KR101382366B1 - 기계적 자극 감지 세포에 기계적 자극을 제공하기 위한, 기계적 자극 제공 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 기계적 자극 감지 세포(Mechanosensory cells)에 기계적 자극을 제공하기 위한 장치에 관한 것으로서, 기계적 자극 감지 세포(Mechanosensory cell)에 조사될 펄스 레이저 빔(Pulsed laser beam)를 출력하는 레이저 출력부; 및 상기 레이저 출력부가 발생시키는 상기 펄스 레이저의 파라미터(Parameter)를 제어하는 제어부;를 포함하고, 상기 펄스 레이저 빔을 이용하여 상기 기계적 자극 감지 세포(Mechanosensory cell)에 기계적 자극을 제공하는 것을 특징으로 한다.

Description

기계적 자극 감지 세포에 기계적 자극을 제공하기 위한, 기계적 자극 제공 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR PROVIDING MECHANOSENSORY CELL WITH MECHANICAL STIMULUS}

본 발명은 기계적 자극 감지 세포에 기계적 자극을 제공하기 위한 '기계적 자극 제공 장치 및 방법'에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 펄스 레이저 빔(Pulsed laser beam)의 광-기계적 효과(Photo-mechanical effect)를 이용하여 기계적 자극 감지 세포(Mechanosensory cell)에 기계적 자극을 제공할 수 있는 '기계적 자극 제공 장치 및 방법'에 관한 것이다.

생체에서 기계적 자극 감지 세포들(Mechanosensory cells)은 외부 자극 인지 및 생체 내환경의 항상성(Homeostasis) 유지에 중요한 역할을 한다. 이들 기계적 자극 감지 세포들이 감지하는 외부 자극은 압각, 촉각, 통각 자극 등이 있고, 생체 내 자극은 혈압 및 혈관 긴장도 변화, 혈액의 삼투압 변화 등을 포함한다. 즉, 이들 세포들은 생체의 표면에서 외부 자극 변화를 감지하여 생체가 대처하게 할 뿐 아니라, 생체 내에서 혈압, 혈압 내 전해질 변화 등의 내환경 변화를 인지하고 일정하게 유지하는 중요한 역할을 한다.

또한, 이들 기계적 자극 감지 세포들은, 피부 감각의 제공과 관련하여, 햅틱(Haptic) 기술 분야, 4D 영화 기술 분야, 경보/알람 기술 분야 등의 다양한 산업 분야에서 중요한 역할을 할 수 있다.

어느 경우든 기계적 자극 인지 기전을 정확히 이해하는 것은 매우 중요하다. 그리고, 이러한 기전 연구의 경우 의생명 분야 연구에서는 단일 세포, 단일 분자 수준에서의 결과가 복잡한 전체 생체 시스템의 이해에 필수적으로 요구된다.

한편, 종래에는 기계적 자극 감지 세포들에 기계적 자극을 유발하는 과정에서 접촉이 필수적이었다. 구체적으로, 세포나 조직과의 접촉을 전제로, 세포막의 신전(Stretch)이나, 압력, 전단 응력(Shear force) 등을 가하여 기계적 자극을 유발하였다.

이러한 종래 기술들을 정리해 보면, i) 세포를 누르는 방법, ii) 세포막에 음압(Negative pressure)를 가하여 세포막을 신전(Stretch) 시키는 방법, iii) 세포 외액을 세포 내에 비해 저장성(Hypotonic)으로 만들어 세포를 팽창(Swelling)시키고, 이러한 팽창을 통해 2차적으로 세포막을 신전 시키는 방법, iv) 세포 외액의 흐름(Flow)을 통해 전단 응력(Shear force)를 가하는 방법 등으로 정리될 수 있다.

하지만, 이러한 종래의 기술들은 접촉을 기초로 세포에 직접적인 기계적 자극을 가하기 때문에, 패치 클램프(Patch-clamp) 장치, 미형광측정(Microfluorometry) 장치 등의 측정 장치와 정교하게 호환되기가 어려웠다. 이러한 종래의 기술들은 기계적 자극 제공 장치들이 세포와 접촉하는 과정에서, 측정 장치의 미세 전극에 영향을 줄 수 있었고, 상기 미세 전극과 세포 사이의 단단한 전기적 실링(Sealing)에 방해를 줄 수 있었기 때문이다. 더욱이, 상기 저장성 용액을 이용하는 방법은 세포의 부피 증가를 유발하기 때문에 진정한 기계적 자극이 아닌 자극(세포 부피 증가 및 삼투압의 변화 등)들이 추가될 수 있었고, 상기 세포 외액의 진단 응력을 가하는 방법 역시 진정한 기계적 자극이 아닌 자극(세포외 전해질의 대류의 변화 등)들이 추가될 수 있었다.

따라서, 이러한 종래 기술들의 문제점을 해결할 수 있고, 비접촉의 상태에서 기계적 자극 감지 세포들에 기계적 자극을 제공할 수 있는 새로운 패러다임의 기술이 요구되고 있다.

본 발명은 이러한 기술적 배경을 바탕으로 발명되었으며, 이상에서 살핀 기술적 요구를 충족시킴은 물론, 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진자가 용이하게 발명할 수 없는 추가적인 기술요소들을 제공하기 위해 발명되었다.

KR 10-0837265 B1

본 발명은 펄스 레이저 빔(Pulsed laser beam)의 광-기계적 효과(Photo-mechanical effect)를 이용하여 기계적 자극 감지 세포(Mechanosensory cell)에 기계적 자극을 제공하는 것을 해결과제로 한다.

또한, 본 발명은 비접촉의 상태에서 기계적 자극을 제공할 수 있고, 정량적으로 제어 가능한 기계적 자극을 제공하는 것을 해결 과제로 한다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 이하에서 설명할 내용으로부터 통상의 기술자에게 자명한 범위 내에서 다양한 기술적 과제로 포함될 수 있다.

상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 기계적 자극 제공 장치는, 기계적 자극 감지 세포(Mechanosensory cell)에 조사될 펄스 레이저 빔(Pulsed laser beam)를 출력하는 레이저 출력부; 및 상기 레이저 출력부가 출력하는 상기 펄스 레이저 빔의 파라미터(Parameter)를 제어하는 제어부;를 포함하고, 상기 펄스 레이저 빔을 이용하여 상기 기계적 자극 감지 세포(Mechanosensory cell)에 기계적 자극을 제공하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 기계적 자극 제공 장치는, 상기 펄스 레이저 빔이, 생체에서 분리된 기계적 자극 감지 세포 또는 세포주(Cell line)에 조사되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 기계적 자극 제공 장치는, 상기 제어부가 제어하는 상기 파라미터가, 상기 펄스 레이저 빔의 펄스 폭(Pulse width), 자극 세기(Power), 자극 시간(Episode time) 또는 펄스 반복률(Repetition rate)인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 기계적 자극 제공 장치는, 상기 제어부가, 상기 펄스 폭을 1000 ms(millisecond) 이하의 값으로 조절하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 기계적 자극 제공 장치는, 상기 제어부가, 상기 기계적 자극 및 상기 펄스 레이저 빔의 파라미터를 정량적으로 매칭시킨 정보를 바탕으로, 상기 펄스 레이저 빔의 파라미터를 제어하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 기계적 자극 제공 장치는, 상기 레이저 출력부가 출력하는 상기 펄스 레이저 빔을 상기 기계적 자극 감지 세포에 포커싱(Focusing)하기 위한 렌즈부;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 기계적 자극 제공 장치는, 상기 제어부가, 패치 클램프(Patch-clamp) 장치 또는 미형광측정(Microfluorometry) 장치와 동기화된 상태로 동작할 수 있는 것을 특징으로 한다.

