KR20090108605A - 질병 검출 방법 및 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 피부 또는 네일을 X선 회절에 노출시키고 피부 또는 네일의 초미세구조에서의 변화를 검출하는 것을 포함하는 종양 또는 신경 질병 검출 방법과, 이러한 검출 방법에서 사용되는 장치를 제공한다.
Description
본 명세서에 기술된 본 발명은 생물 측정학적 진단 방법(a biometric dianostic method)에 관한 것이다. 보다 구체적으로는, 본 발명은 종양 또는 신경 질병 검출을 위한 피부 또는 네일의 사용에 관한 것이지만, 본 발명의 범주가 반드시 이것으로 제한되는 것은 아니다.
현재는 신경 및 종양 질병을 검사하는 완전히 신뢰가능한, 비침습성의(noninvasive) 검사 방법이 존재하지 않는다. 두발의 회절 패턴의 특정한 변화가 유방암과 결장암 및 알츠하이머병에 대해 확립되었지만(WO 00/34774), 이러한 검사는 염색, 백콤(back-combing), 빗질과 같은 미용을 위한 두발 관리뿐 아니라 공항 또는 경계구역 내에서 보안 X선을 통과함에 의해서도 발생하는 문제(complications)를 갖는다. 또한, 다수의 신경 및 종양 질병은 모발의 초미세구조에는 변화를 발생시키지 않으며, 따라서 이러한 검사는 매우 제한적이며, 예를 들어 전립선암 및 흑색종은 그레이드 7(Grade 7) 단계에서도 모발 구조의 어떠한 변화도 나타내지 않는다.
따라서, 이러한 다수의 상황들에 대해 전술된 단점의 적어도 일부를 극복할 수 있는 다른 검사를 제공하거나 또는 유용하거나 상업적인 선택을 제공할 수 있는 것이 바람직할 것이다.
본 발명은 신속하고, 저렴하며, 전체적으로 비침습성이지만 신뢰할 수 있는 검사를 기술하며, 이 검사는 원거리에서 채취할 수 있는 생물학적 물질의 샘플을 사용하여 종양 및 신경 질병에 대한 저비용의 대량 감식을 가능하게 할 수 있으며, 이러한 샘플은 올바르게 저장되면 손상되지 않는다.
제 1 실시예에서, 본 발명은 피검사자의 종양 또는 신경 질병을 검출하는 방법을 제공하며, 이 방법은 피검사자의 생물학적 물질을 섬유 X선 회절에 노출시키는 단계와, 생물학적 물질의 초미세구조에서의 변화를 검출하는 단계를 포함하되, 생물학적 물질은 피부 또는 네일 샘플이고, 생물학적 물질이 피부 샘플인 경우에 종양 질병은 BRAC1-관련 유방암이 아니다.
제 2 실시예에서, 본 발명은 제 1 실시예의 방법에서 사용되는 장치를 제공하며, 이 장치는 X선 빔을 생성하는 X선 소스와, 생물학적 샘플을 빔 내에 위치시키는 샘플 스테이지와, X선 빔의 산란을 검출하는 검출기와, 검출기와 연관하여 검출기의 출력을 디스플레이하는 디스플레이 수단을 포함하되, 디스플레이 수단으로 인해, 질병의 존재와 관련되는 출력의 패턴이 분석을 위해 디스플레이된다.
앞서 정의된 제 1 및 제 2 실시예와 관련하여, 생물학적 재료가 피부 샘플일 때, 종양 질병은 샘플의 초미세구조에서의 측정가능한 변화를 발생시키는 임의의 질병일 수 있다. 이 방법은 특히 피부 샘플을 사용하여 피검사자에 전립선암 및 흑색종이 존재하는지 여부를 정확히 검출한다.
생물학적 물질이 네일 샘플일 때, 종양 질병은 샘플의 초미세구조에서의 측정가능한 변화를 발생시키는 임의의 질병일 수 있다. 이 방법은 특히 네일 샘플을 사용하여 피검사자에 유방암 및 결장암이 존재하는지 여부를 정확하게 검출한다.
생물학적 물질이 네일 샘플일 때, 신경 질병은 샘플의 초미세구조에서의 측정가능한 변화를 발생시키는 임의의 질병일 수 있다. 이 방법은 특히 피검사자에 알츠하이머병이 존재하는지 여부를 정확하게 검출한다.
