가장 파괴적인 질병 중 다수는 과학의 블랙박스와 같습니다. 예를 들어, 대부분의 암 사망은 몸 전체에 퍼지는 질병의 변형으로 인해 발생하며, 다른 신체 부위로의 이동에서 살아남아 새로운 성장을 형성할 수 있는 소수의 종양 세포에 의해 촉진됩니다. 그러나 생물학자들은 암의 진행과 저항성에 대한 지식을 방해하는 공격적인 세포가 어떻게 기능하는지에 대해 상대적으로 거의 알지 못합니다.
종양학은 단일 희귀 세포에 대한 귀중한 정보를 추구하는 유일한 분야가 아닙니다. 발달 생물학, 면역학, 줄기 세포 생물학, 신경 과학 및 전염병을 포함한 모든 분야에서는 개별 세포를 연구해야 합니다. 연구자들은 대량이 아닌 한 번에 하나씩 세포를 관찰함으로써 세포의 유전적 구성과 독특한 행동을 밝혀낼 수 있으며, 그렇지 않으면 숨겨져 있을 미묘하지만 영향력 있는 특성을 관찰할 수 있습니다.
전문가들은 이 모든 분야에서 획기적인 발전의 열쇠는 분명하다고 말합니다. 바로 더 나은 단일 세포 시퀀싱 기술입니다.
희귀 세포를 연구하기 위해 연구자들은 인간 조직의 큰 덩어리에서 개별 세포를 분리해야 하지만 그렇게 하면 분석하려는 바로 그 세포의 생존 가능성이 위협받습니다. 세포를 분리하는 기존 기술은 종종 큰 조직 덩어리에서 작은 조각을 메스나 면도기로 잘라내어 세포를 손상시켜 더 이상 제대로 연구할 수 없도록 하는 방식으로 수행됩니다. 다른 방법은 효소를 사용하여 세포를 분리하지만 이러한 절차는 시간이 많이 걸리고 유용한 세포 특성을 위협할 수 있습니다. “그리고 희귀한 세포 유형의 경우 모든 작은 손실도 중요합니다.”라고 말합니다. 카탈린 수슈타크펜실베니아 대학교에서 만성 신장 질환을 연구하는 사람입니다.
세포 분리의 극초음속 공중부양
세포를 분리하고 부유시키는 새로운 방법, 극초음속 부상과 회전 (HLS)는 음향 공진기에 의존하며 미세전자기계시스템(MEMS) 생물학에 획기적인 발전을 가져오는 기술. 개발을 담당한 중국 천진대학교 그룹은 이 도구가 기존 기술보다 훨씬 짧은 시간에 더 많은 세포를 분리할 수 있다는 사실을 발견했습니다.
HLS는 금속 탐침을 사용하여 연구실에서 인간의 암 조직을 둘러싸고 있는 물 혼합물에 초당 수십억 개의 진동을 전송합니다. 그 결과 발생하는 “액체 제트”는 완전히 비접촉식 과정으로 조직 덩어리에 있는 수천 개의 다른 암세포에서 단일 암세포를 벗겨냅니다. 셀은 액체 제트에 의해 제자리에 고정됩니다. 즉, 유체에 부유하지만 어떤 각도에서든 자유롭게 회전하므로 고급 현미경을 사용하여 모든 각도에서 완전한 시각적 분석이 가능합니다.
슈에신 두안Tianjin University 그룹을 이끄는 , 그리고 그의 동료들은 분리 과정에서 세포에 대한 위협을 줄일 뿐만 아니라 전체 과정의 속도를 높이는 도구를 발명하기 시작했습니다. 그들은 다음과 같은 사실을 고려하여 시작했습니다. 살아있는 세포 일반적으로 물로 둘러싸여 있습니다. “우리는 물었습니다: 유체 자체 내에서 미세하게 조정된 물리적 장을 사용하여 부드럽고 보이지 않는 손 역할을 할 수 있습니까?” 두안은 말한다.