한편, 상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 기계적 자극 제공 시스템은, 기계적 자극 감지 세포(Mechanosensory cell)에 조사될 펄스 레이저 빔을 출력하는 기계적 자극 제공 장치; 및 상기 기계적 자극 감지 세포의 상태 변화를 측정하기 위한 측정 장치;를 포함하되, 상기 펄스 레이저 빔을 이용하여 상기 기계적 자극 감지 세포(Mechanosensory cell)에 기계적 자극을 제공할 수 있고, 상기 기계적 자극 감지 세포의 반응을 감지할 수 있는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 기계적 자극 제공 시스템은, 상기 기계적 자극 제공 장치와 상기 측정 장치가 유선 또는 무선으로 연결될 수 있고, 서로 동기화된 상태에서 동작하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 기계적 자극 제공 시스템은, 상기 측정 장치가 패치 클램프(Patch-clamp) 장치 또는 미형광측정(Microfluorometry) 장치인 것을 특징으로 한다.

한편, 상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 기계적 자극 제공 방법은, (a)기계적 자극 제공 장치가 기계적 자극 감지 세포(Mechanosensory cell)에 제공할 기계적 자극을 설정하는 단계; (b)기계적 자극 제공 장치가 상기 기계적 자극과 대응되는 펄스 레이저 빔의 파라미터를 설정하는 단계; 및 (c)기계적 자극 제공 장치가 설정된 파라미터를 기초로 펄스 레이저 빔을 생성하고, 생성된 상기 펄스 레이저 빔을 조사하는 단계;를 포함하고, 상기 펄스 레이저 빔을 이용하여 상기 기계적 자극 감지 세포(Mechanosensory cell)에 기계적 자극을 제공하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 기계적 자극 제공 방법은, 상기 펄스 레이저 빔이, 생체에서 분리된 기계적 자극 감지 세포 또는 세포주(Cell line)에 조사되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 기계적 자극 제공 방법은, 상기 (b) 단계에서, 상기 기계적 자극 제공 장치가, 상기 펄스 레이저 빔의 펄스 폭(Pulse width), 자극 세기(Power), 자극 시간(Episode time) 또는 펄스 반복률(Repetition rate)을 제어하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 기계적 자극 제공 방법은, 상기 (b) 단계에서, 상기 기계적 자극 제공 장치가, 상기 펄스 폭을 1000 ms(millisecond) 이하의 값으로 조절하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 기계적 자극 제공 방법은, 상기 (b) 단계에서, 상기 기계적 자극 제공 장치가, 상기 기계적 자극 및 상기 펄스 레이저 빔의 파라미터를 정량적으로 매칭시킨 정보를 바탕으로, 상기 펄스 레이저 빔의 파라미터를 설정하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 펄스 레이저 빔을 이용하여 기계적 자극 감지 세포들에게 기계적 자극을 제공할 수 있다. 구체적으로, 본 발명은 종래에 활용되지 않았던 '펄스 레이저'라는 새로운 자극 소스를 이용하여, 기계적 자극 감지 세포들에게 기계적 자극을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명은 비접촉의 상태에서 기계적 자극 감지 세포들에 기계적 자극을 제공할 수 있다. 즉, 본 발명은 상기 기계적 자극 감지 세포들과 접촉하지 않은 상태에서 기계적 자극을 제공할 수 있으며, 상기 기계적 자극 감지 세포들의 기계적 자극 감지 이온 채널을 활성화시킬 수 있다.

또한, 본 발명은 패치 클램프 장치, 미형광측정(Microfluorometry) 장치 등의 측정 장치와 정교한 호환이 가능하다. 구체적으로, 본 발명은 비접촉의 상태에서 기계적 자극을 제공할 수 있으므로, 기계적 자극 이외의 요소가 상기 측정 장치에 영향을 주는 것을 최소화시킬 수 있다. 또한, 본 발명은 상기 패치 클램프 장치, 미형광측정(Microfluorometry) 장치 등의 측정 장치와 동기화된 상태에서 기계적 자극을 제공할 수도 있으며, 이를 통해 상기 측정 장치와 더욱 정교하게 호환될 수도 있다.

또한, 본 발명은 기계적 자극 감지 세포들에 제공되는 기계적 자극을 정량적으로 제어할 수도 있다. 구체적으로 본 발명은, 종래에 활용되던 기술들(양압, 음압, 전단 응력 등을 활용)과 달리 펄스 레이저 빔을 이용하여 기계적 자극을 제공할 수 있으므로, 상기 펄스 레이저 빔의 파라미터를 조절하여, 제공되는 기계적 자극을 정량적으로 제어할 수 있다.

또한, 본 발명은 레이저가 유발할 수 있는 광-열적(Photo-thermal) 효과를 배제한 상태에서 기계적 자극을 제공할 수 있다. 구체적으로, 본 발명은 자극의 소스로서 펄스 형태의 레이저를 이용하고, 상기 펄스 레이저 빔의 펄스 폭(Pulsed width)을 1000 ms(millisecond) 이하의 스케일에서 제어함으로써 레이저가 유발할 수 있는 광-열적 효과를 최소화시킬 수 있다. 따라서, 온도에 의한 영향이 최소화된 상태에서 기계적 자극을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명은 기계적 촉감 인지 기전의 규명을 위한 신경과학 연구, 비접촉식 촉감 유발, 생체의 기계적 자극을 매개로 하는 각종 피드백 조절(예를 들어 혈관 이완)의 비침습적 개입(Intervention) 등에 활용될 수 있다.

또한, 본 발명은 기계적 자극의 인지 기전을 규명하기 위한 실험 장치에 응용될 수 있다. 구체적으로, 본 발명은 기계적 자극의 인지 기전을 규명하기 위한 실험에서, 기계적 자극을 제공하기 위한 소스로서 응용될 수 있다.

본 발명의 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 이하에서 설명할 내용으로부터 통상의 기술자에게 자명한 범위 내에서 다양한 효과들이 포함될 수 있다.

도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른 기계적 자극 제공 장치의 구성을 나타내는 구성도이다.
도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따른 기계적 자극 제공 장치가 제어할 수 있는 펄스 레이저 빔의 파라미터를 나타내는 예시도이다.
도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따른 기계적 자극 제공 시스템의 구성을 개략적으로 나타내는 구성도이다.
도 4 내지 도 5는, Neuro2A 세포에 직접적인 기계적 자극을 가한 경우의 이온 전류를 관찰하는 실험과 그 결과를 나타낸다.
도 6 내지 도 7은, Neuro2A 세포에 본 발명에 따른 펄스 레이저를 가한 경우의 이온 전류를 관찰하는 실험과 그 결과를 나타낸다.
도 8은, Neuro2A 세포에 직접적인 기계적 자극을 가한 경우와 펄스 레이저를 가한 경우의 이온 전류 특성을 비교한 그래프이다.
도 9는, K+ 채널 차단제의 존재 하에서 메르켈 세포에 직접적인 기계적 자극을 가한 경우의 이온 전류를 관찰하는 실험과 그 결과를 나타낸다.
도 10은, 메르켈 세포(K+ 채널이 dominant한 영역)에 직접적인 기계적 자극이 가해진 경우의 이온 전류를 관찰하는 실험과 그 결과를 나타낸다.
도 11은, 메르켈 세포에 직접적인 기계적 자극을 가한 경우의 이온 전류를 관찰하는 실험과 그 결과 중 큰 전도도의 K+ 채널과 작은 전도도의 비선택성 채널이 동시에 활성화된 경우를 나타낸다.
도 12는, 메르켈 세포에 직접적인 기계적 자극을 가한 경우 활성화되는 두 가지 종류의 이온 채널의 특성을 요약한 그래프이다.
도 13은, 메르켈 세포에 본 발명에 따른 펄스 레이저를 가한 경우의 이온 전류를 관찰하는 실험과 그 결과를 나타낸다.
도 14는, 메르켈 세포에 본 발명에 따른 펄스 레이저를 가한 경우 활성화되는 두 가지 종류의 이온 채널의 특성을 요약한 그래프이다.
도 15는, 메르켈 세포에 직접적인 기계적 자극을 가한 경우의 칼슘 농도 변화를 나타내는 그래프이다. 화살표는 기계적 자극(누르기 자극) 시점을 표시한다.
도 16은, 메르켈 세포에 본 발명에 따른 펄스 레이저를 가한 경우의 칼슘 농도 변화를 나타내는 그래프이다.
도 17은, 온도 변화와 이에 따른 junction potential 변화로 유발된 전류의 (유지 전압 +10 mV)의 관계를 정리한 그래프이다.
도 18은, 펄스 레이저에 의해 유발된 junction current의 크기와 도 17의 관계에서 분석된 관류액의 온도 변화를 나타내는 그래프이다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 기계적 자극 제공 장치 및 방법을 상세하게 설명한다. 설명하는 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 당업자가 용이하게 이해할 수 있도록 제공되는 것으로 이에 의해 본 발명이 한정되지 않는다. 또한, 첨부된 도면에 표현된 사항들은 본 발명의 실시 예들을 쉽게 설명하기 위해 도식화된 도면으로 실제로 구현되는 형태와 상이할 수 있다.

