Understanding interfacial phenomena has been one of the main research issues not only in semiconductors but only in life sciences. I have been trying to meet the atomic scale surface and interface analysis challenges from semiconductor industries and furthermore to extend the application scope to biomedical areas. Optical imaing has been most widely and successfully used for biomedical imaging but complementary ion beam imaging techniques based on mass spectrometry and ion scattering can provide more detailed molecular specific and nanoscale information In this presentation, I will review the 27 years history of medium energy ion scattering (MEIS) development at KRISS and DGIST for nanoanalysis. A electrostatic MEIS system constructed at KRISS after the FOM, Netherland design had been successfully applied for the gate oxide analysis and quantitative surface analysis. Recenlty, we developed time-of-flight (TOF) MEIS system, for the first time in the world. With TOF-MEIS, we reported quantitative compositional profiling with single atomic layer resolution for 0.5~3 nm CdSe/ZnS conjugated QDs and ultra shallow junctions and FINFET's of As implanted Si. With this new TOF-MEIS nano analysis technique, details of nano-structured materials could be measured quantitatively. Progresses in TOF-MEIS analysis in various nano & bio technology will be discussed. For last 10 years, I have been trying to develop multimodal nanobio imaging techniques for cardiovascular and brain tissues. Firstly, in atherosclerotic plaque imaging, using, coherent anti-stokes raman scattering (CARS) and time-of-flight secondary ion mass spectrometry (TOF-SIMS) multimodal analysis showed that increased cholesterol palmitate may contribute to the formation of a necrotic core by increasing cell death. Secondly, surface plasmon resonance imaging ellipsometry (SPRIE) was developed for cell biointerface imaging of cell adhesion, migration, and infiltration dynamics for HUVEC, CASMC, and T cells. Thirdly, we developed an ambient mass spectrometric imaging system for live cells and tissues. Preliminary results on mouse brain hippocampus and hypotahlamus will be presented. In conclusions, multimodal optical and mass spectrometric imaging privides overall structural and morphological information with complementary molecular specific information, which can be a useful methodology for biomedical studies. Future challenges in optical and mass spectrometric imaging for new biomedical applications will be discussed.
In situ detection of RNAs is becoming increasingly important for analysis of gene expression within and between intact cells in tissues. International genomics efforts are now cataloging patterns of RNA transcription that play roles in cell function, differentiation, and disease formation, and they are demon-strating the importance of coding and noncoding RNA transcripts in these processes. However, these techniques typically provide ensemble averages of transcription across many cells. In situ hybridization-based analysis methods complement these studies by providing information about how expression levels change between cells within normal and diseased tissues, and they provide information about the localization of transcripts within cells, which is important in understanding mechanisms of gene regulation. Multi-color, single-molecule fluorescence in situ hybridization (smFISH) is particularly useful since it enables analysis of several different transcripts simultaneously. Combining smFISH with immunofluorescent protein detection provides additional information about the association between transcription level, cellular localization, and protein expression in individual cells.
본 연구에서는 폴리디메틸실록산(PDMS)과 모세관-미세몰딩(MIMIC) 기술을 활용하여 마이크로패턴 채널 시스템을 제작하고, 단일 세포 수준에서 극성화 패턴으로 형성되는 분자 신호를 고해상도 세포 이미징을 통해 분석하였다. 이 과정에서 혈소판유래성장인자(PDGF)가 처리된 세포에서는 세포 이동에 중요한 세 종류의 신호인 포스포이노시티드 3-인산화효소(PI3K), Rac 및 액틴(Actin) 신호가 선두(front)영역에서 후미(rear)영역에 비해 강하게 활성화 하는 데 반해, 마이오신 경쇄(MLC) 신호는 비특이적 경향성을 보여주었다. 본 연구 결과는 향후 마이크로패턴의 미세환경에서 세포 극성화 신호와 세포 이동과의 상관 관계를 연구하는 데 중요한 도움이 될 것으로 사료된다.
