1. 기술 원리 소개
1) 살아있는 동물에서의 생물발광 이미징(BLI)은 소형 포유류에서 리포터 유전자(예: 루시퍼라제)의 발현을 수반합니다. 발현된 루시퍼라제는 산소, Mg²⁺, 그리고 ATP의 존재 하에서 기질인 루시페린의 산화를 촉매합니다. 이 화학 반응은 화학 에너지의 일부를 가시광선으로 방출합니다. 방출된 빛은 고감도 CCD 카메라로 포착하여 이미지를 생성합니다. 생물발광 신호의 강도는 표지된 세포의 수와 선형적으로 상관관계를 보입니다. 루시퍼라제 리포터 플라스미드는 다양한 유전자 프로모터 아래에 위치하여 리포터 역할을 함으로써 표적 유전자의 발현 또는 조절을 모니터링할 수 있습니다.
그림 1: 루시퍼레이즈에 의해 촉매되는 생물발광 반응
2) 생물발광은 화학발광의 한 형태입니다 . 루시페라아제에 의한 루시페린의 산화 과정에서 넓은 가시광선 스펙트럼(460~630nm, 평균 ~560nm)의 빛이 방출됩니다. 포유류에서 헤모글로빈은 대부분의 가시광선, 특히 청록색 영역의 빛을 흡수합니다. 물과 지질은 주로 적외선을 흡수하는 반면, 적색에서 근적외선 영역(590~800nm)의 흡수는 상대적으로 낮습니다. 결과적으로 적색 편이 생물발광(600nm 이상)은 조직에 더 효과적으로 침투할 수 있으며, 산란 손실에도 불구하고 민감한 CCD 장치로 감지할 수 있습니다.
그림 2: 생체 내 영상의 원리, 계측 및 결과
2. 생체 내 영상의 응용
종양학 : 암 모델에서 종양의 성장, 전이, 치료 반응을 신속하고 비침습적으로 정량화할 수 있습니다.
약물 발견 : 항암 약물 효능 연구, 약동학, 세포 표지, 유전자 발현 및 기능 연구, 세포 사멸 추적에 적용됩니다.
3. 생물발광과 형광 이미징의 비교
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생물발광 |
형광 |
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장점 |
(1) 높은 감도 (2) 선명한 신호로 빠른 이미징 (3) 생체 내 최소 10² 세포 검출 |
(1) 다양한 염료 및 단백질 사용 가능 (2) 다중화 가능 (3) FACS 분류에 적용 가능 |
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단점 |
(1) 민감한 CCD가 필요한 약한 신호 (2) 정밀 기기가 필요함 (3) 표적 세포 또는 유전자에 라벨을 붙여야 함 |
(1) 비특이적 배경 형광은 감도를 감소시킨다. (2) 생체 내 검출 한계는 ~10⁶ 세포이다. (3) 외부 여기광이 필요하다. (4) 생체 내 정량화가 어렵다. |
4. 루시페린 칼륨염, 나트륨염, 유리산의 차이점
반딧불이 루시페라제의 기질인 루시페린은 유리산 또는 칼륨/나트륨염 형태로 존재합니다. 주요 차이점은 다음과 같습니다.
용해도 : 염 형태는 수용성입니다. 나트륨염은 약 100 mg/mL, 칼륨염은 약 60 mg/mL로 용해됩니다. 유리산은 물에 잘 녹지 않지만 약염기성 중탄산염 용액에는 용해될 수 있습니다.
독성 : 염 형태는 물에 잘 녹고 독성이 낮아 생체 적합성이 높고 생체 내에서 사용하기 편리합니다.
성능 : 영상 결과에 유의미한 차이가 없습니다. 칼륨염은 생체 내 실험에서 더 일반적으로 사용됩니다.
5. 신체 내부에서 약한 생물발광광을 어떻게 감지합니까?
낮은 생물발광 신호 감지를 보장하는 데는 두 가지 주요 요소가 있습니다.
