단일 세포 변형 및 점탄성 특성 정량화를 위한 고주파 음향 핀셋 시스템

Abstract

고주파 음향 핀셋은 비접촉 생물 물리학적 도구로써 생물학적 기전 연구를 포함한 다양한 생물학 의학 분야에서 유용하게 사용되어왔다. 세포의 기계적 특성은 세포의 병리학적 특성을 나타내기 위한 핵심 지표 중 하나이다. 이 음향 핀셋은 세포 포획 시 세포 변형 정량화를 통해 단일 세포의 기계적 특성을 측정하는 데 있어서 비접촉 방식으로써 그 유용성을 보여 왔다. 본 논문에서는 세포의 변형뿐만 아니라, 세포의 점탄성도 측정 가능한 음향 핀셋 시스템을 개발하고, 개발한 음향 핀셋 시스템이 세포 점탄성 및 변형 측정에서의 그 가능성을 조사한다. 점탄성 측정이 가능한 음향 핀셋 시스템을 개발하기 위해서 27.8 MHz LiNbO3 단일소자 초음파 변환자를 개발하고, 세포 포획 시 시간에 따른 세포 변형률을 초고속으로 측정하기 위해 초고속 카메라를 음향 핀셋 시스템에 결합하였다. 그 개발한 시스템의 세포 점탄성 측정 가능성을 평가하기 위해서 다른 형태의 포획 힘에 따른 세포 변형의 위상 변화를 확인하였다. 이와 더불어 이 시스템을 이용해 전이성이 상이 한 유방암 세포의 기계적 특성을 측정하였다. 상기 실험을 통해 진폭 변조된 포획력 아래에서 세포가 포획된 동안 가해진 힘과 세포의 변형 사이 위상 지연이 초래됨을 확인하였고, 전이성이 다른 유방암 세포의 변형률에서 차이가 나는 것을 확인하였다. 이 결과는 개발한 초고속 초음파 핀셋 시스템을 이용해 포획된 세포 변형 위상 지연을 분석함으로써 세포의 점탄성을 정량화할 수 있음을 시사한다.

High-frequency acoustic tweezers have been used as noncontact biophysical tools for various biomedical applications. Cell mechanics are an important indicator for representing the pathological properties of cells. Acoustic tweezers have shown their potential as a non-contact method for measuring the mechanics of a single cell through the quantification of cell deformation during acoustic trapping. In this study, we developed an ultra-fast acoustic tweezer system that can measure both cell deformation and viscoelasticity and then examined its potential for measuring cell viscoelasticity. To develop the acoustic tweezer system for measuring cell viscoelasticity, a 27.8 MHz highly focused lithium niobate (LiNbO3) single-element ultrasound transducer was developed. An ultra high-speed camera was integrated with the acoustic tweezer system to measure the cell deformation over time. To evaluate its potential for measuring cell viscoelasticity, cell deformation variations over time under different types of acoustic trapping forces were monitored. The system was also applied to measure the mechanics of breast cancer cells with different degrees of invasiveness. The phase delay between the applied amplitude-modulated force and cell deformation was found to change during acoustic trapping. Moreover, the deformation rates of breast cancer cells were found to differ for different degrees of invasiveness. These results indicate that the viscoelasticity of cells can be quantified by analyzing the cell deformation phase delay by using the developed ultrafast ultrasound tweezer system.