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Aug 16, 2023

Nature Methods 20권, 1183~1186페이지(2023)이 기사 인용

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측정항목 세부정보

Open-3DSIM은 3차원 구조 조명 현미경 검사를 위한 오픈 소스 재구성 플랫폼입니다. 우리는 다양한 표본과 다양한 신호 대 잡음 수준에서 다른 알고리즘에 비해 아티팩트 억제 및 고충실도 재구성에 대한 탁월한 성능을 보여줍니다. Open-3DSIM은 또한 쌍극자 방향을 추출하는 기능을 제공하여 6차원(xyzθλt)에서 세포 내 구조를 해석하기 위한 새로운 길을 열었습니다. 플랫폼은 사용자 친화성을 극대화하기 위해 MATLAB 코드, Fiji 플러그인 및 Exe 애플리케이션으로 제공됩니다.

구조화 조명 현미경(SIM)은 낮은 광독성으로 빠른 종방향 이미징을 제공하고 형광 라벨링1,2,3과의 호환성이 높기 때문에 생명과학에서 가장 보편적으로 구현되는 초해상도 양식입니다. SIM의 번영과 함께 OpenSIM4, fairSIM5, SIMtoolbox6, HiFi-SIM7 등과 같은 다양한 오픈 소스 재구성 알고리즘이 개발되었습니다. 오픈 소스 소프트웨어의 가용성은 또한 SLM-SIM8, DMD-SIM9, 검류계-SIM10, Hessian-SIM11 등과 같은 맞춤형 SIM 하드웨어 플랫폼을 향상시킵니다. 소프트웨어와 하드웨어를 결합하여 SIM 연구자를 위한 개방적이고 생산적인 커뮤니티를 만들었습니다.

2DSIM과 비교하여 3DSIM은 xoy 평면뿐만 아니라 z축1,12,13,14을 따라 해상도를 두 배로 늘립니다. 3DSIM 재구성 알고리즘은 GE OMX 및 Nikon N-SIM과 같은 상용 시스템이나 Cudasirecon1, AO-3DSIM14, SIMnoise15 및 4BSIM16과 같은 오픈 소스 소프트웨어에서 찾을 수 있습니다. 그러나 상용 솔루션은 특정 현미경 플랫폼으로 제한됩니다. 오픈 소스 솔루션은 모두 특정 이미징 문제를 해결하기 위한 대상별 도구이며 일반적인 3DSIM 재구성에는 적합하지 않습니다. 또한 심각한 아티팩트가 발생하거나 사용자 친화성이 떨어질 수도 있습니다. 반대로 2DSIM 또는 단일 레이어 3DSIM 분야에서 OpenSIM4는 SIM 재구성 원리를 체계적으로 설명합니다. fairSIM5는 생물학 연구자의 사용을 용이하게 하기 위해 알고리즘을 피지에 통합합니다. HiFi-SIM7은 특히 재구성 결과를 최적화하고 사용자 친화적인 그래픽 사용자 인터페이스를 갖추고 있습니다. 편리한 다층 3DSIM 소프트웨어가 부족하여 사용자가 소프트웨어에 액세스하고 사용하는 데 방해가 되며 심각한 아티팩트가 3DSIM의 충실도와 신뢰성에 도전합니다. 따라서 3DSIM 분야의 추가 개발을 위해서는 잘 확립되고 사용자 친화적인 3DSIM 재구성 도구가 시급히 필요합니다.

이러한 요구를 해결하기 위해 여기에서는 우수하고 강력한 다층 3DSIM 재구성을 제공할 수 있는 Open-3DSIM을 보고합니다. 우리는 생물학적 사용자가 쉽게 접근할 수 있도록 피지 버전을 준비합니다. 하드웨어 전문가가 자체 제작한 3DSIM 데이터를 확인할 수 있도록 중간 결과를 제공하고 소프트웨어 개발자가 향후 개발을 강화할 수 있도록 개방형 모듈식 소스 코드를 제공합니다. 다양한 표본 및 신호 대 잡음(SNR) 수준에서 다양한 알고리즘과의 비교를 통해 Open-3DSIM이 매개변수 추정 및 스펙트럼 필터링의 최적화로 인해 우수한 성능을 제공하여 최소한의 아티팩트와 고충실도 재구성이 가능함을 보여줍니다. 약한 정보를 보존합니다. 또한 Open-3DSIM은 고유한 쌍극자 방향 정보를 추출하여 다층, 다색, 편광 및 저속 초해상도 재구성에서 3DSIM의 잠재력을 최대한 활용할 수 있습니다.

Open-3DSIM의 원리는 보충 그림 1과 보충 참고 1에 나와 있습니다. 3차원(3D) 구조 조명 패턴은 격자 회절을 통한 3개 빔의 간섭에 의해 생성됩니다. 그런 다음 3D 스택 데이터를 레이어별로 가져와 주파수 영역으로 변환하고 위상 분리 매트릭스로 분리합니다. 분리된 ±1차 주파수 성분은 제로 주파수 성분의 누출 원뿔을 채우기 위해 이동되고, ±2차 주파수 성분은 xoy 평면의 스펙트럼 범위를 확장하기 위해 이동됩니다. 따라서 3DSIM은 OTF(광 변환 기능)(확장 데이터 그림 1 및 보충 설명 1 및 2)에서 '누락 원뿔'을 채우고 3D 초해상도 결과를 얻음으로써 광역에 비해 스펙트럼 범위를 두 배로 늘립니다.