피부 및 네일 샘플은 임의의 실용적인 수단에 의해 획득될 수 있다. 바람직하게는 피부 생체검사 샘플은 일방적인 방법에 의해 획득되며 즉시 병리학 식염수에 넣고 필요할 때까지 -20℃에서 저장한다. 이 샘플은 임의의 실용적인 방식으로 샘플 스테이지에 장착될 수 있다. 바람직하게는 피부 샘플은 100% 습도를 유지하도록 특별히 설계된 세포 내에서, 크림프(crimp)를 제거하기 위해 미세하게 스트레치된 측면들에 부착된 봉합선을 사용하여 장착된다. 결과적인 필름의 분석은 전립선암 또는 흑색종의 존재가 결정되도록 한다.
바람직하게는 네일 샘플은 네일 클리핑(nail clipping)으로부터 컷팅된다. 샘플 크기는 바람직하게는 X선 빔이 샘플 내에서 전체적으로 피팅되도록 약 1mm 정사각형이다. 바람직하게는, 이러한 네일 샘플은 길이에 대한 최소의 구부러짐을 갖는다.
샘플들은 미소관의 단부 상에 장착되어 충분한 세기를 갖고 미세하게 포커싱된 X선 빔에 노출될 수 있으며, 이러한 X선 빔은 고정된 튜브, 미세-포커싱 발생기, 회전-어노드 발생기 및 싱크로트론 소스로부터 나온다. 결과적인 필름의 분석은 병리학적 상태의 존재가 결정되도록 한다.
본 발명에서 사용되는 X선 소스는 임의의 적절한 X선 소스일 수 있지만, 바람직하게는 5 내지 30keV의 에너지 범위 내에 있는 단색 X선을 생성해야 한다. 싱크로트론 소스로부터의 복사는 이 작업에 잘 맞지만 회전 어노드 발생기 및 미세 포커싱 X선 소스로부터의 복사 또한 보다 긴 적절한 노출 시간 동안 사용될 수 있다.
X선 회절은 바람직하게는 예로서 Photon Factory의 Tsukuba에 의한 BL15A와 같이 0.06 내지 0.20nm의 X선 파장을 갖는 로우 앵글 싱크로트론 장치와 같은 단색 X선 소스 장치를 사용하여 실행된다. Photon Factory 저장 고리가 145mA의 빔 전류를 가지고 25GeV에서 동작될 때, 초당 대략 8×1010의 표본의 입사 플럭스가 발생될 수 있다. X선 패턴은 Fuji BAS Ⅲ 이미징 플레이트 상에 기록될 수 있다.
피부 샘플에 대한 노출 시간은 의미있는 결과를 얻기에 충분히 긴 임의의 시간일 수 있지만, 바람직하게는 20초 내지 5분이다. APS(Advanced Photon Source), Argonne USA와 같은 제3세대 싱크로트론에서 노출 시간은 1 내지 10초로 감소된다. 회전 발생기 및 미세 포커스 X선 발생기에서의 노출 시간은 전형적으로 15분 내지 24시간이다.
샘플로부터 이미징 플레이트까지의 거리는 임의의 실용적인 거리일 수 있지만, 바람직하게는 200mm 내지 3000mm이다. BioCAT, APS 상에서는 1000mm가 일반적이며, ChemMatCARS(APS)에서는 800mm, BL15A(Photon Factory)에서는 400mm, 그리고 회전 어노드 상에서는 200mm이다.
백그라운드 제거는 FIT2D, MATHEMATICA 및 IRAFSAO와 같은 표준 패키지의 사용에 의해 획득될 수 있다. 자오선형 데이터는 브래그(Bragg) 분석을 사용하여 분석될 수 있고, 적도형 데이터는 베셀 함수(Bessel Functions)를 사용하여 분석될 수 있다.
본 발명을 보다 쉽게 이해하고 실시할 수 있도록 본 발명의 하나 이상의 바람직한 실시예가 첨부된 도면을 참조로 하여 기술될 것이지만, 이것은 단지 예시적인 것이다.
도 1은 본 발명의 X선 분석 시스템의 개략도.
도 2는 샘플 장착 배치의 개략도.
도 3은 건강한 피실험자의 피부로부터 획득된 X선 회절 패턴.
