Traditionally, biochemical and genetic approach has been widely used in basic cellular research. However, recent studies have shown that cells have very interesting mechanical characteristics. It is, therefore, meaningful to study mechanical and physical factors that are important in characterizing the cellular behavior. This thesis aims to study the mechanical characteristics of cancerous and normal liver cells.
First we characterize cell’s elastic modulus by indentation and adhesion property by tension experiments. For the indentation experiment, a MEMS based cellular indenter is developed. The cellular indenter consists of a probe, flexible beams with embedded electrodes and a permanent magnet and was fabricated using MEMS (Micro Electro-Mechanical System) technique. The device is then calibrated using a glass fiber of known mechanical and geometrical properties. With the use of this device, we propose cellular indentation experiments and modelling using Hertz approximation. Also, the responses of cellular adhesion property of normal and cancerous liver cells are investigated upon tensional stimulation. By stretching the PDMS substrate with cells seeded onto, we apply tensional effects on cells. Adhesion proteins such as E-cadherin and vinculin are characterized and analyzed using biological methods.
This work will help us characterize the mechanical properties of cancerous and normal cells, and establish a reasonable step stone for future cancer detection research.
세포의 기능과 질병적 특성에 관한 연구에 있어서 일반적으로 유전적, 생화학적 접근은 많이 시도되어 왔지만 최근 들어 기계적인 방법을 통한 물리적 성질이 세포의 특성을 나타내는 중요한 지표로 인식되고 있다. 실제로 우리 몸은 외부 환경에 의해서건, 내부적으로건 물리적인 자극을 받으며, 몸을 이루는 최소 단위인 세포 역시 이러한 자극에 노출되어 있다. 따라서 세포의 성질을 연구하는데 기계적, 물리적 요소의 중요성을 파악하고 공학적 해석방법을 시도하는 것이 의미가 있다. 앞선 연구에 의하면 혈류, 호흡, 운동 등으로 인한 세포의 지속적인 기계적 자극이 발병과 병의 악화에 관여를 할 뿐만 아니라 상황에 따라 치료의 효과가 있음이 보고되고 있다. 따라서 본 연구는 암과 정상세포의 특성과 물리적 자극에 의한 반응을 기계적인 접근 방법으로 확인하고자 한다.
본 연구의 실험 대상으로는 기계적인 환경에 노출되어 있고, 간경화나 간비대와 같은 기계적 성질의 이상이 발견되는 간세포를 선택했다. 암세포와 정상 세포를 비교하기 위해서 세포의 기계적 특성 중에서 강성(stiffness)과 접착성질(adhesion property)에 관심을 갖고 연구를 진행했다. 세부적으로 세포 강성은 국부자극 실험을 이용하여 측정하고, 세포에 인장자극을 주어 암세포와 정상세포의 접착성질(adhesion property)의 차이를 확인했다.
국부자극 실험을 위해 전자기력을 이용한 세포 자극장치를 MEMS(Micro Electro-Mechanical System) 제작 공정을 통해 개발했다. 제작한 장치는 전자기력에 의해 변형하는 미세 빔(micro beam)과 변형시 세포를 찌를 수 있는 프로브로 이루어져 있다. 물성치를 알고 있는 유리 섬유를 가지고 장치의 힘을 보정할 수 있다. 그리고 프로브로 세포에 힘을 가하고, 현미경으로 세포의 변형을 측정해 Hertz model을 사용하여 원하는 세포의 탄성률(Elastic modulus)을 계산할 수 있다. 이 방법으로 암과 정상 세포의 물성치 차이가 있는지 여부를 알아보고 그 값을 정량화할 수 있다. 또한 이러한 세포간의 물성치 차이에 기여하는 세포내의 구조적 특성을 밝혀내기 위해 암세포와 정상세포 사이의 세포내 골격구조 단백질(cytoskeleton)의 활성 정도 차이를 연구했다.
암세포는 정상세포와 다른 접착성질(adhesion property)을 보인다. 이러한 가설을 바탕으로 다양한 세기(strain percentage)와 주기(frequency)의 인장자극에 대한 암세포와 정상세포의 반응 차이를 연구했다. 이를 위해 PDMS(Poly-dimethylsiloxane)로 제작한 폴리머 지지체 위에 세포를 키우고, 지지체를 인장기로 당김으로 세포에 인장력을 가한다. 세포-세포 사이의 adherens junction에 관여하는 단백질인 E-cadherin과 세포-지지체 사이의 focal adhesion에 관여하는 단백질인 vinculin의 발현 정도를 실험 조건을 달리하면서 관찰했다. 이를 통해 세포 골격과 관련이 있고, 세포 접착 성질에 관여하는 E-cadherin과 vinculin의 발현을 정성, 정량적으로 분석했다.
암세포와 정상세포의 기계적 특성의 차이에 기반한 본 연구는, 향후 암 연구에 있어서 중요한 지표를 제공할 것으로 기대된다.
