흡수 분자 용액과 같은 광학 투명화 기술은 광 산란을 일시적으로 줄여 생물학적 이미징을 향상시키고 깊이 박힌 장기에 대한 생체 적합성, 가역적 생체 내 이미징 전략을 제공합니다. 이 프로토콜은 살아있는 동물의 실시간 역학을 위한 고품질의 동적 이미징을 달성하기 위해 상세한 실험 절차와 고급 이미지 처리를 제공합니다.
흡수 분자 용액과 같은 광학 투명화 기술은 광 산란을 일시적으로 줄여 생물학적 이미징을 향상시키고 깊이 박힌 장기에 대한 생체 적합성, 가역적 생체 내 이미징 전략을 제공합니다. 이 프로토콜은 살아있는 동물의 실시간 역학을 위한 고품질의 동적 이미징을 달성하기 위해 상세한 실험 절차와 고급 이미지 처리를 제공합니다.
다이나믹 이미징은 생물학 및 의학의 기본 도구이지만, 굴절률 불일치로 인한 살아있는 조직의 광 산란으로 인해 제한되어 생물학적 조직의 침투 깊이와 해상도를 감소시킵니다. 이전 연구에서는 흡수율이 높은 분자를 활용하여 살아있는 동물의 광학적 투명도를 달성하는 새로운 접근 방식을 도입했습니다. 식품에 일반적으로 사용되는 FDA 승인 염료인 Tartrazine과 같은 이러한 흡수 분자가 물에 용해되면 Kramers-Kronig 관계를 통해 수성 매질의 굴절률을 수정합니다. 이 조절을 통해 뚜렷한 굴절률을 가진 조직의 개별 구성 요소 간의 굴절률 불일치를 줄여 산란을 완화할 수 있습니다. 이 기사는 생체 외 및 생체 내 샘플 모두에 적용되는 Tartrazine 기반 수용액을 사용하는 조직 투명화 기술의 자세한 방법론을 보고합니다. 이 접근 방식은 가시 스펙트럼에서 살아있는 쥐 몸체를 가역적으로 투명하게 만들어 내부 프로세스와 구조를 보다 선명하고 심층적인 이미징으로 만듭니다. 그런 다음 고급 이미지 처리 알고리즘을 사용하여 관심 기관의 대비와 세분화를 개선했습니다. 또한, Tartrazine 기반 용액으로 처리된 닭 가슴살과 같은 생체 외 샘플에서 높은 투명도가 표시됩니다. 이 방법은 다양한 양식에서 이미징 기능을 향상시킬 수 있는 다재다능하고 접근 가능한 접근 방식을 제공하고 복잡한 생물학적 시스템에 대한 이해를 높일 수 있는 길을 열어줍니다.
생물학적 이미징은 관심 구조1을 모호하게 하는 빛의 산란으로 인해 오랫동안 어려움을 겪어 왔습니다. 광학 클리어링 기술은 빛의 산란을 줄이고 시각적 선명도를 향상시켜 이전에 숨겨진 구조를 시각화할 수 있도록 하는 것을 목표로 합니다2. 이러한 기술의 개발은 샘플의 물리적 해부 없이 생체 외 생물학적 조직, 심지어 전체 동물의 광학 이미징을 개선하기 위해 고안된 다양한 방법으로 이어졌습니다3. 그러나 생체 내 응용 프로그램을 위한 유사한 기술의 개발은 쉽지 않았습니다. CLARITY Clear Lipid-exchanged Acrylamide-hybridized Rigid Imaging / Immunostaining / in situ-hybridization-compatible Tissueh Ydrogel)과 같은 기술은 고해상도 이미징을 제공하지만 가역성이 부족하여 살아있는 동물 연구에 적합하지 않습니다4. Constantini 등은 in vivo 이미징의 선명도에 비해 in vivo 이미징의 진행 속도가 느린 것으로 나타났는데, 이는 조직 투명도에 필요한 독성 수준의 제제를 피하면서 조직 생존력을 유지하는 것이 복잡하기 때문입니다5. Genina는 광학 조직 투명화의 미래가 비침습적 및 가역적 방법6에 의존한다고 강조합니다. 최근 연구에서는 in vivo 광학 투명화를 위한 수용성 흡수 염료의 효과를 입증했습니다. 예를 들어, Miller 등은 Tartrazine을 국소적으로 적용하면 산란을 줄이고 간질 조직 구성 요소의 굴절률을 증가시켜 살아있는 쥐 피부의 OCT 및 광음향 현미경(PAM) 모두에서 이미징 깊이를 크게 향상시킨다는 것을 보여주었습니다7. Jia 등은 15% w/w Tartrazine 용액을 사용하여 쥐 귀 및 복부 조직의 생체 내 PAM 이미징을 향상시켜 그렇지 않으면 가려졌던 세포 내 해상도를 가진 미세한 미세혈관 구조를 드러냈습니다8. Zuo 등은 0.6M Tartrazine을 사용하여 살아있는 쥐의 온전한 두피와 두개골을 통한 뇌 이미징을 추가로 입증하여 처리되지 않은 조직에 비해 4배 더 높은 신호 강도와 3.5배 향상된 해상도를 달성했습니다9. 또 다른 응용 사례에서 Narawane 등은 Tartrazine을 적용하여 돼지 눈에서 깊은 경공막 OCT 이미징을 가능하게 하여 이전에는 강한 공막 산란으로 인해 접근할 수 없었던 상부 공간을 명확하게 시각화할 수 있었습니다10. CLARITY 및 iDISCO(용매 세척 장기의 면역 라벨링 가능 3차원 이미징)와 같은 생체 외 조직 투명화 방법은 지질 제거 또는 용매 기반 투명화를 통해 높은 광학 투명도와 세포 내 해상도를 달성하지만 살아있는 동물을 사용한 생체 내 이미징에는 적합하지 않은 경우가 많습니다 4,11,12. 이러한 제한은 질병 발병 및 치료와 같은 살아있는 동물 내부의 동적 과정에 대한 생체 의학 이미징에 중요한 동적 이미징에 영향을 미칩니다.
