graph showing the fluorescence intensity (Brightness; mean photon number) according to FIG. 8, FIG. 10 is a graph illustrating a full width at half maximum (FWHM) for a distribution of an imaging centroid of a single phosphor according to FIG. 8 .

표 3은 도 9 및 도 10에 대한 결과값을 도시한 표이다.Table 3 is a table showing the result values for FIGS. 9 and 10 .

[표 3][Table 3]

Figure pat00005
Figure pat00005

도 8 내지 도 10 및 표 3을 참조하면, 기존에 쓰이던 pH8.0을 기준으로 이미징 버퍼 용액의 pH가 증가 또는 감소됨에 따라 형광 세기는 증가되고, 단일 형광체의 이미징 위치(centroid) 분포에 대한 반치폭(FWHM)은 감소되어 광 스위칭 특성 및 해상도가 향상되는 것을 알 수 있다.Referring to FIGS. 8 to 10 and Table 3, the fluorescence intensity increases as the pH of the imaging buffer solution increases or decreases based on the previously used pH 8.0, and the half width for the distribution of the imaging centroid of a single phosphor It can be seen that (FWHM) is decreased to improve optical switching characteristics and resolution.

특히, pH7 및 pH 9의 이미징 버퍼 용액을 사용하는 경우, 형광 세기가 월등히 향상되고, 단일 형광체의 이미징 위치(centroid) 분포에 대한 반치폭이 감소되어 광 스위칭 특성 및 해상도가 매우 향상되는 것을 알 수 있다.In particular, when the imaging buffer solutions of pH 7 and pH 9 are used, it can be seen that the fluorescence intensity is remarkably improved, and the half width at half maximum for the distribution of the imaging centroid of a single phosphor is reduced, so that the optical switching characteristics and resolution are greatly improved. .

도 11은 비교예 1에 따른 이미징 버퍼 용액을 사용하여 촬영한 세포 내 미세 소관의 초고해상도 STORM 이미지 및 실시예 1에 따른 이미징 버퍼 용액을 사용하여 촬영한 세포 내 미세 소관의 초고해상도 STORM 이미지를 도시한 것이며, 도 12는 도 11에 따른 형광 세기(Brightness; mean photon number)를 도시한 그래프이고, 도 13은 도 11에 따른 단일 형광체의 이미징 위치(centroid) 분포에 대한 반치폭(full width at half maximum, FWHM)을 도시한 그래프이다.11 shows an ultra-high-resolution STORM image of intracellular microtubules photographed using the imaging buffer solution according to Comparative Example 1 and an ultra-high-resolution STORM image of intracellular microtubules photographed using the imaging buffer solution according to Example 1. 12 is a graph showing the fluorescence intensity (mean photon number) according to FIG. 11 , and FIG. 13 is a full width at half maximum for the distribution of the imaging position (centroid) of the single phosphor according to FIG. 11 . , FWHM) is a graph showing.

표 4는 도 12 및 도 13에 대한 결과값을 도시한 표이다.Table 4 is a table showing the result values for FIGS. 12 and 13 .

[표 4][Table 4]

Figure pat00006
Figure pat00006

본 발명의 MEA 농도 범위 및 pH 범위(실시예 1: pH 9.0+ 20mM MEA)에서는 낮은 세기의 레이저 파워를 사용하여 초고해상도 STORM를 촬영하는 경우, 형광 세기가 향상되나, 높은 세기의 레이저 파워(100mW)에서 초고해상도 STORM를 촬영하는 경우, 도 11 내지 도 13 및 표 4에서와 같이 형광 세기가 감소되는 것을 알 수 있다.In the MEA concentration range and pH range of the present invention (Example 1: pH 9.0 + 20mM MEA), when ultra-high-resolution STORM is photographed using low-intensity laser power, fluorescence intensity is improved, but high-intensity laser power (100 mW ), it can be seen that the fluorescence intensity is reduced as shown in FIGS. 11 to 13 and Table 4 when super high-resolution STORM is photographed.

즉, 단일 형광체의 이미징 위치(centroid) 분포에 대한 반치폭(FWHM)은 레이저 파워에 따라 조절될 수 있기에, 밝은 형광 세기를 얻을 수 있는 최적의 조건(농도 및 pH)은 약한 레이저(12mW)와 높은 레이저(100 mW)에서 상이할 수 있다.That is, since the full width at half maximum (FWHM) for the distribution of the imaging centroid of a single phosphor can be adjusted according to the laser power, the optimal conditions (concentration and pH) to obtain bright fluorescence intensity are a weak laser (12 mW) and a high It can be different in laser (100 mW).

