염료를 통한 장신경계 활동 시각화

커뮤니케이션 생물학 6권, 기사 번호: 236(2023) 이 기사 인용

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이미징 기술에서 큰 발전이 이루어졌지만 현재 장의 신경 기능을 연구하는 데 사용되는 대부분의 방법론적 접근법은 세포 기능이나 생존을 방해할 수 있는 외인성 조영제에 의존합니다. 본 논문에서는 FFOCT(전장 광간섭 단층촬영)를 사용하여 장신경계 세포를 시각화하고 분석할 수 있는지 조사했습니다. 고정되지 않은 마우스 콜론의 전체 마운트 준비에 대한 실험 작업에서는 FFOCT가 근층 신경총 네트워크의 시각화를 가능하게 하는 반면 동적 FFOCT는 근층 신경절의 개별 세포를 시각화하고 식별할 수 있음을 보여주었습니다. 또한 분석 결과에 따르면 동적 FFOCT 신호는 베라트리딘이나 삼투압 변화와 같은 외부 자극에 의해 수정될 수 있는 것으로 나타났습니다. 이러한 데이터는 동적 FFOCT가 정상 및 질병 상태에서 장 뉴런과 신경교의 기능 변화를 감지하는 데 큰 관심을 가질 수 있음을 시사합니다.

장신경계(ENS)는 위장관(GI) 내에 존재하는 통합 신경 네트워크입니다. 뉴런과 장 신경교 세포(EGC)로 구성된 ENS는 운동성, 점막 분비, 세포 증식, 조직 복구뿐만 아니라 면역 기능을 포함한 주요 GI 기능을 조절합니다1. ENS 조직 및 기능의 결함은 광범위한 소화기 및 소화기외 장애에서 관찰되는 다양한 GI 기능 장애의 원인이 됩니다2.

지난 몇 년 동안 정상 및 비정상 조건에서 ENS 기능을 더 잘 이해하기 위해 현미경 이미징 기술이 개발되었습니다. 예를 들어 고해상도 현미경 기술과 칼슘 민감성 또는 전압 민감성 염료3와 같은 형광 측정 프로브를 결합하여 진전이 이루어졌습니다. ENS 조직 및 혈관계에 대한 통찰력은 광시트 현미경 및 광학 투사 단층촬영과 같은 기술을 통해 제공되었으며, 이를 통해 절제된 소화 조직의 수 제곱센티미터 단면을 분석할 수 있습니다4,5. 그러나 이러한 기술적 접근법은 조직 제거 및 면역조직화학적 염색이 필요하기 때문에 생체 외에서만 수행할 수 있습니다. 인간 ENS의 생체 내 시각화는 프로브 공초점 내시경(pCLE)을 사용하여 달성되었지만 해상도와 침투 깊이가 너무 낮기 때문에 ENS7의 명확한 이미지를 얻으려면 내시경 점막하 박리6 또는 크레실 바이올렛 염색6이 필요했습니다. 이러한 맥락에서 ENS의 높은 공간 해상도와 염료 없는 동적 이미징을 제공하는 새로운 기술이 큰 관심을 끌고 있습니다.