한편, 이하에서 표현되는 각 기능부는 본 발명을 구현하기 위한 예일 뿐이다. 따라서, 본 발명의 다른 구현에서는 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않는 범위에서 다른 기능부가 사용될 수 있다. 또한, 각 기능부는 순전히 하드웨어 또는 소프트웨어의 구성만으로 구현될 수도 있지만, 동일 기능을 수행하는 다양한 하드웨어 및 소프트웨어 구성들의 조합으로 구현될 수도 있다.

또한, 어떤 구성요소들을 '포함'한다는 표현은, '개방형'의 표현으로서 해당 구성요소들이 존재하는 것을 단순히 지칭할 뿐이며, 추가적인 구성요소들을 배제하는 것으로 이해되어서는 안 된다.

그리고, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '연결되어' 있다거나 '접속되어' 있다고 언급될 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결/접속되어 있을 수도 있지만, 중간 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 한다.

이하, 도 1을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 기계적 자극 제공 장치(100)를 살펴본다.

본 발명의 일 실시예에 따른 기계적 자극 제공 장치(100)는, 기계적 자극 감지 세포(Mechanosensory cell)에 조사될 펄스 레이저 빔(Pulsed laser beam)을 생성하고 출력하는 레이저 출력부(110), 상기 펄스 레이저 빔의 직경을 조절하거나 상기 펄스 레이저 빔을 상기 기계적 자극 감지 세포에 포커싱(Focusing)하기 위한 렌즈부(120), 상기 펄스 레이저 빔의 세기(Power)를 조절하기 위한 광필터부(130), 상기 레이저 출력부, 상기 렌즈부, 상기 광필터부의 동작을 제어하는 제어부(180)를 포함할 수 있다.

또한, 상기 기계적 자극 제공 장치(100)는, 사용자로부터 정보를 입력받기 위한 입력부(150), 자신의 동작과 관련된 정보를 출력하기 위한 출력부(140), 외부의 장치들과 정보를 송수신하기 위한 통신부(160), 전원을 공급하기 위한 전원부(170) 등을 더 포함할 수 있으며, 이러한 구성들 역시 상기 제어부(180)에 의해 제어될 수 있다.

상기 기계적 자극 감지 세포는, 생체 내에서 기계적 자극을 감지하는 역할을 수행하는 세포를 의미한다. 이러한 상기 기계적 자극 감지 세포에는, Neuro2A 세포, MCC-13 메르켈 세포 등의 세포가 포함될 수 있으며, 이러한 세포들 이외에도 생체 내에서 기계적 자극을 감지하는 다양한 세포들이 포함될 수 있다.

한편, 상기 기계적 자극 감지 세포는, 생체 내에 존재하는 기계적 자극 감지 세포일 수도 있고, 생체에서 분리된 세포 단위, 세포주(cell line) 단위 또는 조직 단위의 기계적 자극 감지 세포일 수도 있다.

상기 레이저 출력부(110)는, 기계적 자극 감지 세포(Mechanosensory cell)에 조사될 레이저 빔을 출력하는 구성이다. 이러한 상기 레이저 출력부(110)는, 광-기계적 효과의 발생을 위해, 연속형 레이저(CW laser, Continuous wave laser)가 아닌 펄스 레이저(Pulsed laser)를 출력하는 것이 바람직하다. 레이저 자극을 연속적으로 제공되는 경우에는 광-화학적 효과 또는 광-열적 효과가 일어날 수 있으므로, 이러한 효과들을 배제한 상태에서 광-기계적 효과를 얻기 위해 펄스 레이저(Pulsed laser)를 이용하는 것이다.

또한, 상기 레이저 출력부(110)는, 상기 제어부(180)의 제어를 기초로 다양한 파라미터를 가지는 펄스 레이저 빔을 출력할 수 있는데, 구체적으로 다양한 펄스 폭(Pulse width), 펄스 반복률(Repetition rate), 자극 세기(Power), 자극 시간(Episode time)을 가지는 펄스 레이저 빔을 출력할 수 있다. 도 2를 참조하면, 상기 레이저 출력부(110)가 변화시킬 수 있는 펄스 폭, 펄스 반복 빈도(= 1 / 펄스 반복 주기), 자극 세기(Power) 등의 파라미터를 확인할 수 있다. 한편, 상기 레이저 출력부(110)는, 상기 펄스 폭(Pulse width)이 1000 ms(millisecond) 이하인 펄스 레이저 빔을 출력하는 것이 바람직하다. 상기 펄스 레이저 빔의 펄스 폭이 큰 경우에는 레이저 자극이 충분한 노출 시간이 확보되어 광-화학적 또는 광-역적 현상이 일어날 수 있으므로, 이러한 현상을 방지하기 위함이다.

또한, 상기 레이저 출력부(110)는, 펄스 레이저 빔을 출력하기 위하여 레이저 드라이버(Laser driver), 냉각 장치 등을 포함할 수 있다. 여기서 상기 레이저 드라이버는, 레이저 매질(Laser medium), 광 펌핑부(Optical pumping), 광 공진기(Optical resonator) 등의 구성을 포함하는 구성으로서, 상기 펄스 레이저 빔을 구성하는 광신호를 생성한다. 또한, 상기 냉각 장치는, 상기 레이저 드라이버가 광 신호를 생성하는 과정에서 발생 될 수 있는 열을 제거하는 구성으로서, 상기 레이저 드라이버 장치를 보호하는 역할을 하는 구성이다.

또한, 상기 레이저 출력부(110)는, 펄스 레이저 빔을 생성할 수 있는 다양한 형태로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 레이저 출력부(110)는 루비 레이저, 네오디뮴:야그 레이저(Nd:YAG Laser), 네오디뮴:글라스 레이저(Nd:Glass Laser), 레이저 다이오드(Ga, Al, As), 엑시머(Excimer) 레이저, 색소 레이저 등의 형태로 형성될 수 있으며, 이러한 종류 이외에도 다양한 형태로 구성될 수 있다.

한편, 상기 레이저 출력부(110)가 반도체 레이저 다이오드일 경우에는, 상기 기계적 자극 제공 장치(100)가 상기 광필터부(130)를 포함하지 않는 형태로 구성될 수 있다.

상기 렌즈부(120)는, 상기 펄스 레이저 빔의 직경(Diameter)을 조절하거나 상기 펄스 레이저 빔을 상기 기계적 자극 감지 세포에 포커싱(Focusing)하기 위한 구성이다.

이러한 상기 렌즈부(120)는, 상기 펄스 레이저 빔을 집속하기 위한 광집속부(예컨대 볼록 렌즈부) 및 상기 펄스 레이저 빔을 확산시키기 위한 광확산부(예컨대 오목 렌즈부)를 포함할 수 있으며, 상기 광집속부와 상기 광확산부의 선택적인 동작을 통해 상기 펄스 레이저 빔의 직경을 증가시키거나 감소시킬 수 있다.

