마이크로빔
Microbeam마이크로 빔(microbeam)은 마이크로미터 또는 서브마이크로미터 크기의 좁은 방사선 빔이다.마이크로 빔은 통합된 영상 기법과 함께 정밀하게 정의된 양의 손상이 정밀하게 정의된 위치에서 도입될 수 있도록 한다.따라서 마이크로빔은 손상 신호 전달의 세포간 메커니즘과 내부 메커니즘을 연구하기 위한 도구다.
오른쪽에는 마이크로빔 작동의 개략도가 보인다.기본적으로 자동화된 영상 시스템은 사용자 지정 대상을 위치시키고, 이러한 대상들은 고도로 집중된 방사선 빔으로 순차적으로 조사된다.대상은 단일 세포, 하위 세포 위치 또는 3D 조직의 정확한 위치일 수 있다.마이크로빔의 주요 특징은 처리량, 정밀도, 정확성이다.시스템은 대상 지역을 조사하면서 인접한 위치에 에너지가 축적되지 않도록 보장해야 한다.
역사
최초의 마이크로빔 시설은 90년대 중반에 개발되었다.이러한 시설들은 광폭 노출을 이용한 방사선 생물학적 과정을 연구하는데 있어 어려움에 대한 대응이었다.마이크로 빔은 원래 다음과 같은 두 가지 주요 문제를 다루기 위해 설계되었다.[1]
- 핵의 방사선 감수성이 균일하지 않다는 믿음, 그리고
- 저선량 위험 평가를 위해 정확한 수의 입자(특히 1개)로 개별 셀을 타격할 수 있어야 한다.
또한, 마이크로 빔은 방사선 반응의 메커니즘을 조사하는데 이상적인 차량으로 여겨졌다.
세포의 방사선 민감도
당시 세포에 대한 방사선 손상은 전적으로 DNA 손상의 결과라고 믿어졌다.충전된 입자 마이크로빔은 핵의 방사선 감도를 탐사할 수 있는데, 당시 핵은 균일하게 민감하지 않은 것으로 보였다.마이크로빔 시설에서 행해진 실험은 그 이후 방관자 효과가 있음을 보여 주었다.방관자 효과는 방사선 통과를 경험하지 않은 세포나 조직의 방사선에 대한 생물학적 반응이다.이 "방관자" 세포들은 횡단을 경험한 세포들의 이웃이다.방관자 효과의 메커니즘은 셀 대 셀 통신에 기인한다고 여겨진다.이 소통의 정확한 성격은 많은 집단에 대한 활발한 연구 영역이다.
정확한 입자 수로 조사
환경 방사선 피폭과 관련된 낮은 선량의 경우, 개별 세포는 전리화 입자에 의한 통과를 거의 경험하지 않으며, 한 번 이상의 통과를 거의 경험하지 못한다.예를 들어 국내 라돈 피폭의 경우, 암 위험 추정에는 우라늄 광부들에 대한 역학 연구가 포함된다.이 광부들은 라돈 가스를 들이마시는데, 그 다음 방사성 붕괴를 겪으며 알파 입자를 방출한다. 이 알파 입자는 기관지 상피의 세포를 통과하여 암을 유발할 가능성이 있다.이러한 광부들의 평균 수명 라돈 피폭은 암 위험 추정치가 목표 기관지 세포가 다중 알파 입자 통과를 받는 개인에 대한 데이터에 의해 주도될 정도로 충분히 높다.한편, 일반 주택 점유자의 경우, 대상 기관지 세포 2,500개 중 약 1개가 한 개의 알파 입자에 매년 노출되지만, 이들 세포 중 10개7 중 1개 미만이 한 개 이상의 입자에 의한 통과를 경험하게 된다.따라서 광부로부터 환경 피폭까지 추론하기 위해서는 복수의 트래버설의 영향에서 입자의 단일 트래버설의 영향까지 추론할 수 있어야 한다.
입자 트랙의 무작위 분포로 인해 정확한 입자 수(특히 1개)의 생물학적 효과는 기존의 넓은 빔 피폭을 사용하여 실험실에서 실질적으로 시뮬레이션할 수 없다.마이크로빔 기법은 세포핵당 정확한 수의 입자(하나 이상의 입자)를 전달함으로써 이러한 한계를 극복할 수 있다.실제 단일 입자 조사에서는 다중 통과에 대해 정확히 하나의 알파 입자 통과 효과를 측정할 수 있어야 한다.그러한 시스템을 인공적인 변환과 같은 저주파 프로세스에 적용하는 것은 관련 기술에 매우 많이 의존한다.시간당 최소 5,000개의 조사율로 10개의 수율을−4 가진 실험이 실질적으로 이루어질 수 있다.따라서, 높은 처리량은 마이크로빔 시스템에 바람직한 품질이다.
