에폭시 수지를 사용한 미세유체장치의 제작에 관한 연구

이제석 금오공과대학교 대학원 2023 국내석사

Polydimethylsiloxane(PDMS)은 유연성, 공기 투과성, 광학적 투명도 등의 특성으로 인해 실험실에서 미세유체장치를 제작하는 데 일반적으로 사용되는 재료로, 반복적으로 빠른 미세유체장치의 제조를 가능하게 한다. 하지만 PDMS로 제작된 미세유체장치는 압력에 의해 쉽게 변형되어 실험의 신뢰성에 영향을 줄 수 있다. 또한 PDMS의 공기 투과성은 물을 증발시키고, 이것의 다공성 구조는 기름과 소수성 분자를 흡수하기 때문에 화학적 내성이 필요하거나 장시간 지속되는 실험에는 적합하지 않다. 본 연구에서는 PDMS로 제작된 미세유체장치의 단점들을 극복하기 위해 에폭시 수지를 사용하여 미세유체장치의 신속하며 반복하여 제작이 가능한 공정을 제시한다. 에폭시 수지는 PDMS와 비교해 구조적, 화학적으로 견고하며 PDMS로 제작된 마스터 몰드를 사용하여 에폭시 수지의 주조를 통한 고해상도의 복제품 제작에 사용할 수 있다. 에폭시 수지로 제작된 미세유체장치의 기계적 강도는 형광 입자 추적을 사용하여 최대 133 μL/min의 다양한 유량 구간에서 PDMS 미세유체장치와의 비교를 통해 입증하였다. 그리고 형광 물질의 흡착과 공기 투과성으로 인한 용액의 증발을 비교함으로써 에폭시 수지로 제작된 미세유체장치의 우수한 내화학성과 장시간 이어지는 실험에의 적합성을 보여준다. 본 연구에서 제작한 에폭시 수지 기반 미세유체장치는 물리적/화학적 미세유체실험을 용이하게 하고 중합효소 연쇄반응(Polymerase Chain Reaction), 혐기성 세균 배양 등 물리적 또는 화학적으로 까다로운 환경을 요구하는 다양한 응용 분야에 적용할 수 있을 것으로 기대한다. Polydimethylsiloxane (PDMS) is a commonly used material for fabrication of microfluidic devices in laboratories due to its advantageous properties such as flexibility, air permeability, and optical transparency, which enable fast prototyping. However, PDMS microfluidic devices can easily deform under pressures, affecting the reliability of experiments. Additionally, air permeability of PDMS causes water to evaporate and its porous structure absorbs oil and hydrophobic molecules, making it unsuitable for chemically demanding and long-duration experiments. In this study, a rapid and repeatable fabrication method for epoxy-based microfluidic devices is developed to overcome the limitations of PDMS microfluidic devices. The epoxy-based microfluidic device is structurally and chemically robust and optimized for high-resolution fabrication through epoxy casting using PDMS master molds. The structural robustness of the epoxy-based device is demonstrated by comparing the velocity changes in PDMS microchannels under various flows (~133 μL/min) using fluorescent particles. The excellent chemical resistance of the epoxy-based device and its suitability for long-duration experiments are shown by comparing the adsorption of fluorescent solution and the pervaporation caused by air permeability. The epoxy-based device has the potential to facilitate lab-on-chip research and enable various applications such as polymerase chain reaction, anaerobic bacterial culture that require physically or chemically demanding experiments.