이와 관련하여 OCT(광간섭 단층촬영)는 후방 산란 및 반사광의 간섭계 분석을 통해 조직 내부 구조의 이미징을 가능하게 하기 때문에 매우 유용할 수 있습니다. 이 고속 및 비침습적 기술은 조직의 체적 재구성을 생성하기 위해 고유한 조직 대비를 사용합니다. 이 이미징 전략은 인간 눈의 질병을 진단하는 데 가장 널리 사용되지만9 광섬유 프로브와 결합하면 OCT는 심혈관, 호흡기 또는 소화 시스템10에서 이미지를 획득할 수 있습니다. 장에서는 내시경 OCT가 일반적으로 바렛식도 진단에 사용되어 왔으며11 염증성 장 질환 및 대장암과 같은 다른 적응증에 대한 예비 데이터도 확보되었습니다12,13. 수십 미크론의 일반적인 해상도를 가진 생체 내 내시경 OCT는 ENS를 시각화하기에는 해상도가 너무 낮지만 이 기술의 두 가지 구현인 FFOCT 및 고해상도 SD-OCT를 사용하면 더 높은 해상도를 얻을 수 있습니다. 본 논문에서는 높은 개구수 대물렌즈와 가시광선을 사용하여 2D 전면 이미지를 획득하는 FFOCT로 얻은 결과를 제시합니다. 이를 통해 마이크로메트릭 및 세포 이하 해상도의 이미지를 생성할 수 있으며 OCT 얼굴 이미지의 획득 깊이를 변경하여 체적 데이터도 수집할 수 있습니다. 그 적용은 뇌를 포함한 다양한 기관에서 절차 내 종양 마진 검출을 위해 주로 탐구되었습니다. 또한 눈 구조를 이미징하는 것으로 보고되었습니다. 일부 초기 노력에도 불구하고24 FFOCT의 내시경 버전 개발은 아직까지 달성되지 않았습니다. 장의 생체 외 샘플에서 FFOCT는 마우스와 인간의 위장관에서 근육층 신경총을 이미지화하는 능력을 입증했습니다. 그러나 이 이미징 방법은 부분적으로 근육 세포와 같은 주변 조직이나 ENS에 의해 생성된 강한 후방 산란 신호와 스펙클 노이즈의 존재로 인해 장 신경절의 뉴런과 신경교 세포를 시각화하지 않습니다. 동적 FFOCT(D-FFOCT)라는 새로운 도구는 조직과 세포에서 후방 산란된 빛의 시간적 변동을 분석하여 복잡한 조직의 세포 대비를 크게 향상시켰습니다. D-FFOCT의 본질적인 대비를 기반으로 하는 세포 구성 요소의 미세 동작에 대한 시간적 분석을 위해 OCT 신호는 동일한 이미징 평면에서 시간이 지남에 따라 수집되어 결과적으로 노이즈 추가를 줄이고 이미지 품질을 향상시킵니다. 동적 대비는 D-FFOCT27의 안면 이미징 평면과 비교하여 조직의 단면 이미지를 제공하는 고해상도 SD-OCT 기술에서도 구현되었습니다. 동적 대비를 갖춘 Micro-OCT는 기도28, 자궁 경부 및 식도29의 미세 해부학적 구조를 시각화하는 데 사용되었습니다. 최근의 노력은 생체 내 이미징을 가능하게 하기 위해 동적 대비를 갖춘 D-FFOCT 및 micro-OCT의 획득 속도와 이미지 품질을 더욱 향상시키는 데 중점을 두고 있습니다. 동시에 micro-OCT 기술은 내시경 설계로 성공적으로 전환되었습니다33,34. 동적 대비를 갖춘 마이크로-OCT 내시경의 예비 설계가 제시되었지만35 동적 대비를 추출하는 데 필요한 긴 데이터 수집 중 조직 안정화 문제는 여전히 주요 제한 사항으로 남아 있습니다. OCT 신호의 시간적 변동을 뒷받침하는 세포 메커니즘도 아직 알려지지 않았지만 세포 대사 활동의 변화는 로테논을 사용한 미토콘드리아 활동의 억제 또는 2-데옥시-D-글루코스를 사용한 해당작용의 억제가 OCT 신호 강도를 크게 감소시켰기 때문에 부분적으로 책임이 있을 수 있습니다. 흥미롭게도 FFOCT로 개별적으로 식별할 수 없었던 개별 상피 세포 또는 면역 세포를 D-FFOCT36으로 시각화할 수 있었습니다. 이는 고무적이지만 현재까지 ENS를 이미지화하는 D-FFOCT의 능력이나 ENS 세포의 D-FFOCT 신호의 기본이 되는 생물학적 메커니즘에 대해서는 알려진 바가 없습니다.