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Scientific Reports 13권, 기사 번호: 263(2023) 이 기사 인용

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신경관 폐쇄(NTC)는 분자, 세포 및 생체역학적 메커니즘을 포함하는 배아 발달의 복잡한 과정입니다. 유전적 요인과 생화학적 신호전달이 광범위하게 조사되었지만, 조직 생체역학의 역할은 도구가 부족하여 대부분 탐구되지 않은 상태로 남아 있습니다. 여기서 우리는 배아가 신경형성을 경험할 때 신경판 조직의 시간 경과 기계적 이미징을 수행할 수 있는 광학 양식을 개발했습니다. 이 기술은 공초점 브릴루앙 현미경과 무대 인큐베이터를 사용한 병아리 배아의 수정된 전 비보 배양의 조합을 기반으로 합니다. 이 기술을 사용하여 처음으로 살아있는 배아를 사용하여 신경판 조직의 기계적 진화를 포착했습니다. 특히, 우리는 전 비켜 배양 배아에 대한 NTC 동안 신경판의 조직 계수가 지속적으로 증가하는 것을 관찰했는데, 이는 비보 배양 및 이전 연구의 데이터와 일치합니다. 그 외에도 우리는 조직 계수의 증가가 조직의 두꺼워짐 및 굽힘과 높은 상관관계가 있음을 발견했습니다. 우리는 이 비접촉 및 라벨 프리 기술이 배아 발달의 생체역학적 메커니즘을 이해할 수 있는 새로운 기회를 열어줄 것으로 예상합니다.

신경관 폐쇄(NTC)는 평면 신경판이 상승되고 융합되어 속이 빈 신경관을 형성하는 척추 신경형성의 중심 절차입니다. 이 절차가 실패하면 인간의 가장 흔한 선천적 결함 중 하나를 나타내는 심각한 신경관 결함이 발생할 수 있습니다1. NTC를 안내하는 유전적 및 분자적 과정은 수십 년 동안 광범위하게 연구되어 왔습니다2,3,4. 반면, NTC와 관련될 수 있는 생체역학적 메커니즘은 최근 몇 년 동안 점점 더 많은 관심을 끌고 있습니다5,6,7. 세포 및 조직 수준에서 신경관의 형태 형성은 생성된 힘과 배아 조직의 기계적 저항 사이의 상호 작용의 결과로 간주될 수 있습니다8,9: 신경관이 성공적으로 폐쇄되려면 내재적인 힘이 필요합니다. 탄성 특성에 의존하는 반대 조직 장력을 극복합니다. 따라서 조직 생체역학의 변경은 폐쇄 실패와 신경관 기형을 유발할 수 있습니다. NTC 과정 중 조직의 힘 생성과 기계적 변화가 실험10,11,12에서 관찰되었지만 강력한 신경형성을 보장하기 위한 특정 생체역학적 과정의 정량적 기여는 대부분 알려지지 않은 상태로 남아 있습니다. 주된 이유 중 하나는 배아가 발달할 때 신경판 조직의 생체역학을 현장에서 실시간으로 매핑할 수 있는 도구가 부족하기 때문입니다.

배아 조직13의 기계적 특성을 정량화하기 위해 많은 중요한 기술이 개발되었으며, 이는 대략 세 가지 범주로 분류될 수 있습니다. (1) 원자간력 현미경(AFM)14,15 또는 마이크로캔틸레버11,16,17 기반 들여쓰기를 포함한 접촉 기반 기술 nm에서 µm 규모의 겉보기 영률을 측정하기 위한 마이크로파이펫 흡인, µm 규모의 조직 장력 측정을 위한 마이크로파이펫 흡인 및 ~ mm 규모의 조직 인장 테스트. 접촉 기반 기술은 준정적 또는 저주파 조건에서 조직의 점탄성 특성을 직접 정량화할 수 있지만 샘플에 대한 물리적 접근이 필요하고 측정 중에 샘플을 변형시키기 위해 힘을 가해야 합니다. 신경관 조직은 3D에서 불규칙한 모양을 가지며 기계적으로 상호 연결되어 있기 때문에 일반적으로 명확한 기계적 테스트를 위해서는 분리된 체외 이식편이 필요합니다. (2) 광학/자기 핀셋20,21 및 미세액적22을 포함한 비드/액적 기반 센서. 광학/자기 핀셋은 힘 구동 강성 비드(직경 ~ µm)를 사용하여 국소 조직의 유변학적 특성을 감지하고 미세 물방울은 변형 가능한 물방울(직경 4~80 µm)을 사용하여 조직 응력을 정량화합니다. 이러한 센서는 신중한 교정 후 세포 이하 또는 세포 분해능으로 기계적 특성을 정량적으로 측정할 수 있습니다. 그러나 조직에 구슬이나 물방울을 주입해야 하므로 침습적이고 처리량이 낮습니다. (3) 조직 절제/해부. 이 방법은 초고속 펄스 레이저 빔10 또는 블레이드23을 사용하여 조직의 일부를 해부하고 이완 반응을 기반으로 조직 장력을 평가합니다. 이는 간단한 설정으로 인해 매력적인 기술입니다. 그러나 3D 배아 조직의 기계적 연결로 인해 이 방법은 대부분 상대적으로 큰 규모(~100μm ~ ~mm 크기)에 대한 전반적인 평가를 제공합니다. 요약하면, 기존 방법은 서로 다른 공간적, 시간적 규모로 세포와 조직의 기계적 특성의 다양한 측면을 정량화할 수 있으며 배아 조직 생체 역학 평가를 크게 발전시켰습니다. 그러나 기술적 한계로 인해 살아있는 배아에서 NTC 절차 중 신경판 조직의 현장 기계적 매핑은 보고되지 않았습니다.