PI 드라이브를 이용한 플라밍고 시트광 현미경

플라밍고를 떠올리면 분홍색 깃털, 독특한 부리, 한 쪽 다리로 서서 잠을 자는 ‘홍학류’의 대표적인 실루엣이 연상됩니다.

미국 위스콘신주 매디슨에 위치한 Morgridge Institute for Research의 연구소장이자 의학 공학부 책임자인 Dr. Jan Huisken 박사와 그의 팀이 개발한 특수 시트광 현미경은 플라밍고의 특성을 따서 이름을 지었습니다. 현미경의 실루엣이 플라밍고의 자는 모습을 연상시키기 때문입니다.

여러 후원사들이 지원하는 플라밍고 프로젝트의 목표는 이 모듈형 현미경을 연구실에서 연구원들이 무료로 이용할 수 있게 하는 것입니다.

The rendering of a compact Flamingo light sheet microscope with L-SPIM configuration (see text) reminds us of the one-legged sleeping bird. (Image: Image: Morgridge Institute for Research, Madison, WI)

Sketch of the Light Sheet Microscopy principles (Image: Morgridge Institute for Research, Madison, WI)

LSFM(Light Sheet Fluorescence Microscopy: 시트광 형광 현미경)에서 조명(illumination)과 검출(detection)은 서로 수직적인 두 개의 독립된 광학 시스템입니다. 샘플을 조명하는 데 사용되는 레이저 빔은 한 방향으로 초점을 맞추고 샘플의 얇은 층을 조명하는 시트광을 형성합니다. 이 시트광에서 나오는 형광 빛은 대물렌즈에 의해 포착되어 감지됩니다.

조명과 검출을 분리함으로써 현미경은 실질적으로 “around the experiment”로 만들어질 수 있습니다. 현미경 슬라이드와 덮개유리 사이에 샘플을 장착하는 대신, 히드로겔에 담가 현미경 내부의 원통형 샘플 챔버에 넣습니다. 그 조건들은 생리적으로 가깝고 심지어 살아있는 표본들로부터 연속적인 녹화가 가능합니다.

샘플 포지셔닝은 샘플이 필요에 따라 선형적으로 이동하거나 회전하기 때문에 특별한 역할을 수행합니다. 이를 위해 PI(Physik Instrumente)는 여러 개의 서브시스템을 공급합니다. PI의 ‘Microscopy & Life Sciences’ Segment Marketing 책임자인 Dr. Thomas Bocher는 “Jan Huisken의 획기적인 플라밍고 프로젝트를 후원할 수 있어서 자랑스럽게 생각합니다. 플라밍고 프로젝트의 경우 모듈의 신뢰성과 정밀도가 핵심 요소입니다. 즉 PI의 고품질 생산 표준 및 서비스와 함께 드라이브의 높은 정밀도, 빠른 모션, 드라이브의 소형화가 그 차이를 만듭니다”라고 말했습니다.

Jan Huisken은 “LSFM은 낮은 광독성과 빠른 이미지 획득을 제공하는 생체 이미징을 위한 강력하고 유연한 플랫폼”이라고 이 기술의 장점을 요약했습니다. 샘플의 완만한 “treatment” 때문에, LSFM은 살아있는 유기체의 검사를 위해 사용됩니다. 이 기술의 연구 목표 중 하나는 배아 형태발생(예: 유기체, 장기, 세포기관의 개발)과 같은 매우 역동적인 과정을 더 잘 이해하는 것입니다.

시트광 현미경은 살아있는 유기체 및 발달 과정의 시간 순서에 대한 흥미로운 이미지를 제공합니다. Alyssa Graves가 Flamingo #1로 기록한 제브라피쉬(Zebrafish) (Image: Morgridge Institute for Research, Madison, WI)

구현이 가능하려면 시스템은 매우 견고하고 조립이 쉬워야 하며 작동이 간단해야 한다는 조건을 만족해야 합니다. 검증된 표준 부품, 작은 설치 공간, 낮은 비용으로 간단하고 복잡하지 않게 설계하는 것이 솔루션입니다. T-SPIM 설계에서, 샘플은 보다 균일한 조명을 위해 두 개의 반대 광학에서 샘플을 조명합니다. 두 번째 검출 경로가 추가되면 X-SPIM 설계가 됩니다.

