세포 및 조직의 미세 피펫 흡인 

우리는 세포의 기계적 특성을 어떻게 측정합니까? 

세포의 기계적 특성은 무엇입니까? 

세포핵의 기계적 특성은 많은 생물학적 과정에서 중요한 요소로 점차 인식되고 있습니다. 핵의 변형 가능성은 면역 세포와 암 세포가 조직과 내피 세포 층을 통과하여 이동할 수 있는 능력을 결정합니다. 핵의 기계적 특성 변화는 또한 암 진행 및 줄기 세포 분화 과정에서 새로운 바이오마커로 사용될 수 있습니다 [5]. 

현재 사용 중인 기술 

그러나 현재 핵의 점탄성 기계적 특성을 측정하는 기술은 시간이 많이 소요되며, 한 번에 하나의 세포만 조사할 수 있거나 고도로 전문화된 장비를 필요로 합니다. 또한, 많은 현재의 검사 방법은 점탄성 물질의 특징인 시간 의존적인 특성을 측정하지 않습니다 [5, 6]. 

미세 피펫 흡인은 정밀하고 민감한 음압을 적용하여 세포를 미세 피펫을 통해 빨아들이는 원리를 사용합니다. 먼저 세포를 미세 피펫의 끝에 고정한 후, 흡입을 통해 세포를 튜브 안으로 끌어들입니다. 

왜 미세 피펫 흡인 기법을 사용합니까? 

미세 피펫 튜브를 통과한 세포 부분의 이동 거리를 정량화하기 위해 현미경을 사용해 세포의 위치를 추적할 수 있습니다. 이러한 행동은 세포를 스프링과 댐퍼의 조합으로 모델링하는 집중 매개변수 모델에 의해 예측됩니다(각각 강성과 점성을 나타냄) [5]. 

미세 피펫 흡인 중 세포가 보이는 변형은 강성 때문에 선형 탄성 반응과 점성 행동 때문에 크립 반응을 보입니다. 이러한 반응은 세포 유형마다 다릅니다. 예를 들어, 백혈구는 연골 세포보다 낮은 강성을 나타냅니다. 이 강성 차이는 세포 간 상호작용 방식과 주변 환경에 영향을 받는 방식에 영향을 미칩니다. 마이크로 피펫 흡인은 다양한 세포 유형에서 강성을 정량화할 수 있는 다목적 기술입니다. 

세포의 기계적 특성을 정량화할 수 있다면 다른 병리학적 상태를 조사하고 진단하는 데 유용한 도구가 될 수 있습니다. 섬세한 개별 세포를 처리하고, 이를 조작하는 데 필요한 작은 힘과 그들의 작은 크기를 감안할 때, 재료 속성을 측정하기 위해 전통적인 방법을 사용하는 것은 현실적이지 않습니다. 

미세 피펫 흡인 기술의 응용 

미세 피펫 흡인은 여전히 핵 역학을 연구하는 데 있어 가장 일반적으로 사용되는 도구 중 하나이며, 다양한 시간 척도에서 핵의 점탄성 행동에 대한 중요한 정보를 제공합니다. 

마이크로 피펫 흡인은 핵의 기계적 특성, 염색질에서 핵질 배제, 그리고 염색질 스트레칭 등 다양한 현상을 연구하는 데 사용되었습니다 [5]. 

이미지는 프랑스 Institut Curie의 Jean-Léon Maitre 제공. 

세포 기계적 특성 측정 : 많은 생물학적 과정은 세포 강성의 변화 로 특징지어집니다. 예를 들어, 세포가 유사분열에 진입할 때 [1], 종양 세포가 전암 단계로 전환될 때 [2], 말라리아에 감염된 적혈구 [3] 등이 있습니다. 이러한 기계적 변화는 세포 수준에서 발생하며, 정확한 측정이 필요합니다. 이를 통해 세포 강성을 정밀하게 정량화할 수 있습니다.  

듀얼 피펫 흡인 분석법 : 이는 세포 흡인 설정의 복제 버전으로, 접촉 중인 세포들을 분리하여 세포-세포 간 긴장과 세포-매질 간 긴장의 상대적인 기여도를 평가하는 데 유용한 도구입니다 (Maitre et al., Science, 2012). 

단일 세포 조작 : 마이크로 피펫 흡인 은 단일 세포 또는 세포 클러스터의 공간적 위치를 조정할 수 있게 해줍니다. 단일 세포 위치 선정은 단일 세포 분석이나 클론 세포주 개발에 필수적입니다. 

조직 내 긴장의 불균일성 : 단일 세포 수준에서 세포 긴장을 평가하면 조직의 공간적 긴장 맵을 매핑할 수 있습니다. 이 방법은 특히 조직 형태 형성 또는 배아 발생을 유도하는 힘을 조사하는 데 매우 효과적입니다（Maitre 等，2016，Nature）。 

체외 진단 : 현미경으로 확인하거나 감지할 수 없는 비정상적인 행동을 탐지하기 위해 세포 수준에서 강성을 측정하는 것은 강력한 도구입니다. 예를 들어, 수정 후 몇 시간 내에 배아의 생존 가능성을 예측할 수 있습니다. 이 단계에서는 생존 가능한 배아와 그렇지 않은 배아를 형태학적으로 구별할 수 없지만, 기계적 특성 을 통해 이를 구분할 수 있습니다 [4]. 

참조

[1] Théry M, Bornens M, Get round and stiff. 2008, HFSP J, 2(2):65-71. 

[2] Tavares S et al, actin stress fiber organization promotes cell stiffening and proliferation of pre-invasive breast cancer cells. 2017, Nat Commun. 8:15237. 

[3] Guo Q et al, Microfluidic biomechanical assay for red blood cells parasitized by Plasmodium falciparum. 2012, Lab Chip; 12(6):1143-50. 

[4] Yanez LZ et al, human oocyte developmental potential is predicted by mechanical properties within hours after fertilization, 2016, Nat Commun. 7:10809 

[5] Davidson, P.M. et al. (2019) “High-throughput microfluidic micropipette aspiration device to probe time-scale dependent nuclear mechanics in intact cells,” Lab on a Chip, 19(21), pp. 3652–3663. Available at: https://doi.org/10.1039/c9lc00444k. 

[6] González-Bermúdez, B., Guinea, G.V. and Plaza, G.R. (2019) “Advances in micropipette aspiration: Applications in cell biomechanics, models, and extended studies,” Biophysical Journal, 116(4), pp. 587–594. Available at: https://doi.org/10.1016/j.bpj.2019.01.004. 

고객이 엄선한 출판물 

Guevorkian K,Maître JL.Micropipette aspiration: A unique tool for exploring cell and tissue mechanics in vivo.MethodsCellBiol. 2017;139:187-201 

Maître JL et al, Asymmetric division of contractile domains couples cellpositioning and fate specification, Nature. 2016 Aug 18;536(7616):344-34 

Biro M, Maître JL, Dual pipette aspiration: a unique tool for studying intercellular adhesion.MethodsCellBiol. 2015;125:255-67 

Porazinski S et al, YAP is essential for tissue tension to ensure vertebrate 3D body shape.Nature. 2015 May 14;521(7551):217-221 

Maître JL et al, Pulsatile cell-autonomouscontractility drives compaction in the mouse embryo. Nat Cel lBiol. 2015 Jul;17(7):849-55 

Maître JL et al, Adhesion functions in cell sorting by mechanically coupling the cortices of adhering cells.Science. 2012;338(6104):253-6