전하입자 마이크로빔
최초의 마이크로빔 시설은 전하를 띤 입자를 전달하였다.충전된 입자 마이크로빔 시설은 다음 기본 요건을 충족해야 한다.[2]
- 빔 스폿 크기는 셀룰러 또는 하위 셀 치수에 해당하는 몇 마이크로미터 이하의 순서로 되어야 한다.
- 살아있는 세포의 조사는 대기압에서 이루어져야 한다.
- 빔 전류는 표적이 재현성이 높은 정확한 수의 입자로 조사될 수 있는 수준으로 감소해야 한다.
- 세포 표적을 시각화하고 등록하기 위해서는 영상 시스템이 필요하다.
- 셀 위치설정은 이온빔이 높은 정확도와 정밀도로 표적에 맞도록 공간 분해능과 재현성이 높아야 한다.
- 고효율 입자 검출기는 대상당 입자 수를 세고 원하는 입자 수가 전달된 후에는 빔을 꺼야 한다.
- 세포에 대한 환경 조건(예를 들어 습도)은 세포가 스트레스를 거의 받지 않거나 전혀 받지 않도록 유지되어야 한다.
빔 스폿 크기
직경이 약 2마이크로미터까지 내려간 빔 스팟은 핀홀 구멍이나 끌어낸 모세관 등으로 빔을 시준하여 얻을 수 있다.정전기 또는 마그네틱 렌즈의 다양한 조합을 사용하여 빔을 집중시킴으로써 서브 마이크로미터 빔 스폿 크기를 달성했다.현재 두 가지 방법이 모두 사용되고 있다.
진공창
살아있는 세포에 미세 빔 실험을 하기 위해서는 진공 창문이 필요하다.일반적으로 이 작업은 몇 마이크로미터 두께 또는 100-500nm 두께의 실리콘 질화합물의 진공 밀폐 창을 사용하여 수행된다.
셀 등록 및 위치 지정
세포는 높은 정확도로 식별되고 표적이 되어야 한다.이것은 세포 점착 및 형광 현미경을 사용하거나 정량적 위상 현미경 또는 위상 대비 현미경과 같은 기법을 사용하여 얼룩 없이 수행할 수 있다.궁극적으로 목표는 세포를 인식하고 목표물을 정해 가능한 한 빨리 조사하기 위해 제자리에 옮기는 것이다.시간당 최대 1만5000셀의 처리량이 달성됐다.
입자 계수기
입자는 특정 수의 이온이 단일 셀로 전달되도록 하기 위해 높은 검출 효율로 계수해야 한다.일반적으로 검출기는 조사 대상의 앞이나 뒤에 배치할 수 있다.검출기가 대상 다음에 배치되는 경우 빔은 대상을 통과하여 검출기에 도달할 수 있는 충분한 에너지를 가져야 한다.검출기가 대상보다 먼저 배치되는 경우 검출기는 빔에 최소한의 영향을 주어야 한다.원하는 수의 입자가 감지되면 빔이 꺾이거나 차단된다.
기타 고려사항
살아있는 세포는 세포에 스트레스를 주지 않는 조건에서 유지되어야 하며 원치 않는 생물학적 반응을 유발해야 한다.일반적으로 세포는 영상 시스템에 의해 위치를 결정할 수 있도록 기질에 부착되어야 한다.최근 빔 위치 제어와 고속 영상촬영의 발전으로 시스템을 통한 흐름이 가능해졌다(Flow and Shoot).
X선 마이크로빔
일부 시설은 소프트 X선 마이크로 빔을 개발했거나 개발하고 있다.이러한 시스템에서 구역판은 충전된 입자 빔에 의해 타격된 표적에서 생성된 특성 X선의 초점을 맞추기 위해 사용된다.싱크로트론 X선을 소스로 사용할 경우 싱크로트론 방사선의 방향성이 높아 정밀 슬릿 시스템으로 빔을 절단해 X선 마이크로빔을 얻을 수 있다.
생물학적 끝점
많은 생물학적 종말점이 연구되어 왔으며 여기에는 종양 변환, 세포사멸, 돌연변이, 염색체 이상 등이 포함된다.
