라라프

라라프

확립된	1984년(현재 위치)
연구종류	방사선 생물학
연구분야	마이크로빔
감독	데이비드 J. 브레너
주소	P.O.
위치	어빙턴, 뉴욕 주
소속	컬럼비아 대학교 국립보건원 국립 생물의학영상 및 생명공학 연구소
웹사이트	www.raraf.org

뉴욕 어빙턴 소재 컬럼비아대 네비스 연구소 캠퍼스에 위치한 방사선연구가속기시설(RARAF)^[1]은 마이크로빔 기술을 전문으로 하는 국립생물공학영상생명공학자원센터(^[2]P41)이다.이 시설은 현재 Van de Graaff와 유사한 입자 가속기인 5MV Singletron 주위에 지어졌다.

RARAF 마이크로빔은 높은 정확도와 정밀도로 생산할 수 있다.

• 70-120 keV/μm 알파 입자
• 8-25 keV/μm 양성자
• 0.6μm 직경 집중 빔 스폿
• 시간당 10,000개의 셀 처리량

역사

RARAF는 Victor P. Bond와 Harald H. Rossi에 의해 1960년대 말에 고안되었다.그들의 목적은 방사선 생물학, 선량측정, 마이크로도시미터리 연구를 위해 특별히 설계되고 운용되는 단항 중성자의 원천을 제공하는 것이었다.이 시설은 1950년대와 1960년대 브룩헤이븐 국립연구소(BNL)에서 운영되던 2GeV 가속기인 코스모트론의 인젝터 역할을 했던 4 MV Van de Graaf 입자 가속기를 중심으로 지어졌다.

RARAF는 1967년부터 1980년까지 BNL에서 운영되었는데, 이 때 ISABEL 프로젝트의 공간을 마련하기 위해 해체되었는데, 이는 완성되지도 않은 매우 큰 액셀러레이터였다.RARAF의 새로운 부지가 그것의 사이클로트론이 분해되고 있던 콜롬비아 대학의 네비스 연구소에서 발견되었다.미국 에너지부는 RARAF를 네비스 연구소로 옮겨 사이클로트론 건물 내에 건설된 새로운 다단계 시설에 재조립할 수 있는 자금을 지원했다.새로운 RARAF는 1984년 중반부터 연구를 위해 일상적으로 운영되어 왔다.

RARAF는 최초의 3개의 마이크로 빔 시설^[3] 중 하나였으며, 현재까지 운영 중인 유일한 최초의 마이크로 빔 시설이다.

2006년에 Van de Graaff는 네덜란드의 고전압 엔지니어링 Europa(HVEE)의 5 MV Singletron으로 대체되었다.

마이크로빔 개발

NIBIB 생명공학 자원 센터로서 RARAF는 마이크로빔 기술의 개발과 개선에 전념하고 있다.개발은 기존의 마이크로빔에 이미징 기법을 추가하고 개선하는 데 초점을 맞춘다.중성자와 X선 마이크로빔도 개발 중이다.마이크로빔 개발의 몇 가지 예는 아래에 열거되어 있다.

마이크로빔 렌즈

RARAF 마이크로빔에 충전된 입자를 집중시키기 위해 2개의 트리플트로 배열된 6개의 쿼드폴로 구성된 정전기 렌즈를 사용하고 각 쿼드폴은 축을 중심으로 90° 회전한다.각각의 쿼드폴 트리플트는 금 전극을 도금한 4개의 세라믹 막대로 구성되어 있다.이 설계는 3개의 4각형의 정렬을 보장하며 작은 극간격과 더 나은 초점 특성을 허용한다.

아세포 타겟팅

RARAF 마이크로빔의 특성 때문에, 세포핵이나 세포질 같은 세포하 목표물이 수년 동안 가능했다.미크로미터 이하의 직경 빔을 일상적으로 사용할 수 있게 되면, 셀룰러 시스템 내의 추가 표적에 접근할 수 있다.예를 들어, 미토콘드리아를 대상으로 하는 예비 방사선 실험은 작은 기도 상피세포에서 실시되었다.^[1]

마이크로빔을 가리키고 쏘다

마이크로빔 조사 중 조사 대상 셀은 고속 고해상도 3축 피에조-전기 단계를 사용하여 빔 위치로 이동한다.^[4]타겟팅 시간을 더욱 단축하고, 시준된 마이크로 빔과 달리 집중된 마이크로 빔이 액셀러레이터 출구 윈도우의 단일 위치에 제한되지 않는다는 점을 활용하기 위해, 우리는 두 개의 쿼드폴 트리플릿 사이에 놓인 자기 코일 기반의 고속 디플렉터를 구현하여 빔을 어떤 위치로든 굴절시킬 수 있도록 했다.조사 중 세포를 관찰하는 데 사용되는 현미경의 시야빔을 셀 위치로 자기적으로 이동하는 것은 스테이지 이동보다 훨씬 더 빨리 수행될 수 있다.이 시스템에 사용되는 디플렉터는 빔을 초당 최대 1000개의 개별 위치(단계 이동 속도의 5배 이상)로 이동할 수 있어 방사선 조사 시간을 획기적으로 단축할 수 있다.