미세유체장치를 이용한 pH 와 온도에 감응하는 하이드로젤 마이크로파이버 및 마이크로튜브 제조와 응용에 대한 연구

김동완 동아대학교 대학원 2018 국내석사

In this study, we prepared pH and temperature stimuli responsive hydrogel microfibers and microtubes based on alginate templating method using microfluidic device and photo-polymerization. The hydrogel monomer solution consisted of N-isopropylacrylamide (NIPAm) incorporated with sodium acrylate (SA) or allyl amine (AA) were irradiated with UV light for in situ photo-polymerization. The incorporation of the SA or AA in monomer solution is for pH responsiveness induced by repulsion force through ionization of pendent group. Repulsion force in polymer chains caused by protonation or deprotonation of amine group or acrylate group induce the change of diameter and wall thickness depending on the pH of medium. PNIPAm is well known as thermal responsive polymer, so NIPAm based copolymer microfiber also showed the thermal behavior near to the lowed critical solution temperature. Volume changes for prepared microfibers and microtubes were observed by adjusting the pH or temperature of the medium. We demonstrate these multi-stimuli responsive volume changes are fully reversible and repeatable. The positive charged microfibers were used to cell attachment and we demonstrate our microfibers promoted the cell adhesion ability, which means the possibility for tissue engineering or other biomedical fields. Furthermore, we could fabricate the bilayer microtubes with developed 3 channels microfluidic devices and confirm the thermal behavior using obtained CLSM images depending on temperature. We also found that positive charged microfibers, among these copolymer microfibers, promote the attachment of cell due to negative charge of cell membrane. 본 연구에서는 미세유체장치와 광중합을 온도와 pH 에 감응하는 알지네이트 주형 기반의 섬유형태 하이드로젤을 제조를 진행하였다. 이소프로필아크릴아마이드에 아크릴산 나트륨 혹은 알릴 아민이 혼합시킨 하이드로젤 단량체 용액은 자외선 빛을 지나면서 실시간으로 광중합된다. 아크릴산 나트륨 혹은 알릴 아민 단량체는 팬던트 그룹의 이온화를 통해 유도되는 pH 감응 특성을 부여하기 위해 공중합되었다. 아크릴레이트 혹은 아민그룹의 양성자화 또는 탈양성자화에 의해 유도되는 반발력은 하이드로젤이 담긴 용매의 pH 에 따라 하이드로젤의 직경과 외벽 두께의 변화를 유도한다. 폴리(이소프로필아크릴아마이드)는 대표적인 온도감응성 고분자이기에 이소프로필아크릴아마이드 기반의 공중합체 역시 아래 임계 용해 온도 근처에서 유사한 열적거동을 보인다. 본 연구에서는 제조된 공중합체 하이드로젤의 부피변화는 용매의 pH 혹은 온도 조절함으로써 관찰되었다, 또한 반복실험을 통하여 다양한 감응성의 부피변화가 완전히 가역적이고 반복적으로 나타나는 것을 확인했다. 더 나아가 기존의 2개의 미세소관을 포함하는 미세유체 장치를 응용하여 3개의 미세소관을 포함하는 미세유체장치를 만들어 이중층 마이크로튜브를 제조하였고 이의 자세한 구조와 열적거동을 공초점 현미경을 이용하여 확인하였다. 또한 공중합체 하이드로젤 중, 양전하를 가지는 마이크로파이버는 세포의 외벽이 음전하를 가지고 있다는 점을 이용하여 세포 부착 능력 향상에 이용할 수 있음을 확인하였다

미세유체장치를 이용한 동적 세포 배양 시스템의 제작 및 응용

김정아 경북대학교 대학원 2017 국내석사

Cell culture in microfluidic device has been developed similar to the cells in conventional cell culture such as 3D microenvironments, various systems providing sample. One of certain things is that dynamic culture system can continuously supply media before nutrient is depleted. We applied the dynamic culture system by effective virus infection using SU-8 mold and UV-curable plastic mold. Virus infection is an important process to specialize as iPSCs (Induced pluripotent stem cells). Conventional cell culture method supply nutrient and virus on cells by slow diffusion effect in petri dish. Dynamic culture system growth rate resemble with conventional cell culture method to continuously provide media. Also, viruses can be spread more effectively in wide space. We worked on imitation experiment that resemble with process to differentiate iPSC. The experiment was preceded using NIH/3T3 cell and enhanced green fluorescent protein (EGFP) virus. We demonstrated that virus infection efficiency of a dynamic culture system increased to 430% as compared to conventional virus infection method. Based on this study, the proposed system will be useful tool especially in virus infection field.