또한, 상기 렌즈부(120)는, 상기 광 집속부를 이용하여 상기 펄스 레이저 빔을 포커싱(Focusing)할 수 있으며, 특히 상기 펄스 레이저 빔이 상기 기계적 자극 감지 세포에 포커싱되도록 동작할 수 있다.

상기 광필터부(130)는, 상기 펄스 레이저 빔의 세기(Power)를 조절하기 위한 구성이다. 이러한 상기 광필터부(130)는, 상기 펄스 레이저 빔의 세기를 감쇄시키기 위한 감쇄 장치(Attenuator)를 포함할 수 있으며, 이러한 감쇄 장치를 이용하여 상기 펄스 레이저 빔의 세기를 감쇄시킬 수 있다.

한편, 상기 광필터부(130)는, 상기 레이저 출력부(110) 자체가 상기 펄스 레이저 빔의 세기를 조절하는 능력을 갖추고 있는 경우에는, 상기 기계적 자극 제공 장치(100)에 선택적으로 장착될 수 있으며, 상기 펄스 레이저 빔의 세기를 세밀하게 조절하기 위한 보조적인 역할을 수행할 수 있다. 다만, 상기 레이저 출력부(110) 자체가 상기 펄스 레이저 빔의 세기를 조절하는 능력을 갖추고 있지 못하는 경우에는, 상기 기계적 자극 제공 장치(100)에 필수적으로 장착되어서, 상기 펄스 레이저 빔의 세기를 조절하는 주도적인 역할을 수행하게 된다.

상기 입력부(150)는, 상기 기계적 자극 제공 장치(100)의 동작에 필요한 정보를 입력받기 위한 구성이다. 이러한 상기 입력부(150)는, 기계적 자극의 설정 정보를 입력받거나, 상기 펄스 레이저 빔의 파라미터 자체를 직접 입력받을 수 있다.

또한, 상기 입력부(150)는 숫자, 문자 기호 등을 입력받고 각종 파라미터나 기능들을 설정하기 위한 다수의 입력키들을 포함할 수 있으며, 상기 기계적 자극 제공 장치(100)의 동작에 필요한 다양한 기능키들도 포함할 수 있다.

한편, 상기 입력부(150)는, 패드, 터치스크린 등과 같은 다양한 종류의 입력 장치로서 형성될 수 있으며, 이러한 입력 장치 이외에도 다양한 장치의 형태로 형성될 수 있다.

상기 출력부(140)는, 상기 기계적 자극 제공 장치(100)의 동작 상태 및 동작 결과를 표시하거나 소정의 정보를 사용자에게 제공하기 위한 구성이다. 이러한 상기 출력부(140)는 각종 메뉴를 비롯하여 사용자가 입력한 정보 및 사용자에게 제공하는 정보를 표시할 수 있으며, 액정 표시 장치(Liquid Crystal Display), OLED(Organic Light Emitted Diode), 음성 출력 장치 등을 포함하는 다양한 출력장치들의 형태로 형성될 수 있다.

상기 통신부(160)는, 상기 기계적 자극 제공 장치(100)가 외부의 장치들과 데이터를 송수신할 수 있게 하는 구성이다. 이러한 상기 통신부(160)는, ISO, ITU, IEC, IEEE 표준 등을 만족시키는 다양한 유선 통신 장치 또는 무선 통신 장치의 형태로 구현될 수 있으며, 이러한 표준 이외에도 다양한 통신 장치로 구현될 수 있다.

따라서, 상기 기계적 자극 제공 장치(100)는 이러한 통신부(160)를 통해 외부의 전자 장치에 의해 제어될 수도 있으며, 디스플레이 장치, 모바일 단말기 등의 다양한 전자 장치와 연동하여 동작하는 형태로도 구현될 수 있다. 또한, 상기 기계적 자극 제공 장치(100)는, 상기 통신부(160)를 통해 패치 클램프 장치, 미형광측정(Microfluorometry) 장치 등의 측정 장치와도 연결될 수 있으며, 이러한 연결을 기초로 상기 측정 장치와 동기화된 상태에서 동작할 수도 있다.

상기 전원부(170)는, 상기 레이저 출력부(110), 상기 입력부(150), 상기 출력부(140), 상기 통신부(160), 상기 제어부(180) 등을 포함하는 상기 기계적 자극 제공 장치(100)의 다양한 구성들에 전원을 공급하기 위한 구성이다.

이러한 상기 전원부(170)는, 전류 소스(Current source), 전압 소스(Voltage source) 등의 다양한 전원 장치를 포함할 수 있으며, 이러한 전원 장치를 기초로 전원을 공급할 수 있다.

상기 제어부(180)는, 상기 레이저 출력부(110), 상기 렌즈부(120), 상기 광필터부(130), 상기 출력부(140), 상기 입력부(150), 상기 통신부(160), 상기 전원부(170)를 포함하는 상기 기계적 자극 제공 장치(100)의 다양한 구성들을 제어하기 위한 구성이다.

이러한 상기 제어부(180)는, 적어도 하나의 연산 수단과 저장 수단을 포함할 수 있는데, 여기서 상기 연산 수단은 범용적인 중앙연산장치(CPU)일 수 있으나, 특정 목적에 적합하게 구현된 프로그래머블 디바이스 소자(CPLD, FPGA)나 주문형 반도체 연산장치(ASIC) 또는 마이크로 컨트롤러 칩일 수 있다. 또한, 상기 저장 수단은 휘발성 메모리 소자이거나 비휘발성 메모리 또는 비휘발성 전자기적 저장 소자이거나 연산 수단 내부의 메모리일 수 있다.

한편, 상기 제어부(180)는, 상기 레이저 출력부(110)가 출력하는 상기 펄스 레이저 빔의 다양한 파라미터를 제어할 수 있다. 구체적으로, 상기 제어부(180)는, 상기 펄스 레이저 빔의 펄스 폭, 자극 세기, 펄스 반복률, 자극 시간 등의 파라미터를 제어할 수 있으며, 이러한 제어를 통해 상기 기계적 자극 감지 세포에 제공되는 기계적 자극을 세밀하고 정교하게 변화시킬 수 있다. (종래 기술과 달리, 본 발명은 기계적 자극을 제어할 수 있는 파라미터가 레이저 빔의 펄스 폭, 자극 세기, 펄스 반복률, 자극 시간 등으로 다양하기 때문에, 이러한 파라미터들을 복합적으로 제어하여 기계적 자극을 세밀하고 정교하게 변화시킬 수 있다.)

또한, 상기 제어부(180)는, 기계적 자극을 유발시키는 펄스 레이저 빔의 다양한 파라미터들을 정량적으로 제어할 수 있으며, 이러한 제어를 통해 상기 기계적 자극(기계적 자극의 세기, 제공 시간 등)을 정량적으로 변화시킬 수 있다. (종래에는 양압, 음압, 전단 응력 등을 기초로 기계적 자극을 제공하였기 때문에, 기계적 자극의 정량적인 제어가 어려웠으며 비접촉 자극은 불가능했다.)

또한, 상기 제어부(180)는, 제공되는 기계적 자극을 일정한 물리량 또는 등급(Level)으로 정량화시킨 뒤에, 레이저 빔의 파라미터들과 매칭시킬 수도 있으며, 이러한 매칭 관계를 기초로 기계적 자극을 정량적으로 제공할 수 있다. 예를 들어, 상기 제어부(180)는, A 레벨의 기계적 자극과 a 세트의 파라미터들(펄스 폭, 레이저 빔의 세기, 펄스 반복률, 자극 시간 등)를 정량적으로 매칭 시키고, B 레벨의 기계적 자극와 b 세트의 파라미터들을 정량적으로 매칭 시킬 수 있으며, 설정된 기계적 자극이 A 레벨에서 B 레벨로 변화하는 경우, 상기 레이저 빔의 파라미터를 a 세트에서 b 세트로 변화시킬 수 있다.