X선 마이크로빔

RARAF 마이크로빔은 Ti의 특성 Kα x선을 이용하여 X선 마이크로빔을 추가하고 있다.X선은 정전기 렌즈 시스템을 사용하여 두꺼운 Ti 표적에 양자를 집중시키기 위해 생성될 것이다.생성된 X선은 존 플레이트를 사용하여 분해된다.이미 초점화된 양성자 마이크로빔을 사용하여 특성 X선을 생성함으로써 거의 단색 X선 빔(매우 낮은 브렘스스트라흘룽 수율)과 합리적으로 작은 X선 소스(약 20µm 직경)를 획득할 수 있어 존 플레이트의 요건을 줄일 수 있다.

기계론적 및 위험 추정 종말점 모두에 대해 부드러운 X선 마이크로 빔을 사용하면 상당한 이점이 있다.저에너지 광자(~1 keV)의 흡수에 의해 발생하는 국부적 손상과 결합된 현대 첨단 X선 광학 소자를 통해 달성 가능한 높은 공간 분해능은 아세포 및 종국 아핵 대상의 무선 감도를 조사하는 고유한 도구를 나타낸다.또한 저 에너지 X선은 매우 적은 산란 과정을 거치기 때문에, 3-D str에서의 방관자 효과와 같은 효과의 관련성을 조사하기 위해 조직 샘플 내부에서 최대 수백 마이크로미터까지 마이크로미터 정밀 개별 세포 및/또는 세포 부분으로 조사될 수 있다.인공 세포 시스템

마이크로빔 실험

RARAF는 또한 마이크로빔 연구를 수행하는 데 관심이 있는 생물학자들을 위한 사용자 시설이다.RARAF 마이크로빔을 사용하여 수행되는 연구의 두드러진 주제는 손상 신호 전달이며, 이는 부분적으로 방사선에 의한 방관자 효과의 발견에 기인한다.초기 세포간 신호 전달 연구는 2D 단층촬영기로 도금된 세포로 수행되었다.최근에는 세포외 환경과 기술 발전의 중요성 때문에 생물체를 ^[5][6]포함한 3D 조직 시스템과 관련된 연구가 더 흔해졌다.^[7]

마이크로유체학의 응용

RARAF는 시설의 조사 기능을 추가하는 다양한 미세유체 장치를 개발하고 있다.미세유체학에서 제공하는 유체 및 생물학적 물질의 정밀 제어 및 조작은 마이크로빔과 접촉하기에 이상적이다.여기에 열거된 것 이상으로 추가적인 미세유체계통이 현재 개발 중에 있다.

플로우 앤 슈팅

Flow and Shoot 마이크로빔 시스템은 지점과 교차하는 마이크로 유체 채널을 통해 세포의 제어된 이동을 가능하게 하고 마이크로빔을 발사한다.^[8]고속 카메라는 유속 1~10mm/s의 유동 셀을 동적으로 타겟팅할 수 있어 총 처리량이 시간당 10만 셀 이상까지 가능하다.

광유동 세포 조작

광전자 핀셋 플랫폼이 RARAF 마이크로빔과 인터페이스되었다.^[9]이를 통해 조사 전, 조사 중, 조사 후 셀 위치를 정밀하게 조작할 수 있다.

새너하브디트 엘레강스 고정

RARAF는 미세조류 조사 시 선충의 고정화를 위한 미세유체 플랫폼을 구현했다.^[10]이 장치는 테이퍼된 미세유체 채널에서 선충벌레 C.를 포획하여 정상적인 생리작용을 방해할 수 있는 마취제의 사용을 피한다.이 기술을 이용하면 C.엘레건 내 특정 관심 지역을 대상으로 할 수 있다.

기타 기술

광폭 조사도 가능하다.선형 에너지 전달(LET)이 10~200 keV/μm인 입자는 양성자, 중수소, 헬륨-3, 헬륨-4 이온의 빔을 활용해 이용할 수 있다.또한 광선 조사에 에너지 및 열 중성자와 x선을 사용할 수 있다.

트레이닝 과학자들

RARAF는 고등학생, 학부생, 대학원생, 우체국, 수석 과학자 등 모든 수준의 과학자를 양성했다.이 연구소는 약 45명의 과학자들이 지난 5년 동안 마이크로빔 물리학과 생물학 교육을 받은 것으로 추정하고 있다.

RARAF는 컬럼비아 대학 학부생을 위한 연구 경험 프로그램에 적극적으로 참여하고 있다.

게다가 RARAF는 새로운 마이크로 빔 개발자들을 위한 사실상의 훈련 센터가 되었다.동영상과 유인물로 완성된 가상 마이크로빔 교육 과정도 온라인에서 이용할 수 있다.

참조