[논문 리뷰] FTIR spectral imaging as a probe of ultrasound effect on cells in vitro

Lucia Di Giambattista, Paola Grimaldi외 6명|2010. 07. 06.

Spectroscopy Techniques in Biomedical and Chemical Research참고 문헌 18인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 FTIR 스펙트럼 영상 및 세포분열차단 미세핵(CBMN) 검사법을 이용하여 펄스형 1 MHz 치료용 초음파가 NIH-3T3 마우스 섬유아세포에 미치는 생화학적 및 유전자독성 효과를 조사한다. 시험 조건에서 유의미한 DNA 손상 또는 돌연변이가 관찰되지 않아, 비종양세포에서의 초음파 유도 세포흡입(sonoporation)이 안전함을 시사한다.

ABSTRACT

Safe and efficient intracellular delivery of genes or drugs is critically important in targeted cancer treatment and gene therapy applications. Ultrasound (US) has been demonstrated to alter the cell membrane permeability due to a biophysical mechanism (Sonoporation) and exploited as a promising non-invasive gene transfer method. The sonoporation process could induce the formation of transient pores without significantly affecting cell viability. This research is aimed at investigating some bioeffects due to Therapeutic Ultrasound (pulsed-1 MHz) which could allow to enhance drugs or genes delivery in a non tumoral cell line. We have used the NIH-3T3 cell line as model system and exposed it to US at two different distances from the source; the effects of this pulsed ultrasonic wave on cells were assessed by Fourier transform infrared (FT-IR) spectroscopic imaging analysis. This technique combined with a focal plane array (FPA) detector has been widely used to study the general biochemical changes in vitro; moreover, the development of FPA detectors and shortening of measurement times specifically for IR imaging, from several hours to few minutes, have made possible to image the distribution of molecular species in biological samples. We have also performed a cytokinesis-block micronucleus (CBMN) assay to reveal the presence or not of micronuclei (named Howell-Jolly bodies) formed during the cell division due to the DNA damage. The results of IR analysis combined with the cytogenetic analysis have shown that these experimental conditions can not cause DNA mutations in the NIH-3T3 cell line. Finally, the comparison between the spectral parameters of the average spectrum extracted from the spectral map and those of the set of all spectra from the spectral map could be limited by the presence of bad pixels inside the map.

연구 동기 및 목표

• 비침습적 세포내 물질 도입을 위한 펄스형 1 MHz 치료용 초음파의 안전성을 평가하기 위해.
• 초음파 노출이 세포의 DNA 정합성에 미치는 잠재적 유전자독성 효과를 조사하기 위해.
• 초음파 치료 후 세포의 분자 수준의 생화학적 변화를 탐지하기 위해 FTIR 스펙트럼 영상 분석을 적용하기 위해.
• FTIR 스펙트럼 데이터를 세포유전학적 분석과 연계하여 초음파 유도 스트레스를 종합적으로 평가하기 위해.
• 제어 조건 하에서 초음파 노출이 NIH-3T3 세포에서 돌연변이 또는 염색체 손상을 유도하는지 여부를 규명하기 위해.

제안 방법

• NIH-3T3 세포를 초음파 소스에서 두 가지 다른 거리에서 펄스형 1 MHz 초음파에 노출시키기 위해.
• 초점 평면 어레이(FPA) 검출기를 사용한 푸리에 변환 적외선(FT-IR) 분광 영상 분석을 통해 세포 내 분자의 분포를 맵핑하기 위해.
• 개별 세포의 스펙트럼 맵을 확보하여 단백질, 지질 및 핵산의 생화학적 변화를 평가하기 위해.
• 스펙트럼 맵의 평균 스펙트럼과 전체 스펙트럼 세트를 비교하여 나쁜 픽셀에서 기인하는 잠재적 오류를 탐지하기 위해.
• 미세핵 형성을 생물학적 지표로 삼아 DNA 손상을 검출하기 위해 세포분열차단 미세핵(CBMN) 검사를 실시하기 위해.
• FTIR 및 CBMN 데이터를 통합하여 초음파 노출이 유도하는 분자적 및 유전자독성 효과를 평가하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 FTIR 스펙트럼 영상 측정을 통해 펄스형 1 MHz 초음파가 NIH-3T3 세포에 감지 가능한 생화학적 변화를 유도하는가?
• RQ2 NIH-3T3 세포에서 초음파 노출 후 DNA 손상 또는 미세핵 형성과 같은 유의미한 유전자독성 효과가 관찰되는가?
• RQ3 FTIR 스펙트럼 영상 분석이 세포 독성을 유발하지 않고 초음파 유도 세포흡입과 관련된 분자적 변화를 식별할 수 있는가?
• RQ4 평균 스펙트럼에서 유도된 스펙트럼 파rameter와 전체 스펙트럼 맵에서 유도된 값 간의 비교에서, 상이함은 무엇을 시사하는가?
• RQ5 염색체 정합성과 생존율 측면에서, 비종양세포에 대한 이 초음파 노출 프로토콜은 안전한가?

주요 결과

• CBMN 검사에서 미세핵이 관찰되지 않아, 초음파 노출 후 NIH-3T3 세포에서 유의미한 DNA 손상이 없음을 확인하였다.
• FTIR 스펙트럼 영상 분석 결과, 시험된 초음파 조건 하에서 단백질, 지질 또는 핵산에 심각한 생화학적 변화가 없음을 확인하였다.
• 평균 스펙트럼과 전체 스펙트럼 맵의 파arameter 비교에서, 나쁜 픽셀에서 기인하는 잠재적 오류가 확인되어 데이터 해석 시의 한계를 드러내었다.
• FTIR 및 CBMN 분석의 통합 결과, 사용된 초음파 파aram터가 돌연변이 또는 염색체 불안정성을 유도하지 않았음을 확인하였다.
• 결과적으로, 펄스형 1 MHz 초음파가 비종양세포 배양에서 비침습적 유전물질 및 약물 도입에 안전함을 뒷받침한다.
• FPA 기반 FTIR 영상 분석은 측정 시간을 수시간에서 수분으로 단축시켜 고해상도 분자 맵핑을 빠르게 수행할 수 있었다.