식품 등급 염료인 타르트라진(Tartrazine)과 같이 높은 수성 용해도와 뚜렷한 흡수 띠 모양을 가진 흡수 분자는 살아있는 동물에서 광학적 투명도를 달성하는 데 유망한 이점을 제공합니다13. Tartrazine을 특이적으로 도입함으로써 이 조직은 염료의 고유한 스펙트럼 특성으로 인해 자외선 및 청색 파장을 선택적으로 흡수하여 더 긴 파장에서 산란을 줄이는 수정된 굴절률 프로파일을 생성합니다. 이 반직관적인 광학 조직 투명화 기술은 생체 내 이미징에 최적화되어 있으며, Kramers-Kronig 관계는 Tartrazine14,15와 같은 흡수율이 높은 분자를 사용할 때 관찰된 투명도에 대한 과학적 기반을 제공합니다. 생체 내 이미징을 위해 타르트라진은 가열된 아가로스 입자 및 물과 결합하여 피부에 더 잘 부착되는 응집력 있는 솔루션을 만듭니다. Tartrazine의 수용성 특성은 또한 살아있는 동물에서 염료 기반 용액을 쉽게 제거할 수 있도록 하여 염료 용액에 대한 장기간 노출의 잠재적 영향을 줄입니다. 또한 이 방법은 광간섭 단층촬영(Optical Coherence Tomography) 7,16 및 광음향 이미징(photoacoustic imaging) 7,9을 포함하여 이미징 깊이, 해상도 및 감도를 개선하기 위해 다양한 생물의학 응용 분야에 적용되어 광범위한 생물의학 이미징 커뮤니티에 대한 잠재력을 보여주었습니다.
생물 의학 이미징에서 흡수 분자의 응용에 대한 관심이 높아짐에 따라17,18, 이 프로토콜은 이미지 처리 및 가역적 생체 내 이미징과 함께 생체 외 및 생체 내 응용 분야에 식품 염료를 활용하는 자세한 절차를 제시합니다. 이 프로토콜은 닭 가슴살 조직에 적용되어 생체 외 투명성을 입증한 다음 마우스의 생체 내 머리 및 복부 이미징을 위해 수정되어 가역성을 보여줍니다. in vivo 마우스 피부에 적용된 용액은 피부나 조직의 무결성을 손상시키지 않고 일시적이고 가역적인 투명도를 생성합니다. 이 기술은 노이즈 제거를 포함한 이미지 처리 파이프라인과 통합되어 내부 장기의 생체 내 광학 이미징을 위한 최적화된 이미징 프로토콜을 만들 수 있습니다. 이러한 기술을 결합하면 생물학적 과정을 실시간으로 관찰할 수 있는 더 나은 비침습적 종단 이미징이 가능합니다. 가역성을 입증하는 보다 안전한 제제의 사용은 이전의 한계를 극복하고 동적 생물학적 이미징에 더 적합한 방법을 제공합니다.