또한, 상기 제어부(180)는, 상기 펄스 폭(Pulse width)을 1000 ms(millisecond) 이하로 제어하는 것이 바람직하다. 상기 펄스 레이저 빔의 펄스 폭이 큰 경우에는 레이저 자극이 충분한 노출 시간이 확보되어 광-화학적 또는 광-역적 현상이 일어날 수 있으므로, 이러한 현상을 방지하기 위함이다.

또한, 상기 제어부(180)는, 상기 통신부(160)를 통해 연결되는 다양한 장치들과 연동 또는 동기화된 상태에서 제어동작을 수행할 수도 있다. 예를 들어, 상기 제어부(180)는, 패치 클램프 장치, 미형광측정(Microfluorometry) 장치 등의 측정 장치와 연동 및 동기화된 상태에서 제어 동작을 수행할 수도 있다.

이상에서 살핀 상기 기계적 자극 제공 장치(100)는, 상기 기계적 자극 감지 세포와 비접촉한 상태에서 기계적 자극을 제공할 수 있다. 구체적으로, 상기 레이저 출력부(110)가 출력하는 펄스 레이저를 이용하여 상기 기계적 자극 감지 세포에 기계적 자극을 제공할 수 있으며, 상기 기계적 자극 감지 세포의 이온 채널을 활성화시킬 수 있다. 또한, 상기 기계적 자극 제공 장치(100)는, 패치 클램프 장치, 미형광측정(Microfluorometry) 장치 등의 측정 장치와 서로 동기화된 상태로도 동작할 수 있으며, 이를 통해 기계적 자극에 관한 정교한 실험을 가능한다.

이하, 도 3을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 기계적 자극 제공 시스템을 살펴본다.

도 3을 참조하면 본 발명의 일 실시예에 따른 기계적 자극 제공 시스템은, 기계적 자극 감지 세포에 조사될 펄스 레이저 빔을 출력하는 기계적 자극 제공 장치(100), 상기 기계적 자극 감지 세포의 이온 전류를 측정하기 위한 패치 클램프 장치(200)를 포함할 수 있다.

또한, 상기 기계적 자극 제공 장치(100)와 상기 패치 클램프 장치(200)는, 정전기 차단을 위한 페러데이 케이지(Paraday cage) 내부에 배치되는 것이 바람직하며, 상기 기계적 자극 제공 장치(100)와 상기 패치 클램프 장치(200)는 유선 또는 무선으로 연결되고 서로 동기화된 상태에서 동작하는 것이 바람직하다.

상기 기계적 자극 제공 장치(100)는, 위에서 자세히 살펴보았듯이, 펄스 레이저 빔을 이용하여 상기 기계적 자극 감지 세포에 기계적 자극을 제공하는 구성이다.

이러한 상기 기계적 자극 제공 장치(100)는, 차폐 상자에 수용된 상태로 시스템에 포함되는 것이 바람직한데, 이러한 차폐 상자를 이용하여 펄스 레이저 빔의 생성 과정에서 발생되는 디지털 노이즈(Noise)가 상기 패치 클램프 장치(200)로 유도되는 것을 방지할 수 있기 때문이다.

상기 패치 클램프(Patch-clamp) 장치는, 상기 기계적 자극 감지 세포의 이온 전류를 측정하기 위한 구성이다.

이러한 상기 패치 클램프 장치(200)는 미세 전극 포함할 수 있으며, 상기 미세 전극을 이용하여 세포막과 고저항의 전기적 실(giga ohm seal)을 형성하고, 세포막을 통한 이온 통로 전류를 측정하고 기록할 수 있다.

이상에서 살핀 본 발명의 일 실시예에 따른 기계적 자극 제공 시스템은, 상기 기계적 자극 제공 장치(100)의 펄스 레이저 빔을 이용하여 상기 기계적 자극 감지 세포에 기계적 자극을 제공함과 동시에, 상기 패치 클램프 장치(200)를 이용하여 상기 기계적 자극 감지 세포의 반응을 감지할 수 있다.

특히, 본 발명의 일 실시예에 따른 기계적 자극 제공 시스템은, 상기 기계적 자극 감지 세포에 비접촉한 상태에서 기계적 자극을 제공할 수 있으므로, 패치 클램프 장치(200)를 이용하여 매우 정교한 측정을 할 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 기계적 자극 제공 시스템은 상기 기계적 자극 제공 장치(100)와 상기 패치 클램프 장치(200)가 동기화된 상태에서 동작하기 때문에, 정확한 패치 기록과 해석이 가능하다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 기계적 자극 제공 시스템은, 기계적 촉감 인지 규전의 규명을 위한 신경과학 연구에 활용될 수 있다.

한편, 이상에서 살핀 실시예에서는 기계적 자극에 대한 세포의 상태 변화를 관찰하는 장치로써 '패치 클램프 장치'가 사용되었지만, 다른 실시예에서는 상기 패치 클램프 장치 대신에 '다른 측정 장치'가 사용될 수도 있다. 예를 들어, 상기 패치 클램프 장치 대신에 '미형광측정(Microfluorometry) 장치'가 사용될 수도 있으며, 이러한 장치 이외에도 세포의 상태 변화를 측정할 수 있는 다양한 측정장치들이 사용될 수 있다.

따라서, 본 발명은 상기 '기계적 자극 장치(100)'와 '다양한 측정 장치'(세포의 상태 변화를 관찰할 수 있는 다양한 장치)가 서로 연동 되어 구성되는, 다양한 종류의 기계적 자극 제공 시스템을 포함할 수 있다.

이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 기계적 자극 제공 방법을 살펴본다.

본 발명의 일 실시예에 따른 기계적 자극 제공 방법은, 기계적 자극 제공 장치가 기계적 자극 감지 세포(Mechanosensory cell)에 제공할 기계적 자극을 설정하는 단계(a 단계)를 포함할 수 있다.

다음으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 기계적 자극 제공 방법은, 상기 a 단계 이후에, 기계적 자극 제공 장치가 상기 기계적 자극과 대응되는 펄스 레이저 빔의 파라미터를 설정하는 단계(b 단계)를 더 포함할 수 있다.

여기서, 상기 기계적 자극 제공 장치는, 상기 펄스 레이저 빔의 펄스 폭, 자극 세기(Power), 자극 시간(Episode time), 펄스 반복률(Repetition rate) 등의 파라미터들을 설정할 수 있다. 다만, 이 경우 상기 펄스 폭은 1000 ms(millisecond) 이하로 설정되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 기계적 자극 제공 장치는, '상기 기계적 자극과 상기 펄스 레이저 빔의 파라미터가 정량적으로 매칭된 정보'를 바탕으로, 상기 펄스 레이저 빔의 파라미터를 설정할 수도 있다.

다음으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 기계적 자극 제공 방법은, 상기 b 단계 이후에, 기계적 자극 제공 장치가 설정된 파라미터를 기초로 펄스 레이저 빔을 생성하고, 생성된 상기 펄스 레이저 빔을 조사하는 단계(c 단계)를 더 포함할 수 있다.

이상에서 살핀 본 발명의 일 실시예에 따른 기계적 자극 제공 방법은, 펄스 레이저 빔을 이용하여 상기 기계적 자극 감지 세포(Mechanosensory cell)에 기계적 자극을 제공할 수 있다.

또한, 이상에서 살핀 본 발명에 따른 기계적 자극 제공 방법은, 카테고리는 상이하지만, 본 발명에 따른 기계적 자극 제공 장치와 실질적으로 동일한 특징을 포함할 수 있다. 따라서, 중복서술을 방지하기 위하여 자세히 기재하지는 않았지만, 상기 기계적 자극 제공 장치와 관련하여 상술한 특징들은 상기 기계적 자극 제공 방법 발명에도 쉽게 유추되어서 적용될 수 있다.