Study on the Separation of fetal nucleated red blood cells for non-invasive prenatal diagnosis

변영제 인제대학교 일반대학원 2015 국내박사

A Poly(dimethylsiloxane) Microfluidic Channel Coated with Poly-p-xylylene for Nanocrystal Growth Applications : 나노입자 성장을 위한 Poly-p-xylylene이 코팅된 Poly(dimethylsiloxane) 미세유체 장치

임희진 DGIST 2014 국내석사

Applications of microfluidic device fabricated in poly(dimethylsiloxane) (PDMS) have been limited to water-based analysis rather than nonpolar solvent based chemistry due to PDMS swelling problem occurring by absorption of the solvents. The absorption and swelling causes PDMS channel deformation in shape and changes the cross sectional area, making it difficult to control the flow rate and concentrations of solution in PDMS microfluidic channels. We propose that poly-p-xylylene polymers (parylenes) were chemical vapor deposited on the surfaces of PDMS channels to alleviate the effect of solvents on the absorption and swelling. The parylene coated surface sustains 3hours with a small volumetric change (less than 22% of PDMS swelling ratio). By generating an air-nonpolar solvent interface based on droplets in PDMS channel, we confirmed poly-p-xylylene coated PDMS microfluidic channels have the potential to be applicable to nanocrystal growth using nonpolar solvents. Poly(dimethylsiloxane) (PDMS)로 만들어진 미세유체 장치는 무극성용매가 PDMS 내부에 흡수되어 PDMS의 부피를 팽창시키는 성질 때문에 무극성용매를 사용하는 화학분야에 적용이 어렵다. 이러한 PDMS의 흡수와 팽창하는 특성은 PDMS 미세유체 장치의 내부변형과 단면적의 변화를 일으켜서, PDMS 미세유체 장치 내에서의 유체 제어와 용액의 농도 조절을 어렵게 한다. 우리는 무극성용매에 의해 발생하는 PDMS의 흡수하고 팽창하는 정도를 감소시키기 위해 비다공성 성질을 가진 poly-p-xylylene (parylene)을 증기 화학 증착법으로 코팅한 PDMS 미세유체 장치를 제안한다. Parylene이 코팅된 PDMS 표면은 무극성용매인 톨루엔 환경내에서 낮은 부피 변화(코팅이 되지 않은 PDMS의 팽창률 보다 22% 낮음)로 약 3시간동안 본래의 형태를 유지한다. PDMS 미세 유체 채널 내에 방울 기반의 공기-무극성용매 계면을 발생시킴으로써, poly-p-xylylene이 코팅된 PDMS 미세 유체 장치가 무극성용매를 사용하는 나노입자 성장 분야에 응용 가능성을 보여준다.