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수행된 모든 동물 실험은 NIH Guide for the Care and Use of Laboratory Animals에 따라 University of Texas at Dallas의 기관 동물 관리 및 사용 위원회(IACUC)의 승인을 받았습니다. 사용된 시약과 장비는 재료 표에 나열되어 있습니다. 이미지 처리 코드는 Github에서 사용할 수 있습니다. https://github.com/ou-group-utd/JoVE-2025-Image-Processing
1. Tartrazine 용액 준비
2. 체외 조직의 광학적 투명화
3. 살아있는 동물의 광학적 투명도
4. 이미지 처리를 통한 장기 가시성 향상
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ex vivo 닭 가슴살 조직에서의 광학적 투명성 입증
체외 조직을 통한 빛의 전파를 조사하기 위해 두께가 1.5mm, 2.5mm, 3.5mm인 뼈 없는 닭 가슴살의 얇게 썬 조각을 사용했습니다(그림 2B). 조직은 콜라겐 섬유와 평행하게 절단되어 일관된 근육 섬유 방향을 보장했습니다. 이미지는 메쉬 그리드 패턴과 조직 아래의 "UT Dallas" 로고를 모두 사용하여 서로 다른 용액 농도로 처리하기 전과 후에 촬영되었습니다(그림 2B). 이미지를 캡처하기 위해 3.5mm 초점 거리와 f/1.4 조리개를 특징으로 하는 렌즈와 페어링된 CMOS 카메라가 사용되었으며 샘플의 후면 조명을 위해 LED 광원이 사용되었습니다. 그런 다음 UV-V...
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이 연구는 흡수 분자, 특히 FDA 승인 식품 염료 Tartrazine(의료 분야가 아닌 식품에 사용하도록 승인됨)을 활용하여 생체 조직에서 광학적 투명성을 달성하기 위한 포괄적이고 재현 가능한 프로토콜 방법을 제시합니다. 이 방법은 조직의 미세환경 내에서 굴절률을 변경하여 광학적 투명도를 향상시켜 조직의 고유 산란을 효과적으로 최소화합니다. 이 연구는 생체 외 이미징과 생체 내 이미징을 통해 이 방법의 효과를 입증했습니다. 생체 외 이미징의 경우, 닭 가슴살 조직에 대한 다양한 농도의 Tartrazine의 영향을 다양한 두께의 생물학적 샘플로 조사했습니다. 결과는 Tartrazine의 최적 농도가 닭 가슴살 조직을 육안으로 투명하게 만들 수 있음을 나타냅니다. 투과율의 분광 측정은 입사광이 550nm 미만에서 거의 완전히 흡수되지만 가시 스펙트럼의 더 긴 파장과 근적외선 영역으로의 투과가 크게 증가한다는 것을 추가로 보...
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모든 저자는 이해 상충이 없음을 선언합니다.
ZO는 댈러스에 있는 텍사스 대학교의 지원에 감사를 표합니다.
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| 이름 | 회사 | 카탈로그 번호 | 댓글 |
|---|---|---|---|
| 분석 저울 | HZK | FA220S | |
| 동물 마취 기계 | RWD 생명 과학 주식회사 | 타이지 IE | 흡입 마취제 |
| 아티파메졸 HCL 주사 5 mg/mL | 코버투스 | 82124 | 주사 마취 |
| CMOS 카메라 | 토르 연구소 | CS165CU/M, Zelux | |
| 덱스메데토미딘 HCL 주사 5mg/10mL | 코버투스 | 72960 | 주사 마취 |
| 파이버 라이트 일루미네이터 | RWD 생명 과학 주식회사 | 76301 | 상단 조명용 광원 |
| 유리 슬라이드 | 크래비티사이코 | 0303-2122 | 슈퍼 그레이드 현미경 슬라이드 |
| Homethermic 담요 | RWD 생명 과학 주식회사 | 69027 | 동물 온도 조절기 |
| 이미지 처리 | 오픈CV | 파이썬 | 소프트웨어 |
| 인슐린 주사기 0.5mL 29g | 컴포트 포인트 | 26028 | 주사 마취 |
| 이소플루란 | 코버투스 | SKU 029405 | 흡입 마취제 |
| 케트민 HCL 주사 100 mg/mL | 데크라 | 20042240 | 주사 마취 |
| LED 광원 | GGE 주식회사 | TLB-01 | 상단 조명용 광원 |
| 렌즈 | 토르 연구소 | MVL4WA | 3.5mm 초점 거리 및 f/1.4 조리개 |
| 나이르 | 교회 & 드와이트 | 엘 1224 | 제모 크림 |
| PBS pH 7.4(1x) | 깁코 | 2902869 | 주사 마취 |
| 면봉 | 청교도 의료 제품 회사 | 806-WC 병원 | |
| SeaPlaque 아가로스 | 론자 | 50101 | 화학 |
| 타르트라진 | 밀리포어시그마 | CAS 번호: 1934-21-0 | 화학 |
| 이송 피펫 | 피셔브랜드 | 13-711-9오전 | |
| UV-VIS-NIR 분광 광도계 | 시마즈 | 솔리드 스펙-3700i | 악기 |
| 튜브 | 코르팍 | 242633 | |
| 체적 피펫 | Eppendorf 리서치 플러스 | 3123000063 | 100-1000&마이크로; L |
| 정수 시스템 | 아비디티 과학 | 솔로 S | 악기 |
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