Name: BioMEMS 및 세포 생물학 : 관점 및 응용 프로그램 (동영상) | JoVE Journal
Uploaded: 2007-10-01T00:00:00.000+00:00
Duration: 16 min 30 s
Description: 배우세요 마이크로유체장치를 이용한 세포 배양 기술 개선 방법을 신경과학 연구에 적용하는 것입니다. 이 기술은 생체 내 환경을 더 정확히 모사하여 세포 행동을 정량적으로 분석할 수 있게 합니다.

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biomems 및 세포 생물학 : 관점 및 응용 프로그램

BioMEMS and Cellular Biology: Perspectives and Applications

문화 셀 수있는 능력은 기본적인 세포와 분자 생물학 연구의 가설을 테스트를 혁신했다. 그것은 약물 검사, 약물 검사 및 임상 assays의 표준 방법론이되었고, 점점 재생 의료에 사용됩니다. 그러나, 본질적으로 균일한 액체 매체에서 단일 평면 기판에 대한 세포의 큰 인구의 침수로 구성된 전통적인 세포 배양 방법은 점점 더 근본적인 실용적인 관점에서 모두 제한되고있다. Microfabrication 기술은 마이크로 미터 제어 기판의 생화학 구성 및 토폴로지, 그리고 매체 조성뿐만 아니라, 주변의 세포 microenvironment에서 이웃 셀 유형, 설계 연구를 활성화했습니다. 또한, microtechnology는 개발에 대한 개념이 잘 적합합니다, 빠른 조건에 따라 많은 수의 세포의 높은 처리량 culturing 및 분석을 허용 체외 시스템에 저비용. 이 인터뷰에서, 앨버트 Folch들은 소프트 리소그래피와 microfluidics와 극복 할 수있는 방법이 한계를 설명하고, 자신의 연구실 및 미래의 방향으로 연구의 몇 가지 관련 예제를 설명합니다.

BioMEMS 및 세포 생물학 : 관점 및 응용 프로그램

세포 배양 능력은 기초 세포 및 분자 생물학 연구의 가설 검증 방식에 혁신적인 변화를 가져왔습니다. 이는 ...의 표준 방법론이 되었습니다.

