형광 신호가 뇌의 더 깊은 센서 임플란트를 가능하게 하는 방법

2022년 6월 3일 다니엘 커시(Danielle Kirsh) 작성

[이미지 제공: 매사추세츠공과대학]

형광 센서는 일반적으로 살아있는 세포 내부의 독특한 모습을 보여주기 위해 다양한 분자에 라벨을 붙이고 이미지화하는 데 사용됩니다. 그러나 이 방법은 실험실 접시나 신체 표면에 더 가까운 조직에서 성장한 세포에만 국한되었습니다. 왜냐하면 센서가 신체에 너무 깊게 이식되면 신호가 손실되기 때문입니다.

보도 자료에 따르면 MIT 엔지니어 팀의 광자 기술 팀은 형광 신호를 "획기적으로 개선"했습니다. 연구원들은 센서가 조직에 5.5cm 깊이까지 이식될 수 있으며 여전히 강력한 신호를 제공할 수 있음을 보여주었습니다. 향상된 신호 전달 기능은 형광 센서가 의료 진단이나 약물 효과 모니터링을 위해 뇌 내부의 특정 분자나 신체 내부의 다른 조직을 추적하는 데 도움이 될 수 있습니다.

이번 연구의 주저자인 Volodymyr Koman은 “세포 배양이나 얇은 조직층에서 생화학적 정보를 조사할 수 있는 형광 센서가 있는 경우 이 기술을 사용하면 모든 형광 염료와 프로브를 두꺼운 조직으로 전환할 수 있습니다.”라고 말했습니다.

전통적으로 과학자들은 양자점, 탄소 나노튜브, 형광 단백질 등 다양한 종류의 형광 센서를 사용하여 세포 내부의 분자에 라벨을 붙였습니다. 센서에 레이저 빛을 비추면 센서의 형광성을 확인할 수 있습니다. 그러나 이 방법은 두껍고 조밀한 조직이나 조직 내부의 깊은 곳에서는 작동하지 않습니다. 왜냐하면 조직이 자가형광이라는 일부 형광을 방출하여 임플란트 신호를 약하게 만들기 때문입니다.

"모든 조직은 자가형광을 일으키며 이것이 제한 요인이 됩니다"라고 Koman은 말했습니다. "센서의 신호가 점점 약해짐에 따라 조직 자가형광이 신호를 따라잡게 됩니다."

MIT 연구진은 조직 자가형광과 더 쉽게 구별할 수 있도록 센서에서 방출되는 형광의 주파수를 변조했습니다. 파장 유도 주파수 필터링(WIFF)이라고 불리는 이 방법은 세 개의 레이저를 사용하여 진동하는 파장을 갖는 레이저 빔을 생성합니다.

연구원들에 따르면, 진동하는 광선이 센서에 빛나고 센서에서 방출되는 형광이 주파수를 두 배로 증가시킵니다. 그런 다음 배경의 자가형광에서 신호를 쉽게 골라낼 수 있습니다. 연구원들은 센서의 신호 대 잡음비가 50배 이상 향상되었다고 보고했습니다.

연구진은 이 방법이 화학요법 약물의 효과를 모니터링하는 데 사용될 수 있다고 제안합니다. 유용성을 입증하기 위해 팀은 교모세포종에 중점을 두었습니다. 이러한 공격적인 형태의 뇌암 환자는 일반적으로 종양을 최대한 제거하기 위해 수술을 받은 후 남은 암세포를 제거하기 위해 화학요법을 받습니다.

“우리는 종양 자체 근처에 이식할 수 있는 작은 센서를 만드는 기술을 연구하고 있습니다. 이를 통해 종양에 도달하는 약물의 양과 대사 여부를 알 수 있습니다. 종양 근처에 센서를 배치하고 실제 종양 환경에서 약물의 효능을 신체 외부에서 확인할 수 있습니다.”라고 이번 연구의 수석 저자이자 MIT 화학공학과 Carbon P. Dubbs 교수인 Michael Strano가 말했습니다.

항암제인 테모졸로미드가 체내에 들어오면 더 작은 화합물로 분해되는데, MIT 연구팀은 AIC라는 화합물을 감지하는 센서를 설계했습니다. 그들은 임플란트가 동물의 뇌 내에 최대 5.5cm 깊이까지 배치될 수 있으며 동물의 두개골을 통해서도 센서의 신호를 읽을 수 있다는 것을 발견했습니다.

연구원들은 이 센서가 종양 세포 사멸의 분자적 특징을 탐지하는 데에도 사용될 수 있다고 제안합니다. WIFF 방법은 과산화수소, 리보플라빈 및 아스코르브산을 감지하는 탄소 나노튜브 기반 센서를 포함하여 다른 유형의 센서의 신호를 향상시키는 데 사용될 수 있습니다.

“이 기술은 모든 파장에서 작동하며 모든 형광 센서에 사용될 수 있습니다.”라고 Strano는 말했습니다. "이제 훨씬 더 많은 신호를 얻을 수 있기 때문에 이전에는 불가능했던 조직 깊숙한 곳에 센서를 이식할 수 있습니다."