An off-the-shelf light-sheet microscopy ecosystem enables versatile cleared-tissue imaging across scales and applications

단 하나의 벽돌을 보거나, 건물은 없고 거리만 표시된 지도를 공부함으로써 도시를 이해하려고 노력하는 상황을 상상해 보십시오. 수십 년 동안 생물학자들은 생명체 내부를 들여다보려 할 때 이와 유사한 문제에 직면해 왔습니다. 뇌의 복잡한 배선이나 장기 전체의 혈관을 연구하기 위해, 그들은 대개 조직을 빵 한 덩어리처럼 얇고 평평한 조각으로 자른 뒤 현미경으로 각 조각을 관찰해야 했습니다. 이 방식은 장기를 결합하고 있는 3차원적 연결 구조를 파괴합니다. '조직 투명화(tissue clearing)'라고 불리는 새로운 접근 방식은 조직 전체를 유리처럼 투명하게 만들어 빛이 통과할 수 있게 함으로써 이 문제를 해결합니다. 그러나 이 투명해진 전체 장기 내부의 세부 사항을 보기 위해서는, 물체를 층별로 스캔하기 위해 얇은 빛의 막을 사용하는 특수한 종류의 현미경이 필요합니다. 이 기계들은 강력하지만, 전통적으로 비싸고 제작이 복잡하며, 단 하나의 특정 작업만을 잘 수행하도록 제한되어 있었습니다.

이제 한 연구팀이 생물학적 이미징의 지형을 바꿀 수 있는 새로운 방식의 현미경 제작법을 선보였습니다. 실험실들이 서로 다른 작업을 위해 각기 다른 비싼 기계를 선택하도록 강요하는 대신, 그들은 흔히 구할 수 있는 부품들로 조립할 수 있는 유연한 도구 생태계를 만들어냈습니다. 'descSPOM-Advanced'라고 명명된 이 시스템을 통해, 단일 연구실은 미세한 디테일을 보든, 거대한 장기를 한 번에 포착하든, 혹은 여러 가지 색상을 동시에 감지하든, 자신들의 구체적인 필요에 맞춘 현미경을 직접 구축할 수 있습니다. 연구진은 몇 가지 핵심 구성 요소를 교체하는 것만으로도 동일한 기본 설계가 서로 다른 네 가지 버전으로 변형될 수 있음을 입증했으며, 각 버전은 서로 다른 과제를 해결하는 데 최적화되어 있습니다.

이 연구의 핵심 아이디어는 고성능 이미징이 값비싼 상업 시설의 문 뒤에 갇혀 있을 필요가 없다는 것입니다. 연구진은 이전에 개발했던 저렴한 기본 현미스터 설계를 바탕으로, 처음부터 다시 시작하지 않고도 어떻게 업그레이드할 수 있는지를 보여주었습니다. 그들은 개념을 증명하기 위해 네 가지 특정 버전을 구축했습니다. 첫 번째인 '갤럭시(Galaxy)'는 여러 가지 색상을 동시에 보는 데 설계되었습니다. 표준 현미경에서는 너무 많은 발광 마커를 동시에 관찰하려고 하면 색상이 서로 섞여 흐릿해집니다. 갤럭시 버전은 겹치는 색상을 분리할 수 있는 특수 카메라를 사용하여, 샘플을 여러 번 염색하고 스캔할 필요 없이 단 한 번의 과정으로 생쥐 배아 내의 최대 7가지 생물학적 구조를 추적할 수 있게 해줍니다. 이러한 능력은 단일한 온전한 부피 내에서 서로 다른 세포 유형 간의 복잡한 상호작용을 매핑하는 길을 열어줍니다.

두 번째 버전인 '딥스카이(Deepsky)'는 선명도에 집중합니다. 기본 모델은 큰 구조를 보는 데는 유용하지만, 개별 세포의 아주 작은 디테일까지 분해하여 보여주지는 못합니다. 딥스카이 구성은 더 높은 품질의 렌즈와 스캐닝 거울을 교체하여 이미지를 더욱 날카롭게 만듭니다. 연구진은 이 설정을 사용하여 신장 및 폐 조직의 고해 تعريف(high-definition) 3차원 지도를 제작했습니다. 생성된 이미지는 매우 선명하여 개별 세포를 셀 수 있었으며, 물리적인 절단 없이도 전통적인 염색 조직 슬라이드처럼 보이는 가색상(false-color) 이미지를 생성할 수 있었습니다. 이는 실험실이 수백만 달러짜리 상업용 장비 없이도 세포 수준의 해상도를 달고, 장기의 미세한 구조를 볼 수 있음을 증명합니다.