-105°C의 낮은 온도에서도 작동하는 초고감도 냉각 CCD 카메라로 , 최소한의 광자 방출도 감지할 수 있습니다.
주변광과 배경 방사선을 제거하여 깨끗한 신호를 포착하는 빛이 차단된 영상 챔버입니다 .
6. 쥐를 생체 내 영상 촬영에 사용할 수 있나요?
네. 성체 생쥐, 랫드, 그리고 배아 간에 조직 침투율에는 차이가 있지만, 가시광선은 3~4cm의 조직까지 투과할 수 있습니다. 수많은 연구에서 랫드에서의 생체 내 이미징이 성공적으로 입증되었습니다.
7. 냉각된 CCD가 동물의 온도에 영향을 미칩니까?
아니요. 냉각 시스템은 CCD 센서에 국한되어 있으며 이미징 챔버 내부의 주변 온도에는 영향을 미치지 않으며, 이미징 챔버의 주변 온도는 실온으로 유지됩니다.
8. GFP에 비해 루시페린 기반 이미징의 장점
루시퍼라제 기반 이미징은 적색편이광을 방출하는데, 이는 GFP의 녹색 형광보다 조직 투과율이 거의 100배 높습니다 . 효소 반응은 높은 특이성과 신호대잡음비를 제공하는 반면, GFP는 외부 자극을 필요로 하기 때문에 피부나 털에서 비특이적인 자가형광을 유발할 수 있습니다. 따라서 GFP는 체외 검출에 더 적합한 반면, 루시퍼라제는 체내 적용에 이상적입니다.
9. 기존 방법에 비해 생물발광 이미징의 장점
생물발광 이미징은 종양 전이, 유전자 치료, 질병 발병 기전, 줄기세포 추적 및 백혈병 모델 연구에서 향상된 민감도와 실시간 추적 기능을 제공합니다. 약물 효능 평가에서 기존 방법보다 우수한 성능을 보이며, 형질전환 질환 모델을 이용한 신속한 스크리닝을 용이하게 합니다.
10. 루시퍼레이즈로 줄기세포를 표시하는 방법은?
두 가지 주요 방법:
형질전환 마우스 모델에서 루시퍼라제를 구동하는 항시 활성 프로모터를 사용합니다 . 골수에서 조혈모세포를 채취하여 다른 마우스에 이식하여 생체 내 증식, 분화 및 이동을 모니터링합니다.
또는 렌티바이러스 벡터를 사용하여 루시퍼레이스를 신경줄기세포에 전달하여 생체 내 추적을 수행할 수 있습니다.
11. 루시페린 주사 후 영상 검사는 언제 실시해야 하나요? 신호는 얼마나 오래 지속되나요?
복강내 주사 후 최대 생물발광 신호는 10~15분 에 나타나고, 잠시 안정화된 후 20~30분경에 감소하기 시작합니다.
3시간이 지나면 루시페린이 배출되고 신호는 감지되지 않습니다.
12. 루시페린 주사는 어떻게 하나요? 주사 방법의 차이점은 무엇인가요?
루시페린은 다음을 통해 투여될 수 있습니다. 복강내(IP) 또는 꼬리정맥(IV) 주입:
IP 주입 : 확산이 느리고 신호 발현이 지연되지만 신호 지속 시간이 길어집니다.
정맥 주사 : 확산이 빠르고 신호가 즉각적으로 나타나지만 신호 지속 시간이 짧습니다.
일반적인 복용량은 다음과 같습니다. 150mg/kg , 20g의 쥐의 경우 이는 루시페린 약 3mg에 해당합니다.
제품 개요
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제품명 |
사양 |
카탈로그 번호 |
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100mg / 500mg / 1g |
4070 2 ES0 1 /0 2/03 |
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100mg / 500mg / 1g |
4070 1 ES0 1 /0 2/03 |
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100mg / 500mg / 1g |
4070 3 ES0 1 /0 2/03 |
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10톤/100톤/1000톤 |
11402ES10/60/80 |
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100T/1000T/10×100T/10T |
11413ES60/81/80/10 |