Modular concept of FLAMINGO: PI’s linear and rotation stage modules are depicted on the right (Image: Morgridge Institute for Research, Madison, WI)

L-505 compact linear stage with folded drivetrain (left)

시트광 현미경에서 가장 일반적으로 사용되는 애플리케이션 중 하나는 샘플을 3차원으로 완전히 묘사될 수 있는 Z-스택을 만드는 것입니다. 이를 위해 샘플은 Z축으로(즉, 대물렌즈의 광학 축을 따라) 이동합니다. 이 작업에 PI의 L-505 소형 리니어 스테이지가 기여합니다. L-505는 접힌 드라이브트레인, 기어헤드와 리니어 엔코더를 갖춘 DC모터로 ±250nm의 양방향 반복정밀도 및 26mm의 이동 범위를 제공합니다. 또한 볼 가이드로 인해 가이딩 정확도 및 강성도 탁월합니다.

샘플을 회전하는 것은 여러 가지 시나리오에서 유용합니다. 종종 연구원들은 샘플을 직각(측면, 상단 등)에서 이미지화하거나 심장처럼 특정한 각도에서 볼 수 있는 기관을 이미지화하기를 원합니다. 회전을 위한 다른 주요 애플리케이션으로는 소위 멀티뷰 이미징으로, 360°를 커버하는 6개의 각도에서 Z-스택을 기록하고 각 데이터세트의 유용한 부분을 융합하여 전체 샘플을 포함하는 하나의 3D 영상을 생성합니다. 이는 샘플 자체가 빛을 산란, 굴절, 흡수하여 샘플 내부 깊숙한 곳의 구조물의 조명과 검출 품질에 영향을 미치기 때문에 대형 샘플에 특히 유용합니다. 따라서 모든 디테일을 포착하기 위해서는 몇 개의 각도가 필요합니다.

샘플을 회전하는 데에는 PI의 U-628 초음파 피에조 로테이션 스테이지가 사용되었으며, 51μrad의 최소 스텝 사이즈, 최대 720°/s의 빠른 속도, ±102µrad의 양방향 반복성을 제공합니다.

독일 EMBL Heidelberg에서 박사과정을 밟고 있는 Jan Huisken 시트광 현미경 공동 발명가는 최근 이 프로젝트를 시작했으며, “우리는 하이엔드 광 현미경 보급화를 목표로 캠퍼스와 연구소에 무료로 제공했습니다. 이것이 중요한 과학적 결과를 재현하는 데 특히 유용할 것이라 생각합니다”라고 언급했습니다. 미국 동부 해안의 Field Application Specialist인 Michael Weber는 “우리는 연구 이미징 시설에 대한 생각을 뒤바꿨습니다. 생물학자들이 샘플을 저희에게 가져다주는 것보다 저희가 현미경을 샘플이 있는 곳에 제공하는 것이 낫다고 생각했습니다”라고 말했습니다. 샘플의 대부분은 변화하는 환경 조건(중력, 습도, 온도)에 매우 민감하기 때문에 현미경을 연구원들에게 제공하면 연구원들도, 샘플도 이동할 필요가 없어서 연구원들이 연구에 더욱 집중할 수 있습니다.

이 프로젝트는 또한 LSFM 기술의 발전을 촉진하기 위해 시스템 개발자들과 사용자들 사이의 의사소통을 강화하는 것을 목표로 합니다.

두 번째 플라밍고 시스템은 이미 미국 동부 해안에 설치되었습니다. 앞으로 수개월에 걸쳐 수십개의 플라밍고가 미국을 포함한 전세계에서 최첨단 시트광 현미경 연구를 위해 지어질 것입니다. Thomas Bocher는 “PI는 이러한 자선적 노력을 계속 지원할 것입니다”라고 말했습니다.