도 4는 전립선암을 가진 환자의 피부로부터 획득된 X선 회절 패턴.
도 5는 흑색종을 가진 환자의 피부로부터 획득된 X선 회절 패턴.
도 6은 건강한 피실험자의 네일으로부터 획득된 X선 회절 패턴.
도 7은 BRCA1-비관련 유방암을 가진 환자의 네일으로부터 획득된 X선 회절 패턴.
도 8은 결장암을 가진 환자의 네일으로부터 획득된 X선 회절 패턴.
도 9는 알츠하이머병을 가진 환자의 네일으로부터 획득된 X선 회절 패턴.
섬유 회절은 평행하는 평면들의 규칙적인 어레이 내에 배열된 다수의 섬유들을 포함하는 샘플들을 필요로 한다. 평면들의 개수가 많을수록, 보다 우수한 최종 패턴이 획득될 것이다.
미시적인 레벨에서, 피부는 세 개의 층으로 이루어진다. 이들 중에 진피는 중간층으로서, 피부 두께의 대략 90%를 차지하는, 세 개의 층들 중 가장 두꺼운 층이기도 하다(1.5 내지 4mm). 진피는 신체의 결합 조직에서 발견되는 거칠고 불용해성인, 콜라겐이라 불리는 단백질에 의해 함께 유지된다. 진피의 하단의 망상(reticular) 층은 보다 두꺼우며 피부의 표면에 평행하게 배열된 두꺼운 콜라겐 섬유로 이루어져 섬유 회절되기에 이상적이도록 한다.
해부학상으로 손톱과 발톱은 단단한 α-케라틴으로 이루어지며 손가락과 발가락 내의 살아있는 피부 세포로부터 단단하고 구부러진 판으로서 생성된다. 프리 에지(free edge)는 네일 판 위에서 손가락 또는 발가락을 지나 연장하는 네일의 일부이다. α-케라틴 섬유는 프리 에지에 평행하게 배열된다. 이것은 네일이 회절 작업에 적합하도록 한다.
피부 콜라겐(65.2nm)과 케라틴(46.7nm 및 62.6nm)에서의 기본 반복 거리가 원자 스케일에 있어서 매우 크고 회절 각도가 그에 상당하기 때문에, 우수한 산란 결과를 획득하기 위해서는 로우 앵글(low-angle) X선 회절이 요구된다. 그러나 콜라겐과 케라틴의 기초적인 구조는 이러한 기술을 사용하여 결정된다. 이 패턴들은 조직마다 그리고 샘플마다 뚜렷하게 재생산가능하다. 종양 및 신경 질병에 대해 피부 콜라겐과 네일 케라틴에서 관찰되는 특정한 변화도 명확하게 재생산가능하며 특정한 병에 대해 상당히 분명하게 나타난다.
도 1은 본 발명에 따라 섬유를 분석하는 시스템을 도시한다.
분석용 샘플은 아래에 기술된 바와 같이 준비된다(도 2). 샘플의 분석은 다음과 같다(도 1). 정교하게 포커싱되어 조준된 단색 X선 빔(1)이 샘플(2)로부터 회절되고, 진공화된 플라이트 튜브(4)의 윈도우(3)를 통과하며, 회절된 선들(5)과 같이 플라이트 튜브의 다른 단부에서 윈도우를 통해 탈출하여 검출 디바이스(7)에 도달한다. 빔(1)은 샘플(2) 내에서 중심이 맞추어지며 샘플 내에서 완전히 피팅되기에 충분히 작다.
다이렉트 빔은 매우 강하고 검출기를 손상시킬 수 있다. 따라서 다이렉트 빔은 빔-스톱(beam-stop)(6)에 의해 차단되며, 이것은 훨씬 약한 회절된 빔이 도달하여 이미징 플레이트 또는 검출기(7)에 포커싱되도록 한다. 샘플(2)과 검출 디바이스(이미징 플레이트)(7) 사이의 경로는 대기로부터의 산란에 의한 세기의 손실을 방지하도록 진공화된다.
샘플(2)로부터 이미징 플레이트(7)까지의 거리는 아래에 기술된 바와 같다.
X선 패턴(8)은 Fuji BasⅢ 이미징 플레이트 및 전자 검출기 모두에 기록된 다. 피부와 네일 샘플에 대한 노출 시간은 샘플과 빔-라인에 의존하지만 5초 내지 20분 사이에서 변화한다.
