본 프로토콜은 형광 초상자성 나노입자, 보정된 전자석 및 실시간 공초점 이미징을 통합하여 슈반 세포(Schwann cells)를 원격으로 제어하며 자극하고, 이들의 기계감각 반응을 동적으로 모니터링할 수 있는 현미경 호환 자기 나노-작동 플랫폼을 제시합니다.
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방법 논문
본 프로토콜은 형광 초상자성 나노입자, 보정된 전자석 및 실시간 공초점 이미징을 통합하여 슈반 세포(Schwann cells)를 원격으로 제어하며 자극하고, 이들의 기계감각 반응을 동적으로 모니터링할 수 있는 현미경 호환 자기 나노-작동 플랫폼을 제시합니다.
기계적 힘은 세포 행동을 결정적으로 조절하지만, 기존의 많은 기계적 자극 방법들은 직접적인 물리적 접촉이나 인위적으로 설계된 세포외 환경에 의존하므로, 역동적인 살아있는 세포 연구에서의 유연성이 제한적입니다. 본 연구에서는 in vitro에서 슈반 세포(Schwann cells)를 원격으로 비접촉식이며 조절 가능하게 기계적 자극을 줄 수 있는 자기 나노 액추에이션 플랫폼을 제시합니다. 이 통합 시스템은 동일한 실험 세션 내에서 원격 자기 자극과 동기화된 살아있는 세포 이미징을 가능하게 합니다. 본 원고에서는 형광 초상자성 나노입자(SPIONs) 및 선택적으로 액틴 표적 기능화 SPIONs(f-SPIONs)의 준비, 현미경 호환 전자기 자극 장치의 구축 및 보정, 단일 입자 및 단일 세포 수준에서의 자기력 추정, 그리고 자기 액추에이션과 실시간 공초점 이미징의 통합 과정을 설명합니다. 슈반 세포는 말초 신경의 발달, 유지 및 회복에 필수적인 역할을 하는 기계적 자극에 매우 민감한 글리아 세포입니다. 기계적 자극에 대한 슈반 세포의 반응을 실시간으로 모니터링하는 것은 기계적 힘이 세포골격 조직과 세포 행동에 어떻게 영향을 미치는지 이해하는 데 매우 중요합니다. 이 플랫폼은 슈반 세포의 기계생물학 연구를 위한 재현 가능한 워크플로우를 제공하며, 다른 기계 반응성 세포 유형 및 다세포 시스템에도 적용될 수 있습니다.
기계적 자극은 접착, 이동, 증식, 분화 및 표현형 가소성을 포함한 광범위한 세포 과정을 조절합니다1,2,3. 기계생물학 연구에 따르면 뉴런과 글리아 세포 모두 발달 과정 전반에 걸쳐 뚜렷한 기계적 민감성과 반응성을 나타내는 것으로 밝혀졌습니다4,5,6,7. 세포가 힘을 어떻게 감지하고 반응하는지 조사하기 위해 원자간력 현미경(AFM), 미세피펫 흡입, 광학 집게, 신장 기반 배양 시스템 및 미세유체 플랫폼을 포함한 다양한 실험적 접근 방식이 개발되었습니다8,9,10,11,12. 이러한 기술들은 기계적 신호전달 연구를 크게 발전시켰습니다. 그러나 많은 기술이 세포와의 직접적인 물리적 접촉을 필요로 하거나 미리 정의된 인공적인 기계적 환경에 의존하므로, 원격으로 동적 제어가 가능하고 이미징과 호환되는 자극을 주는 데에는 적합하지 않은 경우가 많습니다.
자기 나노입자를 매개로 한 힘 전달은 원격 기계적 자극을 위한 대안적 전략을 제공합니다13,14,15,16,17,18. 대부분의 생물학적 조직은 자기 감수성이 낮기 때문에, 외부에서 가해진 자기장은 직접적인 접촉 없이 생물학적 시료에 침투할 수 있으며 세포나 조직 내로 전달된 자기 응답성 입자에 선택적으로 작용할 수 있습니다. 자기장 구배가 존재할 때, 이러한 입자들은 방향성 힘을 받게 되며, 이는 하위 세포, 세포 또는 조직 수준에서 기계적 섭동을 가하는 데 사용될 수 있습니다8,9. 이 접근 방식은 비접촉식이며, 조절이 가능하고, 라이브 이미징과 호환되며, 더 복잡한 생물학적 시스템으로 확장 가능성이 있다는 점에서 매력적입니다.