도 14는 일반 형광 이미징 방법으로 촬영된 세포 내 미세소관의 형광 이미지이고, 도 15는 높은 세기의 레이저 파워(100mW)에서 비교예 1에 따른 이미징 버퍼 용액을 사용하여 촬영한 세포 내 미세 소관의 초고해상도 STORM 이미지이다.14 is a fluorescence image of intracellular microtubules taken by a general fluorescence imaging method, and FIG. 15 is a second of intracellular microtubules taken using the imaging buffer solution according to Comparative Example 1 at high laser power (100 mW). This is a high-resolution STORM image.

도 14 및 도 15를 참조하면, 일반 형광 이미징 방법보다는 초고해상도 STORM 이미징 방법으로 촬영하였을 때, 해상도가 향상되는 것을 알 수 있다.Referring to FIGS. 14 and 15 , it can be seen that the resolution is improved when the image is taken with the super high-resolution STORM imaging method rather than the general fluorescence imaging method.

도 16은 도 15에 따른 단일 형광체의 이미징 위치(centroid) 분포에 대한 반치폭(FWHM)을 도시한 그래프이고, 도 17은 도 15에 따른 형광 세기를 도시한 그래프이다.FIG. 16 is a graph showing the full width at half maximum (FWHM) for the distribution of imaging centroids of a single phosphor according to FIG. 15 , and FIG. 17 is a graph showing fluorescence intensity according to FIG. 15 .

도 16에서 도시한 단일 형광체의 이미징 위치(centroid) 분포에 대한 반치폭(FWHM) 프로파일은 하나의 형광체가 프레임(frame) 별로 광 스위칭(photoswitching)되며 그 발광(emission)이 촬영될 때의 위치에 대한 분포를 도시한 것으로, 높은 정확도(high precision)로 발광(emission)이 촬영되는 형광체의 경우에는 좁은 영역의 분포를 가져서 작은 반치폭(FWHM) 값을 가지나, 낮은 정확도(low precision)를 갖는 형광체의 경우에는 넓은 영역에 퍼져서 이미지됨으로써, 그 분포 영역이 넓어져서 큰 반치폭(FWHM) 값을 가질 수 있다.The full width at half maximum (FWHM) profile for the centroid distribution of a single phosphor shown in FIG. 16 is the position when one phosphor is photoswitched for each frame and its emission is photographed. The distribution is shown. In the case of a phosphor whose emission is photographed with high precision, it has a narrow distribution and has a small FWHM value, but in the case of a phosphor with low precision Since the image is spread over a wide area, the distribution area can be widened to have a large full width at half maximum (FWHM).

따라서, 본 발명의 실시예에 따른 초고해상도 형광 현미경 이미징 방법은 단일 형광체의 이미징 위치(centroid) 분포에 대한 반치폭(FWHM)이 감소됨에 따라 해상도가 향상되기에, 초고해상도 형광 현미경 이미징 장치는 해상도의 기준을 단일 형광체의 이미징 위치(centroid) 분포에 대한 반치폭(FWHM)으로 결정할 수 있다. 즉, 단일 형광체의 이미징 위치(centroid) 분포에 대한 반치폭(FWHM)은 해상도에 대응될 수 있다.Therefore, in the ultra-high-resolution fluorescence microscope imaging method according to an embodiment of the present invention, the resolution is improved as the full width at half maximum (FWHM) for the distribution of the imaging centroid of a single phosphor is reduced. The criterion can be determined as the width at half maximum (FWHM) for the distribution of the imaging centroid of a single phosphor. That is, the full width at half maximum (FWHM) for the distribution of the imaging centroid of a single phosphor may correspond to the resolution.

도 17에서 도시한 강도 프로파일(Intensity profile, time trace)은 광 스위칭 현상을 보여주기 위한 데이터로서, 각 형광체가 위치한 픽셀(pixels) 공간에서 신호 강도(signal intensity)의 변화를 프레임(frame) 당 나타낸 데이터이다.The intensity profile (time trace) shown in FIG. 17 is data for showing the optical switching phenomenon, and represents the change in signal intensity per frame in the space of pixels where each phosphor is located. It is data.