meta-iodobenzylguanidine is one of the norepinephrine analogs and reuptakes together with norepinephrine with norepinephrine transporter. The radioiodinated ligand, 123I-meta-iodobenzylguanidine, is the most widely used for single photon emission computed tomography imaging to diagnose functional abnormalities and tumors of the sympathetic nervous system. In this study, we performed cellular uptake studies of 123I-meta-iodobenzylguanidine in positive- and negative-norepinephrine transporter cells in vitro to verify the uptake activity for norepinephrine transporter. After 123I-meta-iodobenzylguanidine was injected via a tail vein into normal mice, Single photon emission computed tomography/computed tomography images were acquired at 1 h, 4 h, and 24 h post-injection, and quantified the distribution in each organ including the adrenal medulla as a norepinephrine transporter expressing organ. In vitro cell study showed that 123I-meta-iodobenzylguanidine specifically uptaked via norepinephrine transporter, and significant uptake of 123I-meta-iodobenzylguanidine in the adrenal medulla in vivo single photon emission computed tomography images. These results demonstrated that single photon emission computed tomography imaging with 123I-meta-iodobenzylguanidine were able to quantify the biodistribution in vivo in the adrenal medulla in normal mice.
One of the major problems of biological ToF-SIMS imaging is the lack of protein and peptide imaging. Most of biological story telling is mianly based on proteins. The biological implication of lipid ToF-SIMS imaging would be much higher if protein imaging is provided together. Utilizing high secondary ion yields of metals, proteins can be ToF-SIMS imaged with nanoparticle tagged proteins. Nanoparticles such as Fe3O4, SiO2, PbS were used for imaing NeuN, MCH, Orexin A, ${\alpha}$ synucline, TH(Tryosine Hydroxylase) in mouse tissues with a spatial resolution of ${\sim}2{\mu}m$ using a TOF-SIMS. Lipids and neurotransmitters images obtained simultaneously with protein images were overlayed for more deeper understanding of neurobiology, which is not allowed by any other bioimaging technqiues. The protein images from TOF-SIMS were compared with confocal fluorescence microscopy and NanoSIMS images. A new sample preparation method for imaging single cell membranes in a tissue using the vibrotome technique to prepare a tissue slice without any fixation and freeze drying will be also presented briefly for Hippocampus and Hypothalamus tissues.
It has been found that the colony size of bacteria grown on an agar plate decreases with increasing agar gel concentration. Evidenc from recent studies suggests that the bacterial colony dynamics is closely related with the mechanical properties of the substrate. We investigate whether bacterial growth on the agar substrate is controlled mostly by the nutrients' diffusion which is hindered more in porous medium than in solution. The number of bacterial cells in single colonies is found to be inversely correlated with agar concentration. High-resolution live cell imaging at the single bacterium level confirms that the bacterial growth rate is reduced with increasing agar concentration. There is a strong correlation between the slowed diffusion and the reduced number of cells in a high concentration of agar medium.
Kim, Songhee H.;Vieira, Melissa;Kim, Hye-Jin;Kesawat, Mahipal Singh;Park, Hye Yoon
Molecules and Cells
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제42권4호
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pp.356-362
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2019
The binding of MS2 bacteriophage coat protein (MCP) to MS2 binding site (MBS) RNA stem-loop sequences has been widely used to label mRNA for live-cell imaging at single-molecule resolution. However, concerns have been raised recently from studies with budding yeast showing aberrant mRNA metabolism following the MS2-GFP labeling. To investigate the degradation pattern of MS2-GFP-labeled mRNA in mammalian cells and tissues, we used Northern blot analysis of ${\beta}$-actin mRNA extracted from the Actb-MBS knock-in and $MBS{\times}MCP$ hybrid mouse models. In the immortalized mouse embryonic cell lines and various organ tissues derived from the mouse models, we found no noticeable accumulation of decay products of ${\beta}$-actin mRNA compared with the wild-type mice. Our results suggest that accumulation of MBS RNA decay fragments does not always happen depending on the mRNA species and the model organisms used.
We report the construction of a MALDI imaging mass spectrometer equipped with a specially designed laser focusing lens, a compact aspherical singlet lens, that obtains a high-lateral imaging resolution in the microprobe mode. The lens is specially designed to focus the ionization laser (${\lambda}$ = 355 nm) down to a $1{\mu}m$ diameter with a long working distance of 34.5 mm. With the lens being perpendicular to the sample surface and sharing the optical axis with the ion path, the imaging mass spectrometer achieved an imaging resolution of as good as $5{\mu}m$ along with a high detection sensitivity of 100 fmol for peptides. The mass resolution was about 900 (m/${\Delta}m$) in the linear TOF mode. The high-resolution capability of this instrument will provide a new research opportunity for label-free imaging studies of various samples including tissues and biochips, even for the study at a single cell level in the future.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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