여기서는 라벨 없는 표면 증강 라만 분광법(SERS)을 사용하여 개별 작은 세포외 소포(sEV)를 분석하는 프로토콜을 제시하여, 최소 침습 질환 진단과 sEV의 치료 전달 매개체 평가를 가능하게 합니다.
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방법 논문
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여기서는 라벨 없는 표면 증강 라만 분광법(SERS)을 사용하여 개별 작은 세포외 소포(sEV)를 분석하는 프로토콜을 제시하여, 최소 침습 질환 진단과 sEV의 치료 전달 매개체 평가를 가능하게 합니다.
이 프로토콜은 표면 강화 라만 분광법(SERS)과 머신러닝(ML)을 통합하여 진단 및 치료적 응용 분야에서 개별 작은 세포외 소포(sEV)를 검출하고 분자적으로 프로파일링하는 포괄적이고 라벨이 없는 플랫폼을 제시합니다. 이 방법은 크기 배제 크로마토그래피 또는 초원심분리를 이용한 sEV 분리로 시작합니다. 분리된 소포는 단일 소포 감도를 가진 설계된 플라즈모닉 금 나노피라미드 2D 배열 기판에서 분석됩니다. 내재적인 라만 생화학적 지문을 활용하여 외부 라벨 없이도 고특이성 검출을 가능하게 합니다. 스펙트럼 획득 후 데이터는 전처리를 거치고 학습된 머신러닝 알고리즘(예: LDA, SVC)을 사용하여 질병 상태를 분류하며, 조직, 혈장, 타액에서 sEV를 사용해 위암과 건강한 대조군을 90.1%, 70.9%, 60.7%의 분류 정확도로 성공적으로 구분합니다. 또한, 단일 sEV에서 독소루비신 부하를 정량화함으로써 치료적 응용이 입증되었으며, 이는 그래핀 코팅 기판을 내부 표준으로 사용하여 더욱 강화된 측정 결과입니다. 이 접근법은 조기 질병 발견과 단일 소포 수준에서의 약물 적재 효율 이해에 필수적인 집단 이질성을 포착하는 고처리량 분석을 가능하게 합니다.
작은 세포외 소포(sEV)는 일반적으로 직경 30에서 200 nm 사이이며, 세포에서 자연적으로 생물체액으로 분비되며, 기원세포를 나타내는 단백질, 지질, 핵산을 운반합니다 1,2,3. 타액, 소변 및 기타 체액에서 비침습적 바이오마커로 4는 조기 질환 진단, 예후 및 치료 모니터링에 특히 종양학 분야에서 가능성을 지니고 있습니다 5,6,7. 그러나 이들의 임상 번역은 높은 이질성과 복잡한 생물학적 행렬에서의 낮은 존재 비율로 인해 제한됩니다8. 이러한 도전을 극복하기 위해 이 프로토콜은 표면 강화 라만 분광법(SERS)을 활용하는데, 이는 플라즈모닉 기판 9,10,11을 통해 라만 산란을 최대 1010-10 11배까지 증폭할 수 있는 강력한 분석 방법입니다. SERS는 개별 sEV의 내재 분자 "지문" 스펙트럼을 몇 초 만에 포착하여, 긴 분석 시간을 피하면서 초민감도 단일 소포 분석을 가능하게 합니다.
우리 방법은 라벨 없는 기반 SERS를 시너지 효과로 결합하여 개별 sEV12, 13, 14, 15, 16의 신속하고 초민감한 특성 분석을 달성합니다. 라벨 없는 SERS는 내재적인 생화학적 서명을 포착하며, LDA, SVC와 같은 머신러닝 모델과 결합하면 건강한 세포와 병든 세포에서 유래한 sEV를 높은 특이도로 구별하는 것으로 나타났습니다13. 우리 플랫폼의 재현성과 정량적 역량을 더욱 높이기 위해, 본 방법은 그래핀 코팅 라만 기판16과 완전히 호환됩니다. 단층 그래핀은 플라즈모닉 핫스팟을 안정화하고 분자 흡착을 향상시키는 화학적으로 균일한 표면을 제공하며, 더 중요한 것은 단층 그래핀이 SERS 신호의 "내장" 게이지 역할을 하여 검출된 분자의 정량화 능력을 가능하게 한다는 점입니다. 라만 레이저 빔 직경(~ 1 μm)이 일반적인 sEV보다 크지만, 우리 플랫폼은 물리적·통계적 메커니즘의 독특한 상호작용 덕분에 효과적인 단일 소포 해상도를 달성합니다. 준주기적 금 나노피라미드 기판은 100 nm보다 작은 크기의 매우 국소적인 플라즈모닉 '핫스팟'을 생성하여 라만 신호를 초선형적으로 증폭합니다12. 그 결과, 빔 내에서 가장 강한 핫스팟에 가장 가까운 확률적으로 sEV에서 나오는 신호가 스펙트럼을 지배하게 됩니다. 또한 SEM 영상은 sEV가 1 μm 간격으로 잘 >배치되어 스펙트럼 중복을 최소화하는 것을 확인하며, 라만 강도 맵은 개별 소포 크기와 일치하는 신호 국소화를 보여줍니다13,14. 이러한 특징들은 수집된 각 스펙트럼이 주로 단일 sEV에 대응하도록 보장하여 통계적으로 견고하고 라벨이 없는 단일 소포 분석을 가능하게 합니다. 웨스턴 블롯, 질량분석법, 일반 라만 산란과 같이 대용량 샘플이 필요하고 단일 소포20을 해상하지 못하는 기존 접근법과 비교할 때, 우리의 단일 소포 SERS 플랫폼은 우수한 감도, 처리량, 분자 해상도를 제공합니다. 이 워크플로우는 최소 침습 고해상도 진단 도구를 개발하거나 개별 치료 연구에서 sEV의 이질성과 약물 투여 효율성을 탐구하려는 연구자에게 적합합니다. 이 프로토콜에서는 SERS 플랫폼이 단일 sEV를 활용하여 특히 암 분야에서 소포 분리, 플라즈모닉 기질 준비, 라만 획득, 머신러닝을 통한 데이터 분석 등 전체 워크플로우를 가능하게 하는 방식을 보여줍니다.
