[논문 리뷰] Ex-vivo detection of neural events using THz BioMEMS

Abdennour Abbas, Thomas Dargent외 3명|PubMed|2009. 11. 26.

Terahertz technology and applications참고 문헌 2인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 테라헤르츠(THz) 바이오MEMS를 이용해 뇌신경 생화학적 사건을 실시간으로 비침습적으로 이식 외에서 검출하는 것을 보여준다. 폴리디메틸실록산(PDMS)-유리 마이크로유체 칩에 개의 중앙신경계를 통합함으로써, 손상 후 일산화질소합성효소(NOS) 활성이 유도된 테라헤르츠(THz) 전송 감소(0.14–0.22 THz)를 관찰하였으며, 이는 L-NAME에 의해 가역적으로 억제되었으며, 이는 THz 분광법이 신경생화학적 동역학에 민감함을 입증한다.

ABSTRACT

It was demonstrated that THz spectroscopy can detect a biochemical event, such as NOS activity around an injured leech's nerve cord, in real time. Future studies will be dedicated to quantitative measurements of the reaction products using the sophisticated management of several drugs allowed with microfluidic microsystems.

연구 동기 및 목표

• 이식 외에서 신경조직의 생화학적 사건을 비침습적이고 실시간으로 검출할 수 있는 방법을 개발하기 위해.
• 자유공간 THz 분광법의 한계(예: 수분 흡수 및 낮은 공간 해상도)를 극복하기 위해 통합된 바이오MEMS를 사용하기 위해.
• 신경손상 모델에서 일산화질소합성효소(NOS) 활성을 테라헤르츠 파장으로 모니터링할 수 있는 가능성을 입증하기 위해.
• 특이성을 확인하기 위해 약리학적 억제제인 L-NAME을 사용하여 시스템을 검증하기 위해.
• 미세유체 약물 공급을 통한 반응 생성물의 정량적 분석을 위한 플랫폼을 구축하기 위해.

제안 방법

• 생물학적 샘플 통합을 위한 마이크로채널을 형성하기 위해 폴리디메틸실록산(PDMS)을 유리 웨이퍼에 봉인하여 바이오MEMS 장치를 제작하였다.
• 샘플을 통해 테라헤르츠 파장을 지도하고 전송하기 위해 유리 기판에 공면 파동도(CPW)를 통합하였다.
• 신경손상 및 약물 노출 중 주파수 범위에서 전송 계수(S21)를 측정하기 위해 벡터 네트워크 분석기(VNA)를 사용하였다.
• 손상에 의해 NOS 활성화 및 일산화질소(NO) 생성이 유도되는 이식 외 생물 모델로 개의 중앙신경계를 사용하였다.
• 특이성 검증을 위해 NOS 억제제인 L-NAME을 마이크로채널에 주입하였다.
• 테라헤르츠 전송 변화를 분자 및 이온 변화에 민감한 테라헤르츠 파장의 민감도를 활용하여 생화학적 활동의 지표로 모니터링하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 테라헤르츠 파장은 이식 외에서 신경손상과 관련된 실시간 생화학적 변화를 감지할 수 있는가?
• RQ2 손상된 신경조직에서 NOS 활성이 유도될 경우, 마이크로유체 바이오MEMS 플랫폼을 통과하는 테라헤르츠 파장의 전송이 변화하는가?
• RQ3 특정 NOS 억제제(L-NAME)를 사용하여 테라헤르츠 신호 변화를 약리학적으로 역전시킬 수 있는가?
• RQ4 관찰된 테라헤르츠 신호 변화는 NOS 활성에 기인한 것이며, 비생물학적 요인에 기인한 것인가?
• RQ5 이 통합 바이오MEMS-테라헤르츠 플랫폼은 향후 정량적 신경생화학 모니터링을 위한 확장 가능한 플랫폼이 될 수 있는가?

주요 결과

• 개의 신경줄기 손상 이후 0.14–0.22 THz 범위에서 테라헤르츠 전송 계수(S21)에 측정 가능한 감소가 관찰되었다.
• 전송 감소는 손상 부위에서 증가한 NOS 활성과 그에 따른 일산화질소 생성에 기인한 것으로 추정되었다.
• 마이크로채널에 L-NAME을 주입함으로써 전송 변화가 역전되었으며, 이는 신호가 NOS 활성에 의존함을 확인하였다.
• PDMS-유리 바이오MEMS 플랫폼은 안정적인 테라헤르츠 파장 전파 및 생물학적 샘플 통합을 성공적으로 지원하였다.
• 통제된 마이크로유체 환경에서 테라헤르츠 분광법을 이용해 신경생화학적 사건을 실시간으로 비침습적으로 검출하는 데 성공하였다.
• 결과적으로 통합된 테라헤르츠 바이오MEMS가 향후 신경퇴행성 생물학적 마커의 정량적 모니터링 잠재력을 입증하였다.