백그라운드 제거는 두 가지 천문학 패키지 IRAF 및 SAO를 사용함으로써 달성되며, MATLAB 및 ProcessFITS의 조합 또는 SAX15ID를 사용하여 확인된다. 자오선형(meridional) 데이터는 브래그 분석(Bragg analysis)을 사용하여 분석되고, 적도형(equatorial) 데이터는 적절한 베셀 함수(Bessel Functions)를 사용하여 분석된다.
샘플들은 아래의 방식으로 준비된다(도 2).
피부의 작은 펀치 조직 생체검사 샘플(9)은 X선 빔에 노출되는 동안 100%의 습도를 유지할 수 있는 세포 내에 봉합(10)에 의해 부착되어 고정된다.
네일(11)의 작은 "정자(crystallite)" 섹션(대략 1×2mm의 크기)이 네일 클립핑(clipping)으로부터 컷팅되어 미소세관(12)의 단부 상에 고정된다. 이러한 미소세관은 홈이 파여진 플레이트 상의 위치에 단단하게 유지된다.
본 발명자는 이렇게 검사된 태아를 제외한 모든 사람(post-partum person)들의 정상 피부 및 네일이 분명하게 반복되는 패턴을 나타내며 이것은 3개월 아기부터 80세의 노인까지의 연령 범위에 걸쳐 약간만 변화함을 발견하였다. 정상 피부에서의 전형적인 싱크로트론 패턴은 도 3에 주어졌으며 정상 네일에 대한 전형적인 싱크로트론 패턴은 도 6에 주어졌다. 자오선형 패턴(수직)은 피부 샘플의 스트레치 방향의 반복적인 콜라겐 나선형 격자로부터 또는 네일 내의 케라틴의 나선형 구조로부터 발생하며, 이 샘플은 빔의 보다 긴 방향으로 고정된다. 적도형 패턴(수평) 은 빔에 수직하는 중간 필라멘트의 원통형 패킹 구조를 반영한다.
추가적인 샘플들의 세트가 포함된다:
1) (a) 전립선암을 가진 것으로 알려진 환자로부터의 피부 생체 검사. 이러한 모든 환자들로부터의 회절 패턴(13)에서 관찰되는 특정한 변화가 도 4에 도시되었다.
(b) 흑색종을 가진 것으로 알려진 환자로부터의 피부 생체 검사. 이러한 모든 환자들로부터의 회절 패턴에서 관찰되는 특정한 변화가 도 5에 도시되었다.
2) (a) 유방암을 가진 것으로 알려진 환자로부터의 손톱 및 발톱. 이러한 모든 환자들로부터의 회절 패턴(14)에서 관찰되는 특정한 변화가 도 7에 도시되었다.
(b) 결장암을 가진 것으로 알려진 환자로부터의 손톱 및 발톱. 이러한 모든 환자들로부터의 회절 패턴에서 관찰되는 특정한 변화가 도 8에 도시되었다.
(c) 알츠하이머병을 가진 것으로 알려진 환자로부터의 손톱 및 발톱. 이러한 모든 환자들로부터의 회절 패턴에서 관찰되는 특정한 변화가 도 9에서 도시되었다.
샘플에서 나타나는 관찰된 변화들은 관련 환자들의 그룹들로부터 획득된다. 전립선암 및 흑색종을 갖는 환자들에 있어서 서로 다른 직경의 고리들로 이루어진 관련 변화들은 피부 콜라겐에 대한 정상 패턴 상에 포개진다. 수용되는 습한 피부의 D-스페이싱(spacing) 65.2±0.5nm에 기초하여, 실제 공간에서의 추가 고리들의 상대적인 스페이싱은 전립선암의 경우에는 4.72±0.05nm이고 흑색종에 있어서는 4.08nm이다.
유방암 및 결장암을 가진 환자에 있어서, 관련 변화는 네일에서의 정상 패턴 상에 겹쳐진 서로 다른 직경의 고리들로 이루어진다. 수용되는 α-케라틴 D-스페이싱 46.7±0.3nm에 기초하여, 이러한 격자의 91번째 순서로부터 획득되고 관련 여분의 고리의 첫번째 순서만을 사용하여, 실제 공간에서의 추가적인 고리들의 상대적인 스페이싱은 유방암의 경우에는 4.71±0.05nm이고 결장암에 있어서는 4.53nm이며 알츠하이머병에 있어서는 추가적인 세기의 적도형 원뿔이 네일에 대한 정상 케라틴 패턴 상에 겹쳐진다.