이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 기계적 자극 제공 장치를 이용한 실험예들을 살펴본다.

이하에서 살펴볼 실험예들을 통해, 본 발명의 일 실시예에 따른 기계적 자극 제공 장치가 기계적 자극 감지 세포에 기계적 자극을 제공하는 것을 확인할 수 있다.

실험에는, 기계적 자극 감지 세포로서 Neuro2A세포와 MCC-13 메르켈 세포주(cell-line)을 사용하였다. 두 세포는 통상적인 세포 배양 방법을 통하여 유지하였다. (참고로, Neuro2A 세포는 신경종 세포의 하나로서 기계적 자극을 감지하는 Piezo 단백질을 많이 포함하며, 이러한 Piezo 단백질을 통해 기계적 자극을 감지하는 역할을 한다. 또한, 메르켈 세포 역시 피부 감각 중 잘 적응하지 않는 가벼운 압감을 감지하는 세포로서, Piezo를 발현하고 기계적 자극을 감지하는 역할을 한다.)

또한, 상기 기계적 자극 제공 장치의 레이저 광원으로서 532 nm의 레이저 광원(최대 출력 250 mW)과 480 nm의 레이저 광원(최대 출력 1000 mW)을 사용하였다. 또한, 펄스 형태의 레이저 빔(Pulsed laser beam)이 사용하였으며, 펄스 레이저 빔의 펄스 폭(Pulse width)은 1000 ms 이하로 설정하고, 펄스 반복률(Repetition rate)은 0.5 ~ 250 Hz의 범위로 설정하였다.

또한, 세포에 직접적으로 가하는 기계적 자극으로서, 누르기 자극(Nanopositioning system), 압력 자극을 사용하였으며, 이들의 실험 결과를 양성 대조군으로 활용였다.

또한, 패치 클램프 장치로서 미세 유리 전극 및 미국 Molecular device사의 패치 클램프 소프트웨어를 이용하였으며, Digitata 1440 AD/DA converter를 이용하여 이온 전류를 기록하였다.

또한, 세포 내의 칼슘을 측정하기 위하여 Fura-2 dye를 이용한 Microfluorometry 시스템을 이용하였다.

[실험 1]

먼저, 양성 대조군으로서 Neuro2A 세포에 직접적인 기계적 자극(누르기 또는 압력)을 가한 경우의 이온 전류(Piezo 전류)를 관찰하였다.

구체적으로, 도 4와 같이 패치 클램프 장치를 이용하여 상기 Neuro2A 세포의 이온 전류(누르기 또는 압력이 가해지고 있는 상태에서의 이온 전류)를 측정하였으며, 실험에 사용되는 세포 외 관류액으로는 생리적 식염수(Normal Tyrode, NT)를 이용하여 세포 원래의 안정막 전압을 유지시키면서 실험을 진행하였다.

도 5는, 상기 Neuro2A 세포의 이온 전류 변화를 나타낸다. 이러한 도 5를 참조하면, 상기 Neuro2A 세포에 직접적으로 가해지는 자극(누르기 또는 압력)에 의하여, 다양한 막 전위 상태에서 이온 전류(Piezo 전류)가 활성화되는 것을 확인할 수 있다.

다음으로, 본 발명에 따른 기계적 자극 제공 장치를 이용하여 상기 Neuro2A 세포에 펄스 레이저를 가하면서, 상기 Neuro2A 세포의 이온 전류를 관찰하였다.

구체적으로, 도 6과 같이 패치 클램프 장치를 이용하여, 상기 Neuro2A 세포의 이온 전류(펄스 레이저가 가해지고 있는 상태에서의 이온 전류)를 측정하였으며, 실험에 사용되는 세포 외 관류액으로는 생리적 식염수(NT)를 이용하여 세포 원래의 안정막 전압을 유지시키면서 실험을 진행하였다.

한편, 상기 Neuro2A 세포에 가해지는 펄스 레이저는 다양한 파리미터를 가지는 다양한 종류의 펄스 레이저가 이용되었으며, 이러한 다양한 종류의 펄스 레이저를 이용하여 복수 회의 실험을 진행하였다. 구체적으로, 100ms의 펄스 폭과 5Hz의 펄스 반복률을 가지는 펄스 레이저, 50ms의 펄스 폭을 가지는 single shot의 펄스 레이저, 12ms의 펄스 폭과 40Hz의 펄스 반복률을 가지는 펄스 레이저, 10ms의 펄스 폭과 40Hz의 펄스 반복률을 가지는 펄스 레이저, 30ms의 펄스 폭과 single shot의 펄스 레이저, 10ms의 펄스 폭과 80Hz의 펄스 반복률을 가지는 펄스 레이저, 1000ms의 펄스 폭과 single shot의 펄스 레이저, 12ms의 펄스 폭과 40Hz의 펄스 반복률을 가지는 펄스 레이저, 17ms의 펄스 폭과 30Hz의 펄스 반복률을 가지는 펄스 레이저, 50ms의 펄스 폭과 10Hz의 펄스 반복률을 가지는 펄스 레이저, 17ms의 펄스 폭과 30Hz의 펄스 반복률을 가지는 펄스 레이저 등을 포함하는 다양한 종류의 펄스 레이저를 이용하여 실험을 진행하였다.

도 7 및 도 8은, 상기 Neuro2A 세포의 이온 전류 변화를 나타낸다. 구체적으로 다양한 펄스 레이저가 가해지고 있는 상태에서의 상기 Neuro2A 세포의 이온 전류 변화를 나타낸다. 이러한 도 7 및 도 8을 참조하면, 상기 Neuro2A 세포에 직접적으로 가해지는 펄스 레이저에 의하여, 다양한 막 전위 상태에서 이온 전류(Piezo 전류)가 활성화되는 것을 확인할 수 있다. 또한, 상기 펄스 레이저에 의해 활성화되는 이온 전류가, 위에서 살펴본, 직접적인 기계적 자극(누르기 또는 압력)에 의해 활성화되는 이온 전류(도 5 참조)와 동일한 성상인 것을 확인할 수 있다. (펄스 레이저의 자극 빈도에 따라서 일정한 크기의 noise 신호가 나타나지만, 그와 구별되는 이온 전류가 확실히 관찰된다.)

따라서, 이러한 실험결과를 바탕으로, 상기 따른 펄스 레이저가 기계적 자극 감지 세포에 기계적 자극을 제공할 수 있음을 확인할 수 있다.

도 8은, 직접적인 기계적 자극(누르기 또는 압력)에 의해 활성화되는 이온 전류와 펄스 레이저에 의해 활성화되는 이온 전류를 비교하기 위하여, 실험 결과를 겹쳐서 표시한 그래프이다. 각 그래프는, 다양한 막 전위 조건에서의 자극에 따른 이온 전류(Piezo 전류)의 변화를 나타낸다.

도 8을 참조하면, 직접적인 기계적 자극(누르기 또는 압력)에 의해 활성화되는 이온 전류 특성과 펄스 레이저에 의해 활성화되는 이온 전류의 특성(이온 선택성, 단일 통로 전도도 등)의 거의 동일함을 확인할 수 있다. 따라서, 이러한 실험 결과의 대비를 통해서도 상기 펄스 레이저에 의해 기계적 자극이 제공되는 것을 확인할 수 있다.

[실험 2]

실험 2에서는, 기계적 자극 감지 세포로서 메르켈 세포(Merkel cell)를 사용하였다.

- 기계적 자극에 대한 메르켈 세포의 반응

참고로, 메르켈 세포는, N2A 세포와는 달리, 기계적 자극에 의해서 '비교적 작은 전도도의 piezo-like 비선택성 전류' 외에 '큰 전도도를 가지는 K+ 전류'를 활성화시킬 수 있다.