관성집중과 음파영동에 기반한 하이브리드 미세유체 장치를 이용한 혈구 및 미세조류 분리에 관한 연구

김의환 서울과학기술대학교 2023 국내석사

본 연구에서는 관성집중과 음파영동을 이용하여 혈구 및 미세조류를 분리하였다. 분리에 사용된 하이브리드 미세유체 장치는 실리콘 기반의 음파영동 디바이스 위에 관성집중을 위한 PDMS (Polydimethyl Siloxane)채널을 O2 플라즈마 본딩하여 하나의 마이크로 유체 장치로 통합하였다. PDMS 채널은 단면 형상이 직사각형인 구불구불한 (serpentine)구조로 되어 있으며, 관성력을 유도하여 입자 및 세포를 사전 정렬하는 방식으로 동작한다. 사전 정렬 과정을 거친 후, 연결된 음파영동 디바이스에서는 음향 방사력을 통해 입자를 크기별로 분리하였다. 관성집중 디바이스와 음파영동 디바이스가 통합된 하이브리드 미세유체 장치는 단일 모듈만을 사용한 경우보다 고효율, 고순도의 입자분리를 가능하게 하였다. 또한 하이브리드 미세유체 장치는 세포 처리 능력뿐 아니라 다양한 시료에도 적용 가능하다는 장점을 가진다. 위에서 바라본 구불구불한 모양의 관성집중 디바이스에서는 입자들이 채널 중심으로 두 줄로 집중되었다. 이후 음파영동 디바이스를 지나면서 음향 방사력에 의해 입자들이 채널 중앙으로 집중되는데 크기가 작아 충분한 음향 방사력을 받지 못한 입자는 채널의 측면으로 배출되어 크기별 분리를 가능하게 하였다. 또한 혈구와 미세조류에도 적용하여 분리에 성공하였다. 고속카메라를 통해 세포들을 측정하여 분석한 결과 recovery ratio (≥96.3%), separation efficiency (≥99%), high volume rate (>100 µl/min)로 우수한 분리 성능을 보이는 것으로 확인되었다. 간단한 MEMS (Micro Electro Mechanical Systems)공정을 통해 적은 비용으로 장치를 제작하였고, 줄어든 샘플 소비량, 높은 처리량 및 다양한 세포에 적용 가능한 장점을 바탕으로 향후 연구에서 여러 세포 분리에 적용 가능할 것으로 예상되었다. In this paper, I proposed an integrated microfluidic device that could demonstrate the non‐contact, label‐free separation of particles and cells through the combination of inertial microfluidics and acoustophoresis. The proposed device integrated two microfluidic chips which were a PDMS (Polydimethyl Siloxane) channel chip on top of the silicon‐based acoustofluidic chip. The PDMS chip worked by pre-focusing the particles/cells through inducing the inertial force of the channel structure. The connected acoustofluidic chips separated particles based on their size through an acoustic radiation force. In the serpentine‐shaped PDMS chip, particles formed two lines focusing in the channel, and a trifugal‐shaped acoustofluidic chip displaced and separated particles, in which larger particles focused on the central channel and smaller ones moved to the side channels. The simultaneous fluidic works allowed high‐efficiency particle separation. Using this novel acoustofluidic device with an inertial microchannel, the separation of particles and cells based on their size was presented and analyzed, and the efficiency of the device was shown. The device demonstrated excellent separation performance with a high recovery ratio (up to 96.3%), separation efficiency (up to 99%), and high volume rate (>100 µL/min). The results showed that integrated devices could be a viable alternative to current cell separation based on their low cost, reduced sample consumption and high throughput capability.

Autonomous astable and monostable microfluidic system for periodic sequential flows : The applications for dynamic cell-nucleus staining, robot-arm actuation, and layer-by-layer assembly