지금까지 조사된 샘플들의 개수가 총 250개 이상이지만, 결과의 재현성은 우수하다. 이러한 기술의 탄력성과, 싱크로트론 소스를 사용하는 경우 각 샘플을 측정하는 데에 수초만이 소요되고 분석하는 데에는 수 분만이 소요된다는 사실은 이러한 기술이 종양 및 신경 질병의 신속하고 정확한 진단을 위한 매력적인 도구가 될 수 있게 한다.
본 발명이 의학 및 수의학 분야에서, 특히 전립선암, 결장암, 흑생종, 유방암 및 알츠하이머병을 포함하는 종양 및 신경 질병에 대한 피검사자의 경향을 검출하기 위해 노력을 기울이는 분야에서 광범위하게 응용가능함을 인지할 것임이 명백하다.
전술된 실시예들은 단지 본 발명의 원리의 예시일 뿐이며, 다양한 변경 및 변화들이 당업자에게 쉽게 발생할 수 있다. 본 발명은 다양한 방식으로 다른 실시 예로 구현되고 실행될 수 있다. 또한 본 명세서에서 사용된 용어는 설명을 위한 것으로 제한을 두기 위함이 아님을 이해해야 한다.
본 명세서에서 사용된 용어 "포함하는" 및 "포함하고" 또는 "포함하며"와 같은 이 용어의 변형은 언급된 대상 또는 언급된 대상들의 포함을 나타내기 위한 것이지만, 문맥에서 용어의 한정적인 해석이 요구되지 않는 한 그외의 대상 또는 그외의 대상들을 제외하는 것은 아니다.
본 명세서에서 인용되는 공개문서에 대한 참조는 본 명세서가 호주에서 일반적인 지식을 구성하는 것으로 인정하는 것은 아니다.
Claims (9)
- 피검사자의 종양 질병 또는 신경 질병을 검출하는 방법으로서,상기 피검사자의 생물학적 물질을 섬유 X선 회절(fibre X-ray diffraction)에 노출시키는 단계와,상기 생물학적 물질의 초미세구조(ultrastructure)에서의 변화를 검출하는 단계를 포함하되,상기 생물학적 물질은 피부 또는 네일 샘플이고,상기 생물학적 물질이 피부 샘플인 경우에 상기 종양 질병은 BRAC1-관련 유방암이 아닌,질병 검출 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 X선은 5keV 내지 25keV의 에너지와 0.06nm 내지 0.20nm의 파장을 갖는 X선 소스로부터 파생되는질병 검출 방법.
- 제 2 항에 있어서,상기 소스는 로우-앵글 싱크로트론 장치(a low-angle synchrotron facility)인질병 검출 방법.
- 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 생물학적 물질이 피부 샘플이고 상기 종양 질병은 전립선암 또는 BRCA1-비관련 유방암인질병 검출 방법.
- 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 생물학적 물질이 네일 샘플이고 상기 종양 질병은 유방암 또는 결장암인질병 검출 방법.
- 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 생물학적 물질이 네일 샘플이고 상기 신경 질병은 알츠하이머병인질병 검출 방법.
- 제 1 항의 방법에서 사용되는 장치로서,X선 빔을 생성하는 X선 소스와,생물학적 샘플을 상기 빔 내에 위치시키는 샘플 스테이지와,상기 X선 빔의 산란을 검출하는 검출기와,상기 검출기에 결합되어 상기 검출기의 출력을 디스플레이하는 디스플레이 수단을 포함하되,상기 디스플레이 수단에 의해, 상기 질병의 존재와 관련되는 상기 출력의 패턴이 분석을 위해 디스플레이되는질병 검출 장치.
- 제 7 항에 있어서,상기 X선은 5keV 내지 25keV의 에너지와 0.06nm 내지 0.20nm의 파장을 갖는 단색(monochromatic) X선 소스로부터 파생되는질병 검출 장치.
- 제 8 항에 있어서,상기 소스는 로우-앵글 싱크로트론 장치인질병 검출 장치.
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