슈반 세포(Schwann cells)는 기계적 자극에 매우 민감한 글리아 세포(glial cells)로19,20, 말초 신경의 발달, 유지 및 회복에 중요한 역할을 합니다21,22. 물리적 자극에 대한 슈반 세포의 반응을 동적으로 관찰하는 것은 힘이 세포골격의 조직화와 세포 행동을 어떻게 조절하는지 이해하는 데 중요합니다. 하지만 기존의 많은 힘 전달 시스템은 실시간 고해상도 현미경 관찰과 쉽게 호환되지 않습니다. 이러한 한계를 해결하기 위해, 우리는 액틴 세포골격을 표적으로 하는 형광 자기 초미립자(f-SPIONs), 공초점 현미경 스테이지와 호환되는 맞춤형 전자기 장치, 그리고 힘 추정을 위한 정량적 프레임워크를 결합한 자기 나노-액추에이션 플랫폼을 개발했습니다. 이 통합 설정은 동일한 실험 세션 내에서 원격 자기 자극과 동기화된 살아있는 세포 이미징을 가능하게 합니다.
여기에 설명된 워크플로우에는 형광 자성 초미립자(SPIONs)의 준비, f-SPIONs 생성을 위한 선택적인 phalloidin 기반 액틴 표적 기능화, 나노입자 특성 분석, 전자기 장치 구축 및 자기장 보정, 자기력 추정, 그리고 실시간 공초점 이미징과 결합된 자기 자극이 포함됩니다. 본 플랫폼은 여기서는 슈반 세포(Schwann cells)에 최적화되었으나, 기계적 반응성을 가진 다른 살아있는 시스템의 관련 연구에 실용적인 프레임워크를 제공할 수 있습니다.
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본 프로토콜에 기술된 실험은 확립된 쥐 슈반 세포주(RSC96)를 사용하였으며, 인간 대상자나 살아있는 동물을 포함하지 않았습니다. 본 연구는 길림대학교 제1병원 동물복지 및 윤리위원회(승인 번호 2022-0045)의 승인을 받은 동물 실험을 포함하는 광범위한 연구 프로젝트의 일부로 수행되었습니다.
1. 형광 자성 슈퍼입자의 준비
2. 나노입자의 특성 분석
3. 전자기 자극 장치의 제작 및 교정 (그림 2)
4. 플랫폼에 의해 전달되는 자기력의 추정.


은 자기장 경사(gradient)이며
).
.
는 단일 f-SPION에 가해지는 자기력입니다.
는 세포당 내부로 유입된 f-SPIONs의 수입니다.5. 자기 자극과 실시간 공초점 레이저 주사 현미경(CLSM) 이미징의 결합
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고해상도 투과 전자 현미경(HRTEM) 분석 결과, 최종 나노입자 제형은 표면 개질 후 군집된 자기 코어와 외각 쉘 구조를 가진 것으로 나타났다(그림 1). 최종 f-SPIONs의 평균 전체 직경은 63.36 ± 16.65 nm였으며, Fe₃O₄가 풍부한 자기 코어는 약 56.60 ± 6.19 nm, 폴리도파민과 phalloidin-Alexa Fluor 350으로 구성된 외각 쉘의 평균 두께는 약 5.79 ± 1.36 nm였다. 이러한 결과는 자기 구동 및 형광 기반 시각화에 적합한 슈퍼입자 구조가 성공적으로 구축되었음을 확인시켜 주었다.
자기 이력 분석 결과, 입자들은 잔류 자기와 항자기력이 거의 없는 뚜렷한 초상자성 거동을 보였습니다. 10,000 Oe (1.0 T)의 인가 자기장 하에서 포화 자화 값은 약 35 A·m2/kg에 도달했습니다 (그림 5...
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산화철 나노입자는 우수한 생체 적합성을 가진 자기성 나노물질로 널리 알려져 있습니다. 초상자성 Fe₃O₄ 나노입자는 널리 사용되는 자기공명영상 조영제로, 임상 영상 진단에 광범위하게 적용되어 왔습니다29,30. 저희 연구 그룹의 최근 연구20에서 f-SPIONs는 매우 낮은 세포 독성과 우수한 생체 안전성을 나타내는 것으로 입증되었습니다. 제어 가능한 전자석과 결합하여 f-SPIONs를 기계적 작동기로 사용해 구축한 나노자기 작동 플랫폼은 슈반 세포의 세포골격 역동성을 효과적으로 활성화하고, 기계적 자극 민감성 Piezo1 이온 채널의 개방을 유도하며, 세포막을 통한 Ca2⁺ 유입을 유발함으로써 결과적으로 세포 내 유전자 발현 "재프로그래밍" 및 표현형 변화를 촉진했습니다20.
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저자들은 상충하는 재정적 이해관계가 없음을 선언합니다.
본 연구는 중국 국가자연과학재단(Grant Numbers 82571677 및 82001304, Y.W. 수혜), 길림성 의료 및 보건 의료 인재 특별 프로그램(Grant Number JLSRCZX2025-134, Y.W. 수혜) 및 길림대학교 Bethune 프로그램 프로젝트(Grant Number 2024B19, Y.W. 수혜)의 지원을 받아 수행되었습니다. 저자들은 나노물질의 설계, 합성 및 특성 분석을 도와준 길림대학교 화학대학(초분자 구조 및 재료 국가중점연구실)과 중국과학원 창춘 응용화학연구소에 감사를 표합니다. 또한, CLSM 이미징을 도와준 길림대학교 제1병원 중개의학연구소에도 감사를 표합니다.