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인간 표본 채취는 헬싱키 선언에 따라 수행되었으며 UCLA 기관심사위원회(IRB)의 승인을 받았습니다. 모든 기증자는 연구 참여 전에 서면 동의서를 제공했습니다.
참고: 총 4개의 세포주(AGS(CRL-1739), A549(CCL-185), NCI-N87(CRL-5822), Hs 738.St/Int(CRL-7869)가 모두 상업 공급업체로부터 구입하여 이 연구에서 사용되었습니다. 이 세포주들은 판매자의 지침과 시약에 따라 엄격히 배양 및 배설되었습니다. 가공된 배지는 -20°C에서 수집되어 저장된 후 처리되었습니다. 한국 삼성의료센터에서는 기증자들이 자발적으로 조직, 혈장, 타액 샘플을 기증했습니다. 위암 조직은 외과적 절제 과정에서 채취되었고, 비암 대조군의 생검은 내시경을 통해 수집되었습니다. 혈장은 표준 임상 프로토콜에 따라 EDTA 튜브에 채취되었습니다. 각 피험자로부터 약 5mL의 자극되지 않은 전체 침을 채취한 후, 4 °C에서 2,600 × g에서 15분간 원심분리했습니다. 세포외 RNA를 보존하기 위해 상출액에 20 U/mL의 SUPERase-In RNase 억제제를 보충하였습니다. 모든 표본은 추가 가공 전까지 -80°C에서 보관되었습니다. sEV는 설정된 프로토콜에 따라 조건 배지 및 임상 표본에서 분리되었습니다.
1. sEV 분리 및 특성 분석
2. SERS 플라즈모닉 기판 제작 12, 18, 19
3. 플라즈모니 기판으로의 그래핀 전달
4. SERS 샘플 준비 및 스펙트럼 획득
5. 데이터 전처리
6. 머신러닝을 이용한 스펙트럼 분석
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단일 소포 SERS 프로토콜의 성공적인 구현은 개별 sEV에서 뚜렷한 라만 스펙트럼을 얻어 후속 진단 분류와 치료 약물 적재 모니터링을 가능하게 합니다. 그림 1 은 위암 진단 연구와 약물 가중 sEV 모니터링 애플리케이션의 워크플로우를 각각 여기에서 보고한 프로토콜을 보여줍니다.

그림 1: 연구의 흐름도. (A) 위암의 단일 소포 SERS 기반 진단 워크플로우. 임상 소포는 분리되어 플라즈모니 기판에 침착되고, 개별적으로 라만 ...
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이 프로토콜의 핵심 요소는 기판 준비와 sEV 정제입니다. 라벨이 없는 SERS의 성능은 강한 증강 '핫스팟'을 가진 균일하고 고포각형 플라즈모닉 기판을 생성하는 데 크게 의존합니다. 마찬가지로, 크기 배제 크로마토그래피 를 통한 고순도 sEV 분리는 신뢰할 수 있고 재현 가능한 SERS 스펙트럼을 생성하는 데 필수적입니다. 단백질 응집체나 지단백과 같은 불순물은 소포 신호를 약화시킬 뿐만 아니라 스펙트럼 잡음을 도입하여 하위 머신러닝 분류를 혼란스럽게 할 수 있습니다.
우리 플랫폼의 큰 장점은 검증된 단일 소포 해상도로, 이는 sEV 이질성 문제를 극복하는 데 중요한 요소입니다. 레이저 스팟은 단일 소포보다 크지만, 금 나노피라미드 기하학에서 발생하는 초선형 신호 증폭 때문에 플라즈모닉 핫스팟에 가장 가까운 sEV가 신호를 지배합니다. 이와 함께 기질의 낮은 소포 밀도가 결합되어 각 스펙트럼은 개별 s...
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저자들은 이 연구와 관련된 이해 충돌이 없다고 선언합니다.
이 연구는 국립보건원(NIH) 국립 중개 과학 진흥 센터의 4UH3TR002978-03 및 1U18TR003778-01 지원과 캘리포니아 재생 의학 연구소(CIRM)의 보조금(보조금 번호 TRAN1-14649)의 지원을 받았습니다.
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