이를 통해 발광 온-상태(fluorescence on-state) 및 발광 오프 상태(fluorescence off-state)를 구별할 수 있으며, 두 상태(state) 간의 전환(conversion)인 광 스위칭(photoswitching) 현상이 얼마나 빠르게 많이 일어나는지를 확인할 수 있다.Through this, it is possible to distinguish between a fluorescence on-state and a fluorescence off-state, and it is possible to determine how quickly a photoswitching phenomenon, which is a conversion between the two states, occurs. can be checked.

또한, 광 스위칭(Photoswitching) 현상은 빠르게 일어나고, 온-상태 시간(on-state time)이 짧을수록 다른 형광체의 발광과 겹칠 확률이 줄어들어 해상도를 높이고 좋은 질(quality)의 초고해상도 STORM 데이터(data)를 얻을 수 있다.In addition, the photoswitching phenomenon occurs quickly, and the shorter the on-state time is, the less the probability of overlapping with the light emission of other phosphors is reduced. can get

도 14 내지 도 17을 참조하면, 비교예 1의 이미징 버퍼 용액은 높은 세기의 레이저 파워에서 빠른 광 스위칭 특성을 나타내는 것을 알 수 있다.14 to 17 , it can be seen that the imaging buffer solution of Comparative Example 1 exhibits fast optical switching characteristics at high laser power.

도 18은 일반 형광 이미징 방법으로 촬영된 세포 내 미세소관의 형광 이미지이고, 도 19는 약한 레이저 파워(12mW)에서 비교예 1에 따른 이미징 버퍼 용액을 사용하여 촬영한 세포 내 미세 소관의 초고해상도 STORM 이미지이며, 도 20은 도 19에 따른 단일 형광체의 이미징 위치(centroid) 분포에 대한 반치폭을 도시한 그래프이고, 도 21은 도 19에 따른 형광 세기를 도시한 그래프이다.18 is a fluorescence image of intracellular microtubules taken by a general fluorescence imaging method, and FIG. 19 is an ultra-high-resolution STORM of intracellular microtubules photographed using the imaging buffer solution according to Comparative Example 1 at a weak laser power (12 mW). image, and FIG. 20 is a graph showing the full width at half maximum for the distribution of imaging centroids of a single phosphor according to FIG. 19, and FIG. 21 is a graph showing the fluorescence intensity according to FIG.

도 18 내지 도 21을 참조하면, 비교예 1에 따른 이미징 버퍼 용액은 시간에 따른 형광 세기 그래프에서 느린 광스위칭을 나타내며, STORM 이미지에서는 겹쳐져서 잘못 배치(assign)되어 로컬라이징(localization)됨으로써 해상도가 낮아져 각 미세소관을 구별하지 어려운 것을 알 수 있다.18 to 21 , the imaging buffer solution according to Comparative Example 1 shows slow light switching in the graph of fluorescence intensity over time, and in the STORM image, it overlaps and is incorrectly assigned and the resolution is lowered by localization. It can be seen that it is difficult to distinguish each microtubule.

도 22는 일반 형광 이미징 방법으로 촬영된 세포 내 미세소관의 형광 이미지이고, 도 23은 약한 레이저 파워(12mW)에서 실시예 2에 따른 이미징 버퍼 용액을 사용하여 촬영한 세포 내 미세 소관의 초고해상도 STORM 이미지이며, 도 24는 도 23에 따른 단일 형광체의 이미징 위치(centroid) 분포에 대한 반치폭을 도시한 그래프이고, 도 25는 도 23에 따른 형광 세기를 도시한 그래프이다.22 is a fluorescence image of intracellular microtubules taken by a general fluorescence imaging method, and FIG. 23 is an ultra-high-resolution STORM of intracellular microtubules taken using the imaging buffer solution according to Example 2 at a weak laser power (12 mW). image, and FIG. 24 is a graph showing the full width at half maximum for the imaging centroid distribution of a single phosphor according to FIG. 23 , and FIG. 25 is a graph showing the fluorescence intensity according to FIG. 23 .

도 22 내지 도 25를 참조하면, 도 18 내지 도 21와 달리 빠른 광스위칭 특성을 나타내며, STORM 이미지에서 미세소관들이 잘 구별되어 초고해상도 구조가 관찰되는 것을 알 수 있다.Referring to FIGS. 22 to 25 , it can be seen that, unlike FIGS. 18 to 21 , it exhibits a fast optical switching characteristic, and microtubules are well distinguished in the STORM image, so that an ultra-high-resolution structure is observed.

표 5는 도 20 내지 도 24에 따른 결과값을 도시한 표이다.Table 5 is a table showing the result values according to FIGS. 20 to 24 .

