Development of a correlative imaging platform linking taste cell function to molecular identity = 미각 세포의 기능 활성과 분자적 특성을 동시에 측정하는 영상 플랫폼 개발

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Taste perception is a vital sensory modality that guides organisms toward nutritious substances and away from harmful compounds, playing an essential role in both survival and hedonic behavior. While recent advances have identified taste receptors and elucidated key components of the gustatory signaling pathway, a fundamental limitation persists: current methodologies cannot simultaneously capture the functional responses and molecular identities of individual taste cells within their native spatial context. This disconnect impedes a comprehensive understanding of how taste qualities are encoded at the cellular level. To address this challenge, we developed a correlative imaging platform that integrates in vivo functional imaging with post hoc molecular profiling at a single-cell resolution. We performed calcium responses of individual taste cells to defined taste stimuli under intact physiological conditions. Spatial indexing via near-infrared branding and fluorescent reporters enabled precise re-identification of the same cells in subsequent histological procedures. Functional and molecular data were subsequently registered using an image alignment pipeline, enabling single-cell resolution mapping of taste cell function to transcriptomic identity within the intact taste bud. This integrated correlative approach provides a novel framework for decoding the functional and molecular architecture of the peripheral taste system. It opens new avenues for understanding how spatial organization, cell-type diversity, and intercellular interactions contribute to the encoding of taste signals.

국문 초록 (Abstract)

미각 인식은 생물이 영양분을 섭취하고 유해 물질을 회피하도록 유도하는 필수적인 감각 기전으로, 생존과 기호 행동에 핵심적인 역할을 담당한다. 최근 연구를 통해 미각 수용체와 미각 신호 전달 경로의 주요 구성 요소들이 규명되었으나, 여전히 근본적인 제한이 남아 있다. 현재까지의 방법론은 미각 세포의 기능적 반응과 분자적 특성을 미뢰 수준에서 공간적 맥락을 유지한 채 개별 세포 단위로 동시에 관찰할 수 없다는 점이다. 이러한 한계는 미각 인식이 세포 수준에서 어떻게 인코딩 되는지에 대한 포괄적 이해를 제한한다. 이를 해결하기 위해, 생체 내 기능적 이미징과 이후 단일 세포 분해능의 분자 프로파일링을 통합한 상관 이미징 플랫폼을 개발하였다. 본 연구에서는 생리적 조건 하에서 정의된 미각 자극에 대한 개별 미각 세포의 칼슘 반응을 실시간으로 측정하였다. 근적외선 표지와 형광 리포터를 이용한 공간 지표를 통한 표적 영역 추적 기법을 통해, 대략적인 관심영역을 추적할 수 있었다. 이후 영상 정합 기술을 사용하여, 조직학적 분석에서 동일한 세포를 정밀하게 재 식별할 및 공간적 정합을 수행할 수 있었다. 기능적 데이터와 분자적 데이터는 이미지 정합 파이프라인을 통해 등록되어, 미뢰 내에서 단일 세포 수준으로 미각 세포의 기능과 전사체적 특성이 맵핑되었다. 이 통합적 상관 접근법은 말초 미각 시스템의 기능적 및 분자적 구조를 해독하는 새로운 프레임워크를 제공한다. 이는 미각 신호의 인코딩에 있어 공간적 조직, 세포 유형의 다양성, 그리고 세포 간 상호작용이 어떻게 기여하는지에 대한 새로운 연구 방향을 제시한다.

목차 (Table of Contents)

• Abstract I
• Table of Contents II
• List of Table V
• List of Figure VI
• Chapter 1. Introduction 1
• 1.1 Rationale for devloping a multimodal platform to study the taste system in the tonuge 1
• 1.2 Design for a multimodal imaging platform 6
• Chapter 2. Materials and methods 9
• 2.1 Animal 9
• 2.2 Preparation of tastant delivery solution 11
• 2.3 Preparation of mouse for in vivo imaging 13
• 2.4 Multiphoton optic setup 16
• 2.5 In vivo imaging and signal processing 18
• 2.6 Tissue fixation and spatial indexing for correlative analysis 23
• 2.7 Tissue sectioning 27
• 2.8 Post hoc in situ hybridization and immunofluorescence 27
• 2.9 Image processing 32
• 2.10 mRNA spot detection 37
• 2.11 statistical analysis 39
• 2.12 Data availability 39
• Chapter 3. Development of a correlative imaging platform 40
• 3.1 Macroscopic spatial mapping of taste buds 40
• 3.2 Spatial indexing using near-infrared branding (NIRB) 42
• 3.3 Tissue sectioning and structural validation 46
• 3.4 Iterative histological analysis 50
• Chapter 4. Integrative image processing pipeline for multimodal correaltive imaging 53
• 4.1 Workflow of image registration 53
• 4.2 Registration spatial information of in vivo functional activity into the histological data 55
• 4.3 Registration for iterative multiplexed histology 59
• 4.4 mRNA stability measurement 64
• Chapter 5. Proof-of-principle: Correlative analysis on sour-responsive Type III taste cell 67
• 5.1 Validation of correlative platform using sour-responsive cell 67
• Chapter 6. Application to sweet-umami dual-tuned response 72
• 6.1 Molecular identification of sweet and umami cells 72
• 6.2 Intrinsic gene expression pattern mainly drives dual-tuned response of sweet-umami stimuli 80
• Chapter 7. Conclusion 90
• Chapter 8. Discussion 91
• Bibliography 95
• Abstract in Korean 104
• Appendix 105