가장 큰 구조를 관찰해야 하는 과학자들을 위해 '풀문(Fullmoon)'이 있습니다. 생쥐의 뇌와 같은 일부 장기는 표준 현미경의 단일 시야에 담기에는 너무 커서, 연구자들이 수백 개의 작은 사진을 찍은 뒤 이를 이어 붙이는 과정을 거쳐야 하며, 이 과정에서 오류가 발생할 수 있습니다. 풀문 버전은 대형 포맷 카메라와 넓은 빛의 빔을 사용하여 광범위한 시야를 포착합니다. 연구팀은 원래 크기보다 10배 확장된 생쥐의 뇌를 촬영함으로써 이를 입증했습니다. 그들은 복잡한 스티칭(stitching) 과정 없이 확장된 장기 전체를 단 한 번의 촬영으로 포착하여 데이터의 무결성을 보존했습니다. 이를 통해 전체 장기 시스템에 대한 완전하고 끊김 없는 시야를 확보할 수 있습니다.

마지막으로, 연구팀은 비용과 복잡성의 장벽을 해결하기 위해 '슬림(SLIM)'이라는 버전을 제시했습니다. 이 버전은 소형 레이저 다이오드와 최소한의 부품을 사용하여 시스템을 가장 단순한 형태로 축소했습니다. 이 구성은 약 1만 5천 달러라는 아주 적은 비용으로 단 몇 시간 만에 조립할 수 있으며, 이는 다른 시스템의 비용에 비하면 극히 일부에 불-과합니다. 이 단순함에도 불구하고, 슬림은 전체 배아의 고품질 3차원 이미지를 생성할 수 있습니다. 이 버전은 접근 가능한 진입점 역할을 하여, 더 많은 연구실이 투명화된 조직 이미징을 시작하고 향로 필요에 따라 시스템을 업그레이드할 수 있도록 돕습니다.

이 모든 서로 다른 버전들은 '미션 컨트롤 센터(Mission Control Center)'라고 불리는 공유 소프트웨어 플랫폼에 의해 통합됩니다. 이 소프트웨어는 범용 리모컨처럼 작동하여, 동일한 컴퓨터 프로그램으로 네 가지 현미경 구성을 모두 제어할 수 있게 합니다. 즉, 연구실은 간단한 SLIM 버전으로 시작하여 연구 질문이 복잡해짐에 따라 하드웨어를 재구성하여 갤럭시, 딥스카이 또는 풀문 시스템으로 변모시킬 수 있으며, 이 과정에서 완전히 새로운 소프트웨어를 배우거나 새로운 기계를 새로 살 필요가 없습니다. 연구진은 설계도, 부품 목록, 소프트웨어를 공개하여 다른 과학자들이 자신의 설계를 구축하고 개선할 수 있도록 초대했습니다.

이 연구의 결과는 첨단 3차원 이미징이 더 이상 자금력이 풍부한 핵심 시설만의 전유물이 아님을 보여줍니다. 모듈형의 기성품 생태계가 광범위한 응용 분야에서 높은 성능을 낼 수 있음을 입증함으로써, 연구진은 이러한 강력한 도구에 대한 접근을 민주화했습니다. 그들은 적절한 설계가 있다면, 현미경이 단순히 단일 목적의 도구가 아니라 과학의 발전과 함께 성장할 수 있는 다재다능한 플랫폼이 될 수 있음을 보여주었습니다. 이러한 변화는 더 많은 연구자가 스스로 구축하고 제어할 수 있는 기구를 사용하여, 가장 작은 세포부터 전체 장기에 이르기까지 생명의 완전한 3차원적 복잡성을 탐구할 수 있게 되었음을 의미합니다.