[표 5][Table 5]

Figure pat00007
Figure pat00007

도 14 내지 도 25 및 표 5를 참조하면, 낮은 세기의 레이저 파워(12mW)에서는 종래에 사용되는 100mM MEA를 포함하는 이미징 버퍼 용액인 비교예 1보다 20mM MEA를 포함하는 이미징 버퍼 용액인 실시예 2에서 형광 세기가 증가되어 광 스위칭이 빠르게 일어나고, 단일 형광체의 이미징 위치(centroid) 분포에 대한 반치폭이 감소되어, 해상도가 향상되는 것을 알 수 있다.14 to 25 and Table 5, at low intensity laser power (12 mW), compared to Comparative Example 1, which is an imaging buffer solution containing 100 mM MEA, which is conventionally used, Example 2 an imaging buffer solution containing 20 mM MEA It can be seen that the fluorescence intensity is increased, so that the light switching occurs quickly, and the half-maximum width for the distribution of the imaging centroid of a single phosphor is reduced, and thus the resolution is improved.

도 26은 일반 형광 이미징 방법으로 촬영된 세포 내 미세소관의 형광 이미지이고, 도 27는 약한 레이저 파워(12mW)에서 실시예 3에 따른 이미징 버퍼 용액을 사용하여 촬영한 세포 내 미세 소관의 초고해상도 STORM 이미지이며, 도 28은 도 27에 따른 단일 형광체의 이미징 위치(centroid) 분포에 대한 반치폭을 도시한 그래프이고, 도 29는 도 27에 따른 형광 세기를 도시한 그래프이다.26 is a fluorescence image of intracellular microtubules taken by a general fluorescence imaging method, and FIG. 27 is an ultra-high-resolution STORM of intracellular microtubules taken using the imaging buffer solution according to Example 3 at a weak laser power (12 mW). image, and FIG. 28 is a graph showing the full width at half maximum for the imaging centroid distribution of a single phosphor according to FIG. 27 , and FIG. 29 is a graph showing the fluorescence intensity according to FIG. 27 .

도 26 내지 도 29를 참조하면, 시간에 따른 형광 세기 측정 그래프에서 빠른 광스위칭 특성을 나타내어, STORM 이미지에서 미세소관들이 잘 구별되어 초고해상도 구조가 관찰되는 것을 알 수 있다.Referring to FIGS. 26 to 29 , it can be seen that fast light switching characteristics are shown in the graph of measuring fluorescence intensity according to time, and microtubules are well distinguished in the STORM image, so that an ultra-high-resolution structure is observed.

표 6은 비교예 1(pH 8.0) 및 실시예 3(pH 9.0)의 형광세기 및 단일 형광체의 이미징 위치(centroid) 분포에 대한 반치폭을 도시한 표이다.Table 6 is a table showing the fluorescence intensity of Comparative Example 1 (pH 8.0) and Example 3 (pH 9.0) and the half maximum width for the imaging position (centroid) distribution of a single phosphor.

[표 6][Table 6]

Figure pat00008
Figure pat00008

도 26 내지 도 29 및 표 6을 참조하면, 약한 레이저 파워(12mW)에서 비교예 1 대비 실시예 2의 형광 세기가 증가되어 광 스위칭 특성이 향상되고, 단일 형광체의 이미징 위치(centroid) 분포에 대한 반치폭이 감소되어 해상도가 향상되는 것을 알 수 있다.Referring to FIGS. 26 to 29 and Table 6, the fluorescence intensity of Example 2 compared to Comparative Example 1 is increased at a weak laser power (12 mW) to improve optical switching characteristics, and the imaging centroid distribution of a single phosphor It can be seen that the half width is reduced and the resolution is improved.

도 30은 본 발명의 실시예에 따른 초고해상도 형광현미경 이미징 방법에서 신호 오류 필터링 이미지 분석에 따른 초고해상도 형광 이미징 효과를 도시한 초고해상도 STORM 이미지 및 그래프이다.30 is an ultra-high-resolution STORM image and graph illustrating the effect of ultra-high-resolution fluorescence imaging according to signal error filtering image analysis in the ultra-high-resolution fluorescence microscope imaging method according to an embodiment of the present invention.

도 30을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 초고해상도 형광현미경 이미징 방법은 백그라운드 신호를 필터링 함으로써 12mW의 낮은 세기의 레이저 파워에서도 초고해상도 STORM 이미징이 가능한 것을 알 수 있다.Referring to FIG. 30 , it can be seen that the ultra-high-resolution fluorescence microscopy imaging method according to the embodiment of the present invention enables ultra-high-resolution STORM imaging even at a laser power of low intensity of 12 mW by filtering the background signal.