저는 Albert Falk입니다. 시애틀에 위치한 워싱턴 대학교의 교수이며, 생체 의학 마이크로 전기 기계 시스템을 의미하는 biomes라는 광범위한 분야를 연구하고 있습니다. 저희는 미세유체역학을 연구하며, 주로 신경과학 분야의 세포 생물학 응용 연구에 집중하고 있습니다.본 연구실의 주요 목표 중 하나는 전통적인 세포 배양 기술의 한계를 극복하는 것입니다. 세포 생물학자들이 페트리 접시와 같은 시험관 내(in vitro) 환경에서 세포를 연구하는 방식을 살펴보면, 세포들이 균질한 세포 배양 배지에 잠겨 있으며 동시에 균질한 표면 위에 놓여 있다는 점을 즉시 알 수 있을 것입니다. 하지만 실제 체내에서 세포는 균질한 표면 위에 존재하지 않습니다.세포들은 균일한 배지에 잠겨 있지 않습니다. 실제로 세포들은 공간과 시간에 따라 변화하는 다양한 신호, 주로 기울기(gradient) 형태의 신호에 노출되어 있으며, 겔 형태의 매트릭스로 둘러싸여 있습니다. 또한 페트리 접시에서 세포를 연구할 때 몇 가지 실질적인 제약이 있는데, 크고 값비싼 장비인 배양기가 필요하다는 점입니다.일반적으로 생물학자들은 다양한 조건들을 연구하고자 합니다. 예를 들어, 세포 배양 A와 세포 배양 B에서 세포를 연구하고 싶어 할 것입니다. 이러한 화합물에 반응하는 세포의 가변성은 매우 큽니다. 따라서 보통 생물학자들은 세포를 서로 다른 페트리 접시에 넣고, 아마도 3반복(triplicate)으로 실험하며 다양한 범위의 조건을 연구합니다. 결과적으로 많은 양의 세포 배양 배지와 소모품, 그리고 많은 수의 접시를 사용하게 되며, 이는 많은 공간을 차지하게 됩니다.따라서 저희는 이를 소형화하려고 노력하고 있으며, 그것이 한 가지 측면입니다. 또한, 세포를 넣고 세포 배양 배지를 교체하는 과정에서 많은 양의 피펫팅이 필요합니다. 이는 소요되는 시간과 투입되는 인력 측면에서 비용이 매우 많이 들며, 페트리 접시에 넣고 빼야 하는 액체의 양 또한 매우 많습니다.또 다른 제한점은 모든 표면을 세포로 채우기 위해 다량의 세포를 사용해야 하며, 이로 인해 많은 동물을 희생시켜야 하는 경우가 많다는 점입니다. 또한, 단순히 필요한 양이 많기 때문에 비용이 많이 들 수 있습니다. 결론적으로, 전통적인 기술들은 결과적으로 많은 비용을 소모하게 됩니다.이러한 방법은 실험을 구현하는 데 필요한 시간과 인력 측면에서 매우 비용이 많이 들며, 실제 수율 또한 낮기 때문에 생물학자들은 결국 표면의 수나 연구되는 조건의 수를 타협하게 됩니다. 그 결과 통계적으로 매우 취약한 데이터가 생성됩니다. 전형적인 생물학 연구의 결론은 공학적 기준에서 볼 때 매우 정성적이며, 따라서 이러한 모든 연구는 확장성이 없게 됩니다.따라서 이는 게놈 시대에 접어들며 큰 문제로 대두되고 있는데, 연구자들이 수많은 조건과 많은 변수를 연구하고, 대량의 세포와 조건을 연구함으로써만 밝혀낼 수 있는 새로운 변수와 새로운 세포 현상을 찾고자 하기 때문입니다. 이에 따라 미세 가공 기술은 우리가 다양한 이유로 활용할 수 있는 몇 가지 장점을 제공합니다. 우선 근본적인 관점에서의 장점이 있는데, 마이크로전자공학의 트랜지스터가 크기가 작을수록 더 잘 작동하는 것과 같은 이치입니다.여기서 우리는 연구 대상인 세포와 비슷한 규모의 장치들을 제작합니다. 마이크로 제작 기술은 이러한 한계들을 단일한 방식이 아니라 여러 방면에서 극복할 수 있게 해줍니다. 우선, 이 기술을 통해 매우 많은 수의 단일 세포를 탐색할 수 있습니다.따라서 즉각적으로 매우 정량적인 결론을 얻을 수 있습니다. 또한, 저렴한 비용으로 실험을 수행할 수 있게 해줍니다. 아울러, 이러한 시스템은 장치 하나 가격으로 여러 개의 장치를 제작할 수 있다는 점에서 제작 비용이 매우 저렴합니다.