Scalable and Isotropic Expansion of Tissues with Simply Tunable Expansion Ratio

Abstract

Tissue expansion techniques physically expand swellable hydrogel-embedded biological specimens to overcome the resolution limit of conventional light microscopy. As the benefits of expansion come at the expense of signal concentration, imaging volume and time, and mechanical integrity of the sample, the optimal expansion ratio may widely differ depending on the experiment. However, existing expansion methods offer only fixed expansion ratios that cannot be easily adjusted to balance the gain and loss associated with expansion. In this thesis, I describe a hydrogel conversion-based expansion method, that enables easy adjustment of the expansion ratio for individual needs, simply by changing the duration of a alkaline hydrolysis step. This method, termed ZOOM (an acronym for Zoom by hydrOgel cOnversion Microscopy), isotropically expands samples up to 8-fold in a single expansion process. ZOOM preserves biomolecules for post-processing labellings and supports multi-round expansion for the imaging of a single sample at multiple zoom factors. ZOOM can be flexibly and scalably applied to nanoscale imaging of diverse samples, ranging from cultured cells to thick tissues, as well as bacteria, exoskeletal Caenorhabditis elegans, and human brain samples.

조직 팽창 기술은 광학 현미경의 해상 한계를 극복하기 위해 생물체 조직 시편을 팽윤성 하이드로겔 내에 포매시켜 팽창시키는 기술이다. 이러한 조직 팽창 기술은 팽창률이 증가할수록 해상도가 개선되는 장점을 갖는 한편 팽창률 증가에 따라 이미징 면적이 증가하여 전체적인 이미징 시간이 증가하고, 팽창에 따른 형광 표지 신호 희석 혹은 시편의 강성 저하 등의 단점을 갖게 된다. 따라서 최적의 팽창 배율은 실험의 목적이나 관측 대상에 따라 다르게 결정된다. 하지만 2015년 MIT의 Ed Boyden 교수 연구팀에 의해 개발된 Expansion microscopy (ExM) 기술을 필두로 현재까지 개발된 조직 팽창 기술들은 모두 고정된 배율로만 조직을 팽창시킬 수 있어, 경우에 따라 이미징 효율이 크게 저하되고 있는 실정이다. 특히 3차원 조직 이미징의 경우 이미징 시간의 증가나 형광 표지 신호 희석 등의 단점이 기하급수적으로 영향을 미쳐, 팽창률 최적화를 가능하게 하는 팽창률 조절 기술 개발이 절대적으로 필요한 상황이라고 볼 수 있다. 본 학위 논문에서는 이러한 기술적 단점을 극복할 수 있는 새로운 조직 팽창 기술에 대해 서술하였다. ZOOM (Zoom by hydrOgel cOnversion Microscopy) 이라 명명한 본 기술은 알칼리 가수분해를 통해 손쉽게 팽창률을 조절할 수 있는 기반 기술이며, 이론적으로 면역 형광법에서 구현할 수 있는 최대 해상도까지 이를 수 있는 팽창 배율인 8배까지 팽창률을 자유롭게 조절할 수 있는 기술이다. ZOOM 프로세스를 통해 팽창률을 점진적으로 증가시켜 가며 다양한 세포 및 조직의 3차원 팽창 형태를 확인해 본 결과, 팽창률이 증가하여도 구조적 뒤틀림 현상 없이 등방성 팽창률을 유지하며, 점진적으로 해상도를 개선할 수 있음을 확인하였고, 반복적으로 ZOOM 프로세스를 적용하여도 지속적으로 항체 염색이 가능하여 유의한 항원결정기의 유실이 발생하지 않음을 확인하였다. 이러한 ZOOM 기술은 배양 세포부터 두꺼운 마우스 조직까지 적용이 가능하였고, 각 종별 특성을 고려한 공정 조건의 미세 조정을 통해 박테리아, 선충 및 인간의 뇌 조직에 이르기 까지 매우 광범위한 생물체 조직에 성공적으로 확대 적용이 가능하였다.