한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시 예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시 예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.On the other hand, the embodiments of the present invention disclosed in the present specification and drawings are merely presented as specific examples to aid understanding, and are not intended to limit the scope of the present invention. It will be apparent to those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains that other modifications based on the technical spirit of the present invention can be implemented in addition to the embodiments disclosed herein.

Claims (15)

커버 글라스(cover glass)에 세포를 배양하는 단계;
상기 배양된 세포를 고정(fixation)하는 단계;
상기 고정된 세포에 형광체를 표지(marker)하는 단계;
상기 형광표지된 세포를 이미징 버퍼 용액에 담지하는 단계;
초고해상도 형광 현미경을 이용하여 상기 세포의 형광을 측정하여 이미징하고, 형광 신호를 분석하는 단계; 및
상기 형광 신호를 필터링하는 단계;
를 포함하고,
상기 초고해상도 형광 현미경의 레이저 파워(Laser Power)는 6mW 내지 50mW인 것을 특징으로 하는 초고해상도 형광 현미경의 이미징 방법.
culturing the cells on a cover glass;
fixing the cultured cells;
labeling the fixed cells with a fluorescent substance;
immersing the fluorescently labeled cells in an imaging buffer solution;
measuring and imaging the fluorescence of the cells using an ultra-high-resolution fluorescence microscope, and analyzing the fluorescence signal; and
filtering the fluorescence signal;
including,
The imaging method of the ultra-high-resolution fluorescence microscope, characterized in that the laser power of the ultra-high-resolution fluorescence microscope is 6mW to 50mW.
제1항에 있어서,
상기 초고해상도 형광 현미경은 상기 레이저 파워에 따라, 상기 단일 형광체의 이미징 위치(centroid) 분포에 대한 반치폭(FWHM) 및 형광 세기가 조절되는 것을 특징으로 하는 초고해상도 형광 현미경의 이미징 방법.
According to claim 1,
In the ultra-high-resolution fluorescence microscope, the full width at half maximum (FWHM) and the fluorescence intensity of the distribution of the imaging centroid of the single phosphor are adjusted according to the laser power.
제1항에 있어서,
상기 초고해상도 형광 현미경은 STORM(Stochastic Optical Reconstruction Microscopy)인 것을 특징으로 하는 초고해상도 형광 현미경의 이미징 방법.
According to claim 1,
The ultra-high-resolution fluorescence microscope is an imaging method of an ultra-high-resolution fluorescence microscope, characterized in that STORM (Stochastic Optical Reconstruction Microscopy).
제1항에 있어서,
상기 이미징 버퍼 용액의 pH는 7.0 내지 9.0 인 것을 특징으로 하는 초고해상도 형광 현미경의 이미징 방법.
According to claim 1,
The imaging method of the ultra-high-resolution fluorescence microscope, characterized in that the pH of the imaging buffer solution is 7.0 to 9.0.
제1항에 있어서,
상기 이미징 버퍼 용액은 Tris(2-amino-2-hydroxymethyl-1,3-propanediol) 용액, 싸이올(thiol) 화합물 및 탈산소제(oxygen scavenger) 시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 초고해상도 형광 현미경의 이미징 방법.
According to claim 1,
The imaging buffer solution is a Tris (2-amino-2-hydroxymethyl-1,3-propanediol) solution, a thiol (thiol) compound, and an oxygen scavenger (oxygen scavenger) system, characterized in that it comprises an ultra-high-resolution fluorescence microscope imaging Way.
제5항에 있어서,
상기 이미징 버퍼 용액에서 상기 싸이올(thiol) 화합물의 농도는 5 mM 내지 200 mM 인 것을 특징으로 하는 초고해상도 형광 현미경의 이미징 방법.
6. The method of claim 5,
The imaging method of the ultra-high-resolution fluorescence microscope, characterized in that the concentration of the thiol compound in the imaging buffer solution is 5 mM to 200 mM.
제6항에 있어서,
상기 탈산소제(oxygen scavenger) 시스템은 글루코스 산화효소(glucose oxidase), 글루코스(glucose) 및 과산화수소분해효소(catalase)를 포함하는 것을 특징으로 하는 초고해상도 형광 현미경의 이미징 방법.