리정림 건국대학교 대학원 2021 국내박사

Control of sequential periodic flows of multiple solutions is invaluable in various science applications, but it needs expensive and complex external dynamic off-chip controllers. Here, we present microfluidic systems that autonomously generate periodic sequential flows without any external dynamic off-chip controllers or user instructions. The systems have astable and monostable actuators that imitate analog electronic circuit functions. Driven by constant water head pressures of the multiple solutions, such systems create periodic sequential flows in a sophisticated and predetermined manner. We validate our technology with applications that have been previously addressed only by external dynamic off-chip controllers: (1) dynamic staining of cell nuclei, (2) playing of a touchscreen piano, and (3) antireflection coating by layer-by-layer assembly. Especially, desirable process of layerby- layer assembly needs not only fast coating, but also a fully automated method with a simple system. We create an autonomous microfluidic device that generates periodic sequential outflows with four solutions consisting of positively charged TiO2 nanoparticle dispersion, and negatively charged SiO2 nanoparticle dispersion, and two washing solutions. Multiple units are integrated in parallel to allow periodic and sequential transfer of the four solutions to each chamber with different timings (0.6, 1, 2, 4 min) and shear stresses (0.7, 2, 6, 15 dyn/cm2), thereby TiO2 and SiO2 nanoparticle coated films can be created under various coating conditions. We show the transmittance, thickness and composition analysis of the coated films. The coated films have anti reflection properties, and the maximum transmittance of the coated films is ~98 %. Compare to the traditional immersive coating, the coating time of flow coating using the device is 15 times faster than that of immersive coating. This high-throughput coating methods are effective in finding optimized coating conditions. Our approaches with the autonomous microfluidic system provide a useful and effective lternative to external dynamic off-chip controllers 여러 용액의 순차적 및 주기적 유체 흐름을 제어는 다양한 과학응용분야에서 매우 중요하게 사용된다. 하지만 순차/주기적 흐름을 제어하기 위해서는 사용이 복잡하고 가격이 비싼 외부 동적 오프 칩 컨트롤러가 필요하다. 본 연구에서는 외부동적 오프 칩 컨트롤러 없이도 자율적으로 순차적 및 주기적 유체흐름을 생성하는 미세유체 시스템을 개발하였다. 이 시스템을 아날로그 전자회로의 기능을 모사하였으며 비안정과 단안정 진동자로 구성된다. 여러가지 유체로 구성된 일정한 수두 압력을 시스템에 인가하면 시스템은 미리 정해진 방식으로 정교하게 순차적 및 주기적 흐름을 생성한다. 우리는 이러한 시스템을 사용하여 세포핵의 동적 염색 및 터치 스크린 피아노를 연주하는 로봇을 개발하였다. 또한 층별 조립공정을 이용하여 광투과성을 증가시키는 최적조건을 빠르게 찾는 방법을 개발하였다. 이를 위해 양전하를 띤 TiO2와 음전하를 띤 SiO2의 분산액 및 두개의 세척 용액을 주기/순차적으로 흘려보낼수 있는 미세유체 디바이스를 만들었다. 디바이스는 하나의 단안정, 두개의 비안정 및 두개의 밸브 시스템으로 구성되고 디바이스와 챔버는 튜브를 통해 연결되었다. 즉, 여러 디바이스를 병렬로 연결하면 병렬로 연결된 디바이스는 여러가지 조건으로 4개의 용액을 순차적 및 주기적으로 챔버에 흘려보낼 수 있으며 다양한 조건에서 필름을 코팅할 수 있다. 코팅된 필름은 반사방지 기능이 있고 최대 투과율은 98 % 에 이른다. 전통적인 층별조립공정과 비교할때 디바이스를 사용한 코팅시간은 전통적인 방법보다 15배나 빠르다. 디바이스를 사용한 고 처리량 코팅 방법은 최적화된 코팅조건을 찾는데 매우 효과 적이다.

수두 펌프와 세포 배양 시스템 응용에 관한 연구

김창익 건국대학교 대학원 2017 국내석사

수두 펌프 (Water head pump, WHP) 시스템과 실린지 펌프 (Syringe pump, SP) 시스템을 유량의 흔들림, 조절성, 동적 반응성 측면에서의 성능을 비교하였다. 미세 유체 시스템에서 정상 상태와 천이 반응에서의 유량에 대한 WHP의 특성이 구체적으로 특정지어지지 않았기 때문에 간편함에도 불구하고 미세 유체의 조절에 WHP 시스템이 SP 시스템보다 널리 사용되어지지 못했다. WHP 시스템이 SP 시스템보다 유량의 진동성 면에서 적어도 10배 이상 작다는 것과 그 두 시스템이 1nL min-1 에서 1mL min-1 까지 대등한 유량 조절성을 갖는다는 것을 보였다. 그리고 WHP 시스템의 압력 증가 시간이 SP 시스템보다 10배 이상 빠르다는 것을 확인하였다. 모델 활용 실험에서 WHP 시스템으로 안정적이고 집중된 흐름이 된 hydrodynamic focusing과 고속 유동 변환을 수행하였다. 현미경 아래에서 미세 소자에 WHP로 배양액을 지속적이고 안정적으로 공급하는 세포 배양 시스템을 구성하였다. WHP 시스템은 간편한 실험 구성으로 SP에 비해서 보다 정확하고, 안정적이며, 빠른 유량 조절이 가능하여 폭넓게 사용되어질 수 있다. In this study, we compared the performance of the water-head pump (WHP) system and the syringe pump (SP) system in terms of flow fluctuation, controllability, and dynamic reactivity. The WHP system has not been widely used for the control of microfluidics in spite of its simplicity because the characteristics of WHP for the steady state and the flow rate in the microfluidic system are not concretely specified. It is shown that the WHP system is at least 10 times smaller in flow rate than the SP system and that the two systems have equal flow control from 1 nL min-1 to 1 mL min-1. And we confirmed that the pressure increase time of WHP system is 10 times faster than SP system. In the model application experiment, we performed stable and focused flow of hydrodynamic focusing and high speed flow switching to the WHP system. Under the microscope, a cell culture system was constructed to continuously and stably supply the culture medium to the fine elements with WHP. The WHP system can be widely used because it is more accurate, stable, and quicker to control the flow rate than the SP in a simple experiment configuration.