또한, 운용이 간편하여 비용이 저렴하며 자동화에 매우 적합합니다. 이러한 저렴한 제작 비용과 낮은 운용 비용이라는 장점은 매우 성공적인 상업적 구현으로 이어집니다. 마지막으로, 이러한 시스템은 정량적 설계에 매우 유리합니다.이는 매우 중요한데, 이러한 방식으로 미세유체 장치나 표면 제작 등의 동작을 모델링하여 정확히 어떻게 작동할지 알 수 있기 때문입니다. 그리고 그 후 모델링을 통해 다시 확인하며, 아직 실험실로 이동하지는 않습니다.이론적으로 모든 것이 작동하는 것을 확인한 후, 실험실로 가서 이를 구현함으로써 많은 시간을 절약할 수 있습니다. 저희 실험실에서 사용하는 주요 기술 중 하나는 소프트 리소그래피(soft lithography)라고 하며, 이는 90년대 초 하버드 대학의 George Whiteside에 의해 개발된 일련의 유사 기술들입니다. 이 기술들은 Polymethylsiloxane 또는 PDMS라고 불리는 투명한 엘라스토머 재료의 복제 및 몰딩을 기반으로 합니다. 생물학자들은 Dow Corning사에서 제조한 브랜드명 Sylgard 184로 이 재료를 알고 있습니다.그리고 이것은 기본적으로 투명한 고무 재질의 장치입니다. 구부릴 수 있으며, 앞서 말씀드린 것처럼 성형이 가능하므로 하나의 동일한 몰드를 통해 반복적으로 제작할 수 있습니다. 제작 비용이 많이 드는 부분은 몰드이며, 재료는 대량으로 구매하여 사용합니다.이것은 비용이 그리 많이 들지 않습니다. 또한 생체 적합성이 매우 뛰어나며, 그 위에 세포를 파종할 수도 있습니다.이 물질은 임플란트에 사용됩니다. 또한 또 다른 큰 장점은 투명하다는 점이며, 이는 여러분도 아시다시피 생물학 연구에서 매우 중요한 분석 방법인 생물학적 현미경 관찰에 있어 매우 매우 중요합니다. 그리고 실험실 영상에서 보시는 바와 같이, 성형 과정은 매우 쉽고 매우 간단합니다.단순히 두 가지 성분을 혼합하는 과정일 뿐입니다. 누구나 할 수 있는 일이죠. 마치 요리를 해서 오븐에 넣는 것과 같습니다.네 살 된 제 아들도 실험실에 와서 실제로 고무를 만들었습니다. 그만큼 매우 간단합니다. 미세유체역학은 유체의 거동을 연구하는 학문입니다.아시다시피, 좁은 수로에서는 돌을 물속으로 던지기가 어렵습니다. 이는 돌과 물 사이의 마찰력이 가해지는 힘에 비해 매우 크기 때문입니다. 이와 유사한 현상이 좁은 수로에서 발생하지만, 여기서는 상황이 정반대로 나타납니다.물은 이동하는 대상이며, 마이크로채널에서는 표면적 대비 부피 비율이 높기 때문에 주변 벽면이 매우 큰 마찰을 가하게 되어 벽면의 영향이 매우 강력합니다. 따라서 이러한 관성력은 점성력 및 벽면에 의해 발생하는 마찰력에 비해 매우 작습니다. 점성력이 지배적이기 때문에 마이크로채널에서는 난류가 절대 발생하지 않으며, 유체가 층을 이루며 흐르는 층류(laminar flow)라고 알려진 흐름 체계를 나타내게 됩니다.여기에 서로 다른 흐름이 나란히 흐르기 때문에 섞이지 못하는 예가 나와 있습니다. 커피잔을 저을 때처럼 혼합을 가속화하는 난류가 발생하지 않기 때문입니다. 점성력이 지배적이어서 마이크로채널 내에서 난류가 발생하기 매우 어렵기 때문에, 하나의 채널로 합쳐지는 두 흐름은 섞이지 않으며 오직 확산에 의해서만 매우 천천히 섞이게 됩니다.이제 우리는 이러한 특성을 이용하여 세포 집단의 서로 다른 부분이나 심지어 단일 세포를 서로 다른 유체에 노출시킵니다. 이렇게 하는 이유는 이것이 생체 내(in vivo)에서 일어나는 방식이기 때문입니다. 생체 내에서 세포는 물질의 농도 구배에 노출되며, 많은 경우 매우 일시적으로 노출됩니다.따라서 유체 내에서의 유체 거동뿐만 아니라 유체 흐름 속의 다양한 물질의 확산까지 정확하게 모델링할 수 있기 때문에, 세포가 어떤 농도에 노출되는지, 그리고 세포의 어느 부분이 어떤 농도에 노출되는지를 알 수 있습니다. 