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| 이름 | 회사 | 카탈로그 번호 | 댓글 |
|---|---|---|---|
| 1,2-헥사데칸디올 | Sigma-Aldrich | 213748 | 공업용 등급, 90%; 열분해 합성법에 사용됨 |
| 35 mm ibidi µ-배양 접시 | ibidi | 80156 | 슈반 세포 배양 및 이미징에 사용됨 |
| 벤질 에테르 | Sigma-Aldrich | 108014 | 98%; Fe 용매3O4 나노입자 합성 |
| 공초점 레이저 주사 현미경 | Nikon | AXR (Ti2-E) | 생세포 및 형광 이미징에 사용됨 |
| 맞춤형 전자기기 | 맞춤 제작된 | 입력된 텍스트가 없습니다. 번역할 내용을 제공해 주시기 바랍니다. | 인 비트로(in vitro) 경사 자기장 생성을 위한 소형 단극 전자석 |
| 시아닌 3.5 카복실산 | Duofluor Inc. | D10128 | Fe용 형광 염료3O4·Cy3.5 슈퍼파티클 어셈블리; 분자량 593.20; -에서 보관20 °C, 차광 상태로 |
| 데페록사민 메실산염 | Sigma-Aldrich | D9533 | 내부화되지 않은 철 및 막 결합 철을 제거하는 데 사용되는 철 킬레이트제 |
| 디지털 가우스메터 | 자성 체질 | WT103 | 커스텀 전자석에 의해 생성되는 경사 자기장을 측정하고 보정하는 데 사용됨 |
| 도파민 염산염 | Sigma-Aldrich | H8502 | ≥98% (TLC); 폴리도파민 코팅에 사용됨 |
| 동적 광산란 장치 | Malvern Instruments | Zetasizer Nano-ZS | 수력학적 직경 및 PDI 측정에 사용됨 |
| Fluo-4 AM | Invitrogen, Thermo Fisher Scientific | F14201 | 생세포 Ca²⁺ 측정에 사용되는 칼슘 지시약2+ 영상 촬영 |
| 형광 분광광도계 | Shimadzu | RF-6000 | 광루미네선스 특성 분석에 사용됨 |
| 고해상도 투과전자현미경 | JEOL | JEM-F200 | 나노입자의 형태 및 코어의 HRTEM 이미징에 사용됨–껍질 구조 |
| 유도결합플라즈마 원자방출분광광도계 | PerkinElmer | Optima 3300 DV | 세포 내 철 정량 분석에 사용됨 |
| 아세틸아세토네이트 철(III), Fe(acac)3 | Sigma-Aldrich | F300 | 97%; Fe 전구체3O4 나노입자 합성 |
| 라이브 셀 스테이지 탑 인큐베이터 | TOKAI HIT | TENP&일산화탄소2 | 자기 자극 중 살아있는 세포의 공초점 이미징에 사용됨 |
| 올레산 | Sigma-Aldrich | O1008 | ≥99% (GC); Fe용 표면 리간드3O4 나노입자 합성 |
| 올레일아민 | Sigma-Aldrich | O7805 | 공업용 등급, 70%; 나노입자 합성을 위한 리간드 |
| 팔로이딘–Alexa Fluor 350 | Invitrogen, Thermo Fisher Scientific | A22281 | 선택적 액틴 표적 기능화 시약 |
| Pluronic F-127 | Invitrogen, Thermo Fisher Scientific | P3000MP | 살아있는 세포의 Ca2+ 측정을 위한 Fluo-4 AM 로딩을 촉진하는 데 사용됨2+ 이미징 |
| 프로그래밍 가능 DC 정전압 전원 공급 장치 | 동문 | eTM-L605SPL (60 V, 5 A) | 인비트로(in vitro) 경사 자기장 생성을 위한 맞춤형 전자기기에 전원을 공급하는 데 사용됨 |
| RSC96 슈반 세포 | 중국과학원 세포은행 | 제공된 텍스트가 없습니다. 번역할 소스 텍스트를 입력해 주십시오. | 쥐 유래 슈반 세포주 |
| 소듐 도데실 황산염 (SDS) | Sigma-Aldrich | 436143 | ACS 시약, ≥99.0%; 수중유(oil-in-water) 마이크로에멀젼용 계면활성제 |
| SQUID 자력계 | Quantum Design Inc. | MPMS-XL | 300 K에서 자기 이력 측정에 사용됨 |
| 톨루엔 | Sigma-Aldrich | 244511 | 무수, 99.8%; 초입자 조립용 용매 |
| 투과 전자 현미경 | FEI | EP 5018/40, Tecnai Spirit Biotwin | 세포 및 신경 조직의 초미세구조 관찰에 사용됨 |
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