Imaging mRNA in live neurons and animals

이병훈 서울대학교 대학원 2021 국내박사

mRNA is the first product of the gene expression and facilitates the protein synthesis. Especially in neurons, some RNAs are transcribed in response to stimuli and transported to the specific region, altering local proteome for neurons to function normally. Recent advances of mRNA labeling techniques allowed us to observe the single mRNAs in live cells. In this thesis, we applied RNA imaging technique not only to identify the neuronal ensemble that activated during memory formation and retrieval, but also to traffic mRNAs transported to the axon. In the first part of the thesis, we observed the transcription site of Arc gene, one of the immediate-early gene, which is rapidly transcribed upon the neural stimuli. Because of the characteristic of expressing in response to stimuli, Arc is widely used as a marker for memory trace cells thought to store memories. However, little is known about the ensemble dynamics of these cells because it has been challenging to observe them repeatedly over long periods of time in vivo. To overcome this limitation, we present a genetically-encoded RNA indicator (GERI) technique for intravital chronic imaging of endogenous Arc mRNA. We used our GERI to identify Arc-positive neurons in real time without the time lag associated with reporter protein expression in conventional approaches. We found that Arc-positive neuronal populations rapidly turned over within two days in CA1, whereas ~4% of neurons in the retrosplenial cortex consistently expressed Arc upon contextual fear conditioning and repeated memory retrievals. Dual imaging of GERI and calcium indicator in CA1 of mice navigating a virtual reality environment revealed that only the overlapping population of neurons expressing Arc during encoding and retrieval exhibited relatively high calcium activity in a context-specific manner. This in vivo RNA imaging approach has potential to unravel the dynamics of engram cells underlying various learning and memory processes. In the second part of this thesis, we imaged β-actin mRNAs, which can generate a cytoskeletal protein, β-actin, through translation. Local protein synthesis has a critical role in axonal guidance and regeneration. Yet it is not clearly understood how the mRNA localization is regulated in axons. To address these questions, we investigated mRNA motion in live axons using a transgenic mouse that expresses fluorescently labeled endogenous β-actin mRNA. By culturing hippocampal neurons in a microfluidic device that allows separation of axons from dendrites, we performed single particle tracking of β-actin mRNA selectively in axons. Although axonal mRNAs need to travel a long distance, we observed that most axonal mRNAs