그들은 작은 고주파수를 생각해 냈습니다. 초음파 세 개의 MEMS 기반 공진기를 사용하여 물과 효소 용액에서 조직을 진동시키는 프로브입니다. 장치를 켜면 2.49GHz에서 생성된 신호가 인쇄 회로 기판에 고주파 전압을 보내도록 경고합니다. 전압이 MEMS 공진기에 도달하면 역 압전 효과 주변 유체에 음파를 생성하는 초당 수십억 개의 진동이 발생합니다.
각 공진기 아래의 반사기는 특정 패턴으로 파동을 반사시켜 물-효소 혼합물이 빠르게 흐르고 회전하기 시작합니다. 즉, 조직 덩어리에서 단일 세포를 제거할 수 있을 만큼 강력하면서도 손상 없이 제거할 수 있을 만큼 부드러운 액체 제트를 생성합니다. 세포가 분리되면 동일한 음향 메커니즘을 통해 세포가 유체 속에서 자유롭게 부유하고 회전할 수 있습니다.
대부분의 디자인은 독특하지만 HLS는 완전히 새로운 장치라기보다는 개선된 부분에 가깝습니다. “이러한 공중 부양 방법은 이전에도 다른 유형의 작업에 사용되었습니다.”라고 말합니다. Z. 휴 팬플로리다 대학의 생물 의학 MEMS 및 미세 유체 연구원입니다. 그는 HLS가 “극적인 변화가 아니라 개선”이라고 말합니다. 그럼에도 불구하고 Fan은 이 도구가 상당한 잠재력을 보여주고 있다고 생각합니다.
천진대학교 연구진은 인간의 신장암 조직 샘플을 대상으로 장치를 테스트했습니다. HLS를 사용하면 15분 안에 90%의 세포를 분리할 수 있었지만 기존 방법으로는 1시간 안에 70%의 세포만 분리할 수 있었다. HLS는 “가혹한 기계적 분쇄나 장기간의 효소 노출 없이” 효소가 조직에 침투하여 세포를 분해하는 데 도움이 되기 때문에 매우 효과적이라고 Duan은 말합니다.
단일 세포 연구에서 HLS에 대한 우려
펜실베이니아 대학교 Susztak의 가장 큰 우려는 HLS가 고주파에 민감한 세포에 위협이 될 수 있다는 것입니다. “단일 세포 연구에서는 약간의 교란도 중요합니다.”라고 그녀는 말합니다. “음향장이 세포의 생화학을 교란시킬 것인가?”
Duan은 자신의 팀 설계가 원래의 음파가 아닌 제어된 힘을 경험하기 때문에 취약한 세포에 안전하다고 확신한다고 주장합니다. “이 강렬한 역장은 세포가 아닌 유체에만 국한됩니다.”
외부 전문가들은 구현에 대해 더 많은 우려를 갖고 있습니다. Susztak은 “생물학적 실험실은 가혹하기 때문에” 연구 도구는 신뢰할 수 있고 견고해야 하며 유체의 MEMS 장치는 드리프트 및 교정 문제에 직면하는 경향이 있다고 지적합니다. Fan은 비용과 액세스 용이성에 관심이 있지만 두 문제 모두 비즈니스 노력으로 해결될 수 있다고 생각합니다. “얼마나 주류가 될지는 상용화에 달려있습니다.”라고 그는 말합니다.
이러한 이유와 기타 이유로 Duan은 모든 실험실에서 충분히 사용자 친화적인 HLS 워크스테이션을 개발하려는 목표를 가지고 그의 팀이 HLS를 신생 기업인 Convergency Biotech로 전환했다고 말합니다. 그리고 그는 기업에 대해 낙관적입니다. “우리는 MEMS 기반 음향 도구가 생물학적 도구 키트의 주류 구성 요소가 될 것이라고 믿습니다.”라고 그는 말합니다.
단세포 연구자들도 비슷한 낙관론을 보였지만, 동시에 조심성도 있었다. Susztak은 HLS를 “진정한 가능성을 지닌 영리한 도구”로 간주하지만 “실제 생물학의 지저분한 세계에서 그 자체를 입증해야 합니다”라고 말합니다.