전 세계 마이크로빔 시스템
| 전[2] 세계 마이크로빔 설비 | 방사선 유형/LET | 셀의 빔 스폿 크기 | 생물학? | |
|---|---|---|---|---|
| 콜롬비아 대학교 방사선 [3][4][5]연구 가속기 시설 | 모든 양이온, 엑스레이 매우 낮은 | 0.6μm | 네 | |
| 일본 다카사키 [6][7][8]JAERI | 높은 | 네 | ||
| 텍사스 A&M(SMURF), 특수 마이크로빔 활용 연구 시설 | 낮은 | 아니요. | ||
| 뮌헨대학 [9]응용핵실험용 초전도 나노스코프 | p에서 hi까지 2-1만 keV/μm | 0.5μm | 네 | |
| INFN-LABEC,[10] 이탈리아 플로렌스 세스토 피오렌티노 | p, he, c 다른 이온들 | 3 MeV p에 10 μm | 아니요. | |
| INFN-LNL[11] 레그나루, 이탈리아 | P, He+,++,4He+,++ 7-150 keV/μm | 10 μm | 네 | |
| 프랑스 보르도 CENBG | p, α 최대 3.5MeV | 10 μm | ||
| GSI,[12] 다름슈타트, 독일 | α에서 U이온까지 최대 11.4 MeV/n | 0.5μm | 네 | |
| IFJ,[13] 크라코프, 폴란드 | p - 최대 2.5 MeV x선 - 4.5 keV | 12 μm 5μm | 네 | |
| 독일 라이프치히 [14]립시온 | p, he+,++ 최대 3MeV | 0.5μm | 네 | |
| 스웨덴 [15]룬드 NMP | p 최대 3MeV | 5μm | ||
| 프랑스 새클레이 [16]CEA-LPS | p+,++ 헤 최대 3.75MeV | 10 μm | 네 | |
| 영국 북아일랜드 벨파스트 퀸즈 대학교 | x선 0.3-4.5 keV | < 1 μm | 네 | |
| 영국 길퍼드 서리 대학교 | p, α, HI | 0.01 μm(진공 중) | 네 | |
| 독일 브라운슈바이그 [17]PTB | p, α 3-200 keV/μm | < 1 μm | 네 | |
| 단일 입자 조사 시스템 - 셀([18][19][20][21]SPIE), 국립방사선과학연구소(NIRS), 일본 QST | p 3.4 MEV | 2μm | 네[22][23][24] | |
| 일본 쓰루가 시 W-MAST | p, he | 10 μm | 아니요. | |
| 캐나다 온타리오 주 맥마스터 대학교 | 아니요. | |||
| 일본 나가사키 대학 | 엑스레이를 찍다 0.3-4.5 keV | < 1 μm | 네 | |
| 일본 KEK,[25][26] 포톤 공장 | 엑스레이를 찍다 4-20 keV | 5μm | 네 | |
| CAS-LIBB, 중국 허페이 CAS [27][28]플라즈마 물리학 연구소 | p 2-3 MeV | 5μm | 네 | |
| 아르헨티나 부에노스아이레스 CNA(Centro Atomico Constitutes, CNA) | U에서 H로 15 MeV | 5μm | 네 | |
| 중국 상하이 [29]푸단대학교 | p,He 3 MeV | 2μm | 네 | |
| 중국 란저우 현대물리연구소[30] | ||||
| 런던 그레이 연구소 | 낮음, 높은음 | 네 | ||
| 런던 그레이 연구소 | 소프트 엑스 | 네 | ||
| PNL, 리치랜드, PNL | 낮은 | 네 | ||
| 이탈리아 파두아 | 소프트 엑스 | 네 | ||
| MIT 보스턴 | 낮음, 높은음 | 네 | ||
| 이탈리아 라킬라 | 높은 | 아니요. | ||
| LBL, 버클리 | 매우 높은 | 아니요. | ||
| 메릴랜드 대학교 | 낮은 | 네 | ||
| 일본 쓰쿠바 | 소프트 엑스 | 네 | ||
| 일본 나가타니시 | 낮음, 높은음 | 네 | ||
| 대한민국 서울 | 낮은 | 네 | ||
| 핀란드 헬싱키 | 높은 | 아니요. | ||
| 노스캐롤라이나 주 채플힐 | 낮은 | 아니요. | ||
| 프랑스 그라디난 | 높은 | 네 |
마이크로빔 워크샵
셀룰러 방사선 대응 마이크로 빔 프로브에서 약 2년에 한 번 열리는 9개의 국제 워크숍이 있었다.이러한 워크숍은 마이크로빔 직원들이 한자리에 모여 아이디어를 공유하는 계기가 된다.워크숍의 진행은 마이크로빔 관련 과학의 상태에 대한 훌륭한 참고자료로 작용한다.
| IMT2000 3GPP - 세포복사반응 마이크로빔 탐침에 관한 국제 워크숍 | 연도 | 마이크로빔 수 |
|---|---|---|
| 런던[1] 그레이 연구소 | 1993 | 3 |
| 워싱턴주 퍼시픽 노스웨스트 랩스 | 1995 | 3 |
| 뉴욕 컬럼비아 대학교 | 1997 | 4 |
| 아일랜드[31] 더블린 | 1999 | 7 |
| 이탈리아[32][33] 스테레사 | 2001 | 12 |
| 영국[34] 옥스퍼드 | 2003 | 17 |
| 뉴욕[35] 컬럼비아 대학교 | 2006 | 28 |
| NIRS, 일본[36] 지바 | 2008 | 31 |
| GSI, 다름슈타트, 독일 | 2010 | |
| 뉴욕 컬럼비아 대학교 | 2012 |
참조
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