7. The method of claim 6,
The oxygen scavenger system is an imaging method of an ultra-high-resolution fluorescence microscope, characterized in that it comprises a glucose oxidase (glucose oxidase), glucose (glucose) and hydrogen peroxide lyase (catalase).
제1항에 있어서,
상기 형광표지는 시아닌계 염료(cyanine series) 아토계 염료(atto series), 플루오레세인계 염료(fluorescein seires), 로다민계 염료(rhodamine series), BODIPY계 염료 및 폴피린계 염료(phorphyrin series) 중 적어도 어느 하나의 염료로 표지되는 것을 특징으로 하는 초고해상도 형광 현미경의 이미징 방법.
According to claim 1,
The fluorescent label is at least one of cyanine series, atto series, fluorescein seires, rhodamine series, BODIPY dyes, and phorphyrin series. An imaging method of an ultra-high-resolution fluorescence microscope, characterized in that it is labeled with any one dye.
제1항에 있어서,
상기 필터링은 EM-CCD 카메라 센서에서 감지되는 800(A.U.) 내지 2000(A.U.) 의 백그라운드 신호를 제거하는 것을 특징으로 하는 초고해상도 형광 현미경의 이미징 방법.
According to claim 1,
The filtering is an imaging method of an ultra-high-resolution fluorescence microscope, characterized in that removing the background signal of 800 (AU) to 2000 (AU) detected by the EM-CCD camera sensor.
이미징 버퍼 용액에 담지된 형광표지된 세포가 배치되는 플레이트;
상기 형광표지된 세포에 레이저를 조사하는 광원부; 및
상기 세포의 형광을 측정하여 이미징하고, 형광 신호를 분석하는 검출기;
를 포함하고,
상기 레이저 파워는 6mW 내지 50mW 인 것을 특징으로 하는 초고해상도 형광 현미경 이미징 장치.
a plate on which fluorescently-labeled cells supported in an imaging buffer solution are placed;
a light source unit irradiating a laser to the fluorescently labeled cells; and
a detector measuring and imaging the fluorescence of the cells and analyzing the fluorescence signal;
including,
The laser power is an ultra-high-resolution fluorescence microscope imaging apparatus, characterized in that 6mW to 50mW.
제10항에 있어서,
상기 초고해상도 형광 현미경의 단일 형광체의 이미징 위치(centroid) 분포에 대한 반치폭(FWHM)는 24.00nm 내지 50.00nm인 것을 특징으로 하는 초고해상도 형광 현미경 이미징 장치.
11. The method of claim 10,
The ultra-high-resolution fluorescence microscope imaging apparatus, characterized in that the full width at half maximum (FWHM) for the distribution of the centroid of a single phosphor of the ultra-high-resolution fluorescence microscope is 24.00 nm to 50.00 nm.
제10항에 있어서,
상기 초고해상도 형광 현미경은 STORM(Stochastic Optical Reconstruction Microscopy)인 것을 특징으로 하는 초고해상도 형광 현미경 이미징 장치.
11. The method of claim 10,
The ultra-high-resolution fluorescence microscope is an ultra-high-resolution fluorescence microscope imaging apparatus, characterized in that the STORM (Stochastic Optical Reconstruction Microscopy).
제10항에 있어서,
상기 이미징 버퍼 용액에서 싸이올(thiol) 화합물의 농도는 5 mM 내지 200 mM 인 것을 특징으로 하는 초고해상도 형광 현미경 이미징 장치.
11. The method of claim 10,
The ultra-high-resolution fluorescence microscope imaging apparatus, characterized in that the concentration of the thiol compound in the imaging buffer solution is 5 mM to 200 mM.
제10항에 있어서,
상기 이미징 버퍼 용액의 pH는 7.0 내지 9.0 인 것을 특징으로 하는 초고해상도 형광 현미경 이미징 장치.
11. The method of claim 10,
The imaging buffer solution has a pH of 7.0 to 9.0.
제10항에 있어서,
상기 검출기는 상기 형광 신호를 필터링하고,
상기 필터링은 EM-CCD 카메라 센서에서 감지되는 800(A.U.) 내지 2000(A.U.) 의 백그라운드 신호를 제거하는 것을 특징으로 하는 초고해상도 형광 현미경 이미징 장치.
11. The method of claim 10,
the detector filters the fluorescence signal,
The filtering is an ultra-high-resolution fluorescence microscope imaging apparatus, characterized in that removing the background signal of 800 (AU) to 2000 (AU) detected by the EM-CCD camera sensor.
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