따라서, 상기 메르켈 세포에 기계적 자극이 가해지는 경우에는, 'piezo-like 비선택성 전류'의 활성화에 의한 이온 전류 변화와 'K+ 전류'의 활성화에 의한 이온 전류 변화가 동시에 유발될 수 있으며, 이러한 2가지 종류의 이온 전류 변화가 결합 되어 전체 이온 전류 변화를 구성할 수 있다.

도 9는, K+ 전류 차단제인 TEA(tetraethylammonium)와 4-aminopyridine(4-AP)가 존재하고, 상기 메르켈 세포에 직접적인 기계적 자극(누르기 또는 압력)이 가해지고 있는 상태에서, 패치 클램프 장치를 이용하여 상기 메르켈 세포의 이온전류를 측정한 결과를 나타낸다.

이러한 도 9를 참조하면, 상기 메르켈 세포에 직접적으로 가해지는 기계적 자극에 의하여, 다양한 막전위 상태에서 'piezo-like 비선택성 이온 전류'가 활성화되는 것을 확인할 수 있다.

도 10은, 상기 메르켈 세포의 전체 영역 중 K+ 채널이 dominant하게 배치된 영역에 직접적인 기계적 자극(누르기 또는 압력)이 가해지고 있는 상태에서, 패치 클램프 장치를 이용하여 상기 메르켈 세포의 이온 전류를 측정한 결과를 나타낸다.

이러한 도 10을 참조하면, 상기 메르켈 세포에 직접적으로 가해지는 기계적 자극에 의하여, 다양한 막전위 상태에서 'K+ 전류'가 활성화되는 것을 확인할 수 있다. (전류-전압 관계의 역전 전압 및 chord conductance 크기를 통해 확인할 수 있다.)

- 기계적 자극에 대한 반응과 레이저 자극에 대한 반응의 비교

실험 2는, 상기 메르켈 세포에 직접적인 기계적 자극(누르기 또는 압력)을 가한 경우의 이온 전류 변화(양성 대조군)와, 상기 메르켈 세포에 펄스 레이저를 가한 경우의 이온 전류 변화(실험군)를 관찰하고, 양 실험의 결과가 유사한지 비교하는 방향으로 진행되었다.

먼저, 실험 1과 마찬가지로, 양성 대조군으로서 메르켈 세포에 직접적인 기계적 자극(누르기 또는 압력)을 가한 경우의 이온 전류를 관찰하였다. 구체적으로, 실험 1과 마찬가지로, 패치 클램프 장치를 이용하여 상기 메르켈 세포의 이온 전류(누르기 또는 압력이 가해지고 있는 상태에서의 이온 전류)를 측정하였다.

도 11은 이러한 실험의 결과를 나타낸다. 도 11을 참조하면, 메르켈 세포에 가해지는 직접적인 기계적 자극(누르기 또는 압력)에 의해, 큰 전도도의 K+ 전류와 작은 전도도의 Piezo-like 비선택성 전류가 동시에 활성화된 것을 확인할 수 있다.(역전 전압의 차이 및 chord conductance의 차이 등을 분석하여 확인할 수 있다)

또한, 도 12를 참조하면, 상기 실험에 의해 활성화된 두 가지 전류의 특성을 구분하여 살펴볼 수 있다.

다음으로, 본 발명에 따른 기계적 자극 제공 장치를 이용하여 상기 메르켈 세포에 펄스 레이저를 가하면서, 상기 메르켈 세포의 이온 전류를 관찰하였다.

구체적으로, 실험 1과 마찬가지로 패치 클램프 장치를 이용하여, 상기 메르켈 세포의 이온 전류(펄스 레이저가 가해지고 있는 상태에서의 이온 전류)를 측정하였다.

한편, 상기 메르켈 세포에 가해지는 펄스 레이저는 다양한 파리미터를 가지는 다양한 종류의 펄스 레이저가 이용되었으며, 이러한 다양한 종류의 펄스 레이저를 이용하여 복수 회의 실험을 진행하였다. 구체적으로, 3ms의 펄스 폭을 가지는 single shot의 펄스 레이저, 1000ms의 펄스 폭을 가지는 single shot의 펄스 레이저, 0.5ms의 펄스 폭과 1000Hz의 펄스 반복률을 가지는 펄스 레이저, 1000ms의 펄스 폭과 single shot의 펄스 레이저, 0.6ms의 펄스 폭과 1000Hz의 펄스 반복률을 가지는 펄스 레이저 등을 포함하는 다양한 종류의 펄스 레이저를 이용하여 실험을 진행하였다.

도 13 및 도 14는, 상기 메르켈 세포의 이온 전류 변화를 나타낸다. 구체적으로 다양한 펄스 레이저가 가해지고 있는 상태에서의 상기 메르켈 세포의 이온 전류 변화를 나타낸다. 이러한 도 13 및 도 14를 참조하면, 상기 메르켈 세포에 직접적으로 가해지는 펄스 레이저에 의하여, 다양한 막 전위 상태에서 큰 전도도의 'K+ 전류'와 작은 전도도의 'Piezo-like 비선택성 전류'가 활성화되는 것을 확인할 수 있다. 또한, 상기 펄스 레이저에 의해 활성화되는 이온 전류(도 14)가, 위에서 살펴본, 직접적인 기계적 자극(누르기 또는 압력)에 의해 활성화되는 이온 전류(도 12)와 유사한 성상인 것을 확인할 수 있다. (펄스 레이저의 자극 빈도에 따라서 일정한 크기의 noise 신호가 나타나지만, 그와 구별되는 이온 전류가 확실히 관찰된다.)

따라서, 이러한 실험결과를 바탕으로, 상기 펄스 레이저가 기계적 자극 감지 세포에 기계적 자극을 제공할 수 있음을 확인할 수 있다.

[실험 3]

메르켈 세포는 피부 조직에서 Abeta 감각 구심경과 화학 시냅스(Merkel-Neurite complex)를 이룬다. 즉, 메르켈 세포의 활성화는 세포 내 칼슘 증가로 이어지고 증가된 세포내 칼슘은 메르켈 세포에서 세로토닌이나 글루타메이트 등의 신경전달물질을 분비하고 Abeta 구심신경을 활성화시킨다.

도 15는 직접적인 기계적 자극(누르기 또는 압력)이 가해진 경우의 메르켈 세포 내 칼슘 농도 변화를 나타내는 그래프이다. (메르켈 세포 내의 칼슘은 Fura-2를 이용한 Microfluorometry 시스템을 이용하여 측정하였다.)

도 15를 참조하여 알 수 있듯이, 메르켈 세포 내 칼슘 농도는, 상기 직접적인 기계적 자극에 의해 증가되었으며, 기계적 자극 활성화 이온 채널의 광범위한 차단제인 Gadolinium(Gd)에 의해서 차단되었다.

도 16은 본 발명에 따른 펄스 레이저가 가해진 경우의 메르켈 세포 내 칼슘 농도 변화를 나타내는 그래프이다.

도 16을 참조하여 알 수 있듯이, 메르켈 세포 내 칼슘 농도는, 상기 펄스 레이저가 가해진 경우에도 증가(직접적인 기계적 자극이 가해진 경우와 유사하게 증가)하였다.

참고로, 메르켈 세포 내 칼슘 농도는, 칼슘 이온을 적게 포함하고 있는 관류액이 제공된 경우에는 증가하지 않았는데, 이러한 결과를 통해 상기 칼슘은 세포 외부에서 유입되는 것임을 확인할 수 있다.

이러한, 도 15 및 도 16을 참조하면, 상기 메르켈 세포에 '직접적인 기계적 자극(누르기 또는 압력)을 가한 경우'와 '펄스 레이저를 가한 경우'가 유사한 칼슘 농도 변화 특성을 나타내는 것을 확인할 수 있다.

따라서, 이러한 비교 결과를 통해서도, 상기 펄스 레이저에 의해 기계적 자극이 제공될 수 있음이 확인될 수 있다.

