Light interacts with biological tissues generating photo-thermal, photo-chemical, or photomechanical effects. Especially, the femtosecond pulsed laser can induce localized photo-chemical or photo-mechanical phenomena in biological tissues with ignorable thermal damage. This advantage has enabled the optical modulation of cells and tissues, yet limited to the irreversible ablative effect or in vitro works. Here I report novel effects of the femtosecond laser on the smooth muscle and the blood vessel in vivo. Irradiation of the femtosecond laser on smooth muscle cells triggered the generation of calcium wave followed by cellular contraction. Based on this cellular response, I developed noninvasive tools to optically control the contraction of arterial blood vessel walls and bladder smooth muscles in vivo. I also found that controlled irradiation of femtosecond laser on venous vascular wall induces a transient and reversible permeabilization of the vascular wall. By combining this method with intravenous injection, I could locally deliver molecular probes in various tissues, such as brain cortex, meninges, striated muscle, and bone, suggesting wide applicability of this tool for the drug delivery.
생체 조직에 조사된 빛은 광열, 광화학, 광물리 반응을 일으킨다. 특히 펨토초 레이저는 생체 내에서 광열 반응 없이 국소 부위의 광화학 반응 혹은 광물리 반응을 유발할 수 있다. 이런 장점으로 인해 세포와 조직의 광학적 조절에 대한 연구가 진행되었으나, 비가역적 파괴 효과 혹은 세포 수준의 실험에 제한되어왔다. 본 논문은 펨토초 레이저를 이용해 생체에서 민무늬근과 혈관의 투과도를 조절하는 것에 대한 연구 결과이다.
펨토초 레이저의 국소적인 조사는 혈관 민무늬근 세포와 방광 민무늬근 세포에서 칼슘 신호를 활성화했고 이는 세포 수축으로 이어졌다. 이 현상에 기반해 동맥 혈관 벽의 민무늬근과 방광 벽의 민무늬근을 광학적으로 조절하는 기술을 개발하였다. 본 기술은 최초로 외부적인 탐침자 없이 비침습적으로 혈관과 방광의 수축을 조절할 수 있는 방법을 제공한다. 혈관 조절기술은 혈관 기능성을 측정하거나 혈류 조절을 연구하는 등의 연구에 유용하게 사용될 수 있으며, 방광수축 조절 기술은 방광 조절 기능이 상실된 환자에 의료적 적용이 기대된다.
다음으로 정맥 혈관벽에 조사된 펨토초 레이저는 가역적으로 혈관 벽의 투과도를 증가시킴을 확인하였고 이 과정은 비침습적임을 확인했다. 혈관 내에 원하는 물질을 주사하는 단계와 결합해 원하는 약물 혹은 프로브를 국소부위에 전달할 수 있는 기술을 개발하였다. 이를 이용해 뇌에서 혈관장벽을 투과하지 못하는 물질을 국소적으로 전달할 수 있음을 보였다. 본 기술은 기존의 약물 전달이 어려웠던 뇌, 망막 등에 원하는 약물이나 프로브를 전달할 수 있도록 함으로써 실험적, 임상적으로 폭넓은 적용이 기대된다.