show much less directed motion than dendritic mRNAs. We found that β-actin mRNAs frequently localize at the neck of filopodia which can grow as axon collateral branches and at varicosities where synapses typically occur. Since both filopodia and varicosities are known as actin-rich areas, we investigated the dynamics of actin filaments and β-actin mRNAs simultaneously by using high-speed dual-color imaging. We found that axonal mRNAs colocalize with actin filaments and show sub-diffusive motion within the actin-rich regions. The novel findings on the dynamics of β-actin mRNA will shed important light on the biophysical mechanisms of mRNA transport and localization in axons. mRNA는 유전자 발현의 첫번째 산물이면서, 리보솜과 함께 단백질을 합성한다. 특히 뉴런에서, 몇몇 RNA들은 자극에 의해 만들어지고, 뉴런의 특정 부분으로 수송되어 국소적으로 단백질 양을 조절할 수 있게 한다. 최근 mRNA 표지 기술의 발전으로 살아있는 세포에서 단일 mRNA를 관찰하는 것이 가능해졌다. 이 연구에서, 우리는 RNA 이미징 기술을 이용해, 기억 형성과 상기할 때 활성화된 뉴런의 집합을 찾는 것 뿐 아니라, 뉴런의 축삭돌기에서 mRNA가 어떻게 수송되는지를 관찰했다. 이 논문의 첫 부분에서 우리는 신경 자극에 반응해서 만들어지는 것으로 알려진, Arc 유전자의 전사를 관찰하였다. 기억은 engram 혹은 기억 흔적 (memory trace)라고 불리는 뉴런들의 집합에 저장되어 있다고 생각된다. 그러나, 시간에 따라서 이런 기억 흔적세포들의 집합이 어떻게 변하고, 변화하면서도 어떻게 정보를 유지할 수 있는지 잘 알려져 있지 않다. 또한, 살아있는 동물에서, 기억 흔적세포를 긴 시간 동안 여러 번 찾아내는 것은 어려운 일이었다. 이 연구에서는 genetically-encoded RNA indicator (GERI) 기술을 사용해, 기억 흔적세포의 표식으로 널리 사용되는 Arc mRNA의 전사과정을 살아있는 쥐에서 관찰하였다. GERI를 이용함으로써, 기존 방법들의 한계점이었던 시간 제약 없이, 실시간으로 Arc를 발현하는 뉴런들을 찾아낼 수 있었다. 쥐에게 공간 공포 기억을 주고 나서 여러 번 기억을 상기시키는 행동실험 후에 Arc를 발현하는 세포를 식별했을 때, CA1에서는 Arc를 발현하는 세포가 이틀 후에는 더 이상 활성화되지 않았으나, RSC의 경우 4퍼센트의 뉴런들이 계속해서 활성화하는 것을 관찰했다. 신경활동과 유전자 발현을 같이 조사하기 위해, 쥐가 가상 환경을 탐험하고 있을 때 GERI와 칼슘 이미징을 동시에 진행하였다. 그 결과, 기억을 형성할 때와 상기시킬 때 Arc를 발현했던 뉴런들이 기억을 표상하는 것을 알아낼 수 있었다. 이처럼 GERI 기술을 이용해 살아있는 동물에서 유전자 발현된 세포를 찾아내는 방식은 다양한 학습 및 기억 과정에서 기억 흔적세포의 dynamics에 대해 알아낼 수 있을 것으로 기대된다. 이 논문의 두번째 부분에서, 우리는 세포 골격의 기본 구성 단위가 되는 β-actin의 mRNA를 축삭돌기에서 관찰하였다. mRNA의 국소화 (localization)를 통한 국소 단백질 합성은 축삭돌기 (axon)의 성장과 재생에 중요한 역할이 있다고 알려져 있다. 하지만, 아직 mRNA의 국소화가 축삭돌기에서 어떻게 조절되고 있는지 잘 알려져 있지 않다. 이 문제를 해결하기 위해서, 우리는 모든 β-actin mRNA가 형광으로 표지된 유전자 변형 쥐를 이용해, 살아있는 축삭돌기에서 β-actin mRNA를 관찰하였다. 이 쥐의 뉴런을 축삭을 구분해 줄 수 있는 미세유체 장치 (microfluidic device)에 배양한 뒤에, β-actin mRNA를 관찰하고 추적을 진행했다. 축삭은 세포 몸통으로부터 길게 자라기 때문에 mRNA가 먼 거리를 수송되어야 함에도 불구하고, 대부분의 mRNA가 수상돌기에 비해 덜 움직이고 작은 영역에서 움직이는 것을 보았다. 우리는 β-actin mRNA가 주로 축삭돌기의 가지가 될 수 있는 filopodia 근처와, 시냅스가 만들어지는 bouton 근처에 국소화되는 것을 관찰했다. Filopodia와 bouton이 actin이 풍부한 부분으로 알려져 있기 때문에, 우리는 액틴 필라멘트와 β-actin mRNA의 움직임간에 연관성을 조사했다. 흥미롭게도, 우리는 β-actin mRNA가 액틴 필라멘트와 같이 국소화 되고, β-actin mRNA가 액틴 필라멘트 안에서 sub-diffusive한 움직임을 보였으며, 먼 거리를 움직이던 mRNA도 액틴 필라멘트에 고정되는 모습도 확인할 수 있었다. 축삭에서 β-actin mRNA 움직임을 본 이번 관찰은 mRNA 수송 및 국소화에 대한 생물물리학 적 메커니즘의 기반이 될 수 있을 것이다.

(A) Microfluidic platform for investigating angiogenesis

Hu, Qing Ping 서울대학교 대학원 2010 국내석사