이를 통해 특정 물질에 대한 세포 노출에 대해 매우 정량적인 연구를 수행할 수 있습니다. 층류(laminar flow)가 세포 연구에 어떻게 활용될 수 있는지에 대한 예로, 현재 저희 실험실에서는 근육 세포가 뉴런에 의해 신경 지배(innervation)를 받고 있는 상황을 모사하려는 프로젝트를 진행하고 있습니다.따라서 발달 과정 중에 일어나는 일은, 어느 시점에 신경이 근육에 도달하여 시냅스 형성에 관여하는 agrin이라는 물질을 분비하는 것입니다. 그래서 우리가 수행하려는 작업은 개념적으로 매우 간단합니다. 근육 세포를 장치에 넣고, 유체의 중심 부분에만 agrin이 포함된 흐름에 노출시키는 것입니다.이를 통해 장치가 신경이며 장치 내의 근육 세포가 발달 과정 중의 실제 근육이라고 가정할 수 있습니다. 미세유체 기술이 매우 강력하게 활용되는 또 다른 예는 축삭 유도 연구입니다. 여기서의 핵심 아이디어는 소량의 부피 내에서 유체가 어떻게 확산되는지 매우 정확하게 예측할 수 있다는 점을 이용하여 물질의 농도 구배를 형성하는 것입니다.그리고 발달 과정 동안, 기울기(gradient)는 신경 세포가 표적을 찾는 방식에 부분적으로 관여합니다. 따라서 우리는 이를 페트리 접시 내부의 미세 채널 내에서 재현하려고 노력하고 있습니다. 후각은 매우 흥미로운 센서 시스템입니다.생쥐의 코에 있는 뉴런들은 각각 단 한 종류의 후각 수용체만을 발현합니다. 생쥐에게는 약 1,000가지의 서로 다른 후각 수용체 유전자가 있습니다. 각 수용체는 일정한 범위의 후각 물질과 결합하며, 각 후각 물질은 여러 개의 수용체와 결합합니다.우리는 냄새를 감지하는 방식이 조합적인 방식이라고 믿고 있습니다. 전통적인 후각 연구에서는 수많은 후각 물질과 특정 수용체 사이의 일치 여부를 찾거나, 특정 후각 물질과 수많은 수용체 사이의 일치 여부를 찾는 것이 어렵습니다. 이는 특정 뉴런이나 후각 감각 뉴런을 다양한 후각 물질에 노출시키기가 매우 어렵고, 반대로 특정 후각 물질을 후각 상피의 모든 뉴런에 노출시키는 것 또한 매우 어렵기 때문입니다. 따라서 저희의 접근 방식은 후각 상피를 채취하여 단일 세포로 분리한 뒤, 마이크로 웰로 구성된 대형 마이크로어레이 상에 마이크로 웰당 하나의 세포가 들어가도록 배치하는 것이었습니다.일반적으로 하나의 시야 내에는 칼슘 이미징으로 촬영하는 수만 개의 뉴런이 있으며, 저희는 이 방대한 양의 뉴런들이 특정 취기제나 여러 취기제 그룹에 대해 나타내는 활성화 패턴을 관찰합니다. 이를 통해 저희가 선택한 어떤 특정 취기제에 대해서도 전체 후각 수용체 공간을 살펴보고 있음을 확신할 수 있습니다. 즉, 해당 어레이 상에 최소 하나 또는 몇 개의 수용체가 표현되어 있다는 것입니다.이렇게 함으로써, 예를 들어 바나나 향을 맡고 있는 세포 중 얼마나 많은 세포가 레몬 향도 함께 맡고 있는지와 같은 질문을 던질 수 있게 됩니다. 이러한 미세유체 및 미세 패턴 형성 기술은 실제로 매우 간단하며, 세포 생물학 분야에서 더 널리 채택되지 않은 이유는 공학자와 생물학자 사이의 문화적 차이 때문이라고 생각합니다. 생물학자들은 대개 새로운 기술에 대해 다소 거부감을 느끼거나 조심스러워하는 경향이 있으며, 공학자들은 일반적으로 세포 생물학이나 생물학 전반에 능숙하지 않은 경우가 많습니다.그리고 가까운 미래에 제가 믿는 바는, 생물학자들이 저와 같은 사람의 문을 직접 두드릴 필요가 없게 되는 것입니다. 그들은 간단한 장치를 설계하여 alu foundry와 같은 파운드리에 설계를 맡기고, 하루나 이틀 뒤에 FedEx로 배송된 장치를 받아 직접 실험을 매우 쉽게 수행할 수 있게 될 것입니다.

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