[실험 4]

레이저 자극시 관류액의 온도 변화는 통상적인 온도 감지 센서로는 정확한 측정이 불가능한 것으로 알려져 있다.(Greffrath et al. 2002) 왜냐하면, 통상적인 온도 감지 센서가 레이저 에너지를 흡수하기 때문이다. 따라서, 관류액과 패치 클램프 기록을 위한 미세 유리 전극과의 사이에서 발생하는 Junction current 변화로 생기는 전류 변화를 기록함으로써 온도의 변화를 측정한다.(Greffrath et al. 2002) Junction current의 변화는 온도 변화와 선형적인 관계가 성립하므로 이러한 간접 측정은 유용하다.

이상에서 살펴본 실험들에서 기록된 온도 변화와 Junction current 변화로 유발된 전류(유지 전압 +10 mV)의 관계를 정리하면 도 17과 같다.(가로축은 온도이고 세로축은 pA 스케일의 전류를 나타낸다.) 도 17을 참조하면, 온도 1도씨의 변화가 대략 58 pA의 전류 변화를 유발한 것을 확인할 수 있다.

도 17의 결과를 이용하여, 본 발명에 의한 펄스 레이저 자극으로 유발된 junction current의 크기로부터 관류액의 온도 변화를 분석하였다.

분석 결과, 5 Hz, 40 Hz, 80 Hz (펄스 폭 10ms) 및 지속적인(CW) 1000ms 자극이 유발한 온도 변화는 각각 최대 0.4, 0.8, 1.9 및 3.0 도씨였다. 비록 온도 변화가 전혀 없는 것은 아니였지만, 이상의 온도 변화는 Piezo 이온 전류를 활성화시키는 변화가 아니어서 펄스 레이저에 의해 유발되는 자극은 온도 변화를 경유한 것이 아님을 확인할 수 있다.

결국, 이러한 실험 결과를 통해, 본 발명에 따른 펄스 레이저가 열적 자극이 아닌 기계적 자극을 제공하고, 이를 통해 기계적 자극 감지 세포를 활성화시키는 것을 확인할 수 있다.

위에서 설명된 본 발명의 실시예들은 예시의 목적을 위해 개시된 것이며, 이들에 의하여 본 발명이 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명에 대한 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정 및 변경을 가할 수 있을 것이며, 이러한 수정 및 변경은 본 발명의 범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.

100 : 기계적 자극 제공 장치 110 : 레이저 출력부
120 : 렌즈부 130 : 광필터부
140 : 출력부 150 : 입력부
160 : 통신부 170 : 전원부
180 : 제어부 200 : 패치 클램프 장치

Claims (15)

1. 기계적 자극 감지 세포(Mechanosensory cell)에 조사될 펄스 레이저 빔(Pulsed laser beam)를 출력하는 레이저 출력부; 및
   상기 레이저 출력부가 출력하는 상기 펄스 레이저 빔의 파라미터(Parameter)를 제어하는 제어부;
   를 포함하고,
   상기 펄스 레이저 빔을 이용하여 상기 기계적 자극 감지 세포(Mechanosensory cell)에 기계적 자극을 제공하며,
   상기 제어부는, 상기 펄스 레이저 빔의 펄스 폭을 1000 ms(millisecond) 이하의 값으로 조절하고,
   상기 제어부는, 상기 기계적 자극 및 상기 펄스 레이저 빔의 파라미터를 정량적으로 매칭시킨 정보를 바탕으로, 기계적 자극을 정량적으로 제어하는 것을 특징으로 하는 기계적 자극 제공 장치.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 펄스 레이저 빔은, 생체에서 분리된 기계적 자극 감지 세포 또는 세포주(Cell line)에 조사되는 것을 특징으로 하는 기계적 자극 제공 장치.
   
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 제어부가 제어하는 상기 파라미터는, 상기 펄스 레이저 빔의 펄스 폭(Pulse width), 자극 세기(Power), 자극 시간(Episode time) 또는 펄스 반복률(Repetition rate)인 것을 특징으로 하는 기계적 자극 제공 장치.
   
4. 삭제
5. 삭제
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 레이저 출력부가 출력하는 상기 펄스 레이저 빔을 상기 기계적 자극 감지 세포에 포커싱(Focusing)하기 위한 렌즈부;
   를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기계적 자극 제공 장치.
   
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 제어부는, 패치 클램프(Patch-clamp) 장치 또는 미형광측정(Microfluorometry) 장치와 동기화된 상태로 동작할 수 있는 것을 특징으로 하는 기계적 자극 제공 장치.
   
8. 기계적 자극 감지 세포(Mechanosensory cell)에 조사될 펄스 레이저 빔을 출력하는 기계적 자극 제공 장치; 및
   상기 기계적 자극 감지 세포의 상태 변화를 측정하기 위한 측정 장치;
   를 포함하되,
   상기 펄스 레이저 빔을 이용하여 상기 기계적 자극 감지 세포(Mechanosensory cell)에 기계적 자극을 제공할 수 있고, 상기 기계적 자극 감지 세포의 반응을 감지할 수 있으며,
   상기 기계적 자극 제공 장치는, 상기 펄스 레이저 빔의 펄스 폭을 1000 ms(millisecond) 이하의 값으로 조절하고,
   상기 기계적 자극 제공 장치는, 상기 기계적 자극 및 상기 펄스 레이저 빔의 파라미터를 정량적으로 매칭시킨 정보를 바탕으로, 상기 기계적 자극을 정량적으로 제어하는 것을 특징으로 하는 기계적 자극 제공 시스템.
   
9. 제 8 항에 있어서,
   상기 기계적 자극 제공 장치와 상기 측정 장치는 유선 또는 무선으로 연결될 수 있고, 서로 동기화된 상태에서 동작하는 것을 특징으로 하는 기계적 자극 제공 시스템.
   
10. 제 8 항에 있어서,
    상기 측정 장치는, 패치 클램프(Patch-clamp) 장치 또는 미형광측정(Microfluorometry) 장치인 것을 특징으로 하는 기계적 자극 제공 시스템.
    
11. (a)기계적 자극 제공 장치가 기계적 자극 감지 세포(Mechanosensory cell)에 제공할 기계적 자극을 설정하는 단계;
    (b)기계적 자극 제공 장치가 상기 기계적 자극과 대응되는 펄스 레이저 빔의 파라미터를 설정하는 단계; 및
    (c)기계적 자극 제공 장치가 설정된 파라미터를 기초로 펄스 레이저 빔을 생성하고, 생성된 상기 펄스 레이저 빔을 조사하는 단계;
    를 포함하고,
    상기 펄스 레이저 빔을 이용하여 상기 기계적 자극 감지 세포(Mechanosensory cell)에 기계적 자극을 제공하며,
    상기 (b) 단계에서, 상기 기계적 자극 제공 장치는, 상기 펄스 레이저 빔의 펄스 폭을 1000 ms(millisecond) 이하의 값으로 조절하고,
    상기 기계적 자극 제공 장치는, 상기 기계적 자극 및 상기 펄스 레이저 빔의 파라미터를 정량적으로 매칭시킨 정보를 바탕으로, 상기 기계적 자극을 정량적으로 제어하는 것을 특징으로 하는 기계적 자극 제공 방법.
    
12. 제 11 항에 있어서,
    상기 (c) 단계에서, 상기 펄스 레이저 빔은, 생체에서 분리된 기계적 자극 감지 세포 또는 세포주(Cell line)에 조사되는 것을 특징으로 하는 기계적 자극 제공 방법.
    
13. 제 11 항에 있어서,
    상기 (b) 단계에서,
    상기 기계적 자극 제공 장치는, 상기 펄스 레이저 빔의 펄스 폭(Pulse width), 자극 세기(Power), 자극 시간(Episode time) 또는 펄스 반복률(Repetition rate)을 제어하는 것을 특징으로 하는 기계적 자극 제공 방법.
    
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15. 삭제

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