빛의 힘을 온라인 바카라하여 신경 활동을 쉽게 평가하기위한 새로운 기술 개발

연구원 인 Akagi Yuka, Stemcell Biotechnology Research Group, 세포 분자 공학 연구부, 국립 고급 산업 과학 기술 연구소 (이하 "AIST") 및 연구 그룹과 함께 Norimoto AYA는 신경 활동을 평가할 수있는 새로운 기술을 개발했습니다

전통적으로, 뉴런 활동을 평가하는 기술에는 지표 형광 프로브가 필요했습니다 그래서이 결과에서라만 분광법물질의 분자를 조사하는 광학 기술기계 학습를 온라인 바카라하여 신경 활동을 빠르고 정확하게 평가하는 시스템을 개발했습니다 이 시스템은 단일 뉴런뿐만 아니라 뉴런이 그룹으로 작동하는 신경 핵을 측정 할 수 있습니다 프로브를 필요로하지 않는 비 침습성 뉴런 평가 시스템은 새로운 약물의 효능 및 독성 평가뿐만 아니라 재생 의학 및 약물 발견에서 이식 가능한 세포의 품질 관리에 기여합니다 또한,이 기술은 신경계 질환 치료를 개발하고 신경 과학을 발전시키는 데 도움이 될 것입니다

이 기술의 세부 사항은 2024 년 7 월 3 일에 제공 될 예정입니다분자"에 게시

신경 세포는 뇌 및 척수와 같은 신경계를 구성하고 외부 물리적 및 화학적 신호를 전기 신호로 변환하는 역할을합니다 현재까지, 기술은 신경 기능을 분석하고 병리학 적 조건을 설명하기 위해 신경 활동을 정확하게 평가하기위한 기술이 개발되었습니다 예를 들어, 형광 분자로 표지하여 뉴런의 활성과 동기화하는 칼슘 이온 및 특정 물질의 변동을 측정하는 방법이 있으며, 얇은 유리 전극을 세포에 삽입하여 신경의 전기 활성을 측정하는 방법이 있습니다 그러나 이들은 세포와 조직을 손상시킬 수 있습니다 측정하는 데 시간과 시간이 많이 걸리는 과제와 높은 비용도있었습니다 이러한 배경을 감안할 때, 형광 프로브 또는 전극을 온라인 바카라하지 않고 뉴런 활동으로 인한 분자 변화를 쉽고 정확하게 측정 할 수있는 기술이 필요했습니다

AIST는 생명 공학의 산업화를 촉진하기 위해 재생 의학 및 약물 발견을 지원하기 위해 줄기 세포 조작 기술 및 품질 관리 및 평가 기술에 대한 연구 개발을 촉진하고 있습니다 이 중 우리는 세포 손상, 측정 시간 및 높은 비용과 같은 전통적인 평가 기술의 문제를 해결하는 데 중점을 두었습니다 우리는 Raman Spectroscopy에 중점을 두 었으며 AIST 및 Osaka University의 고급 광자 및 바이오 센싱 오픈 혁신 연구소와 협력하여 새로운 세포 평가 기술을 개발했습니다 라만 분광법은 레이저 빛이 물체에 조사 될 때 산란 된 빛에서 물체에 대한 분자 정보를 얻는 방법입니다 (라만 산란 된 빛) 세포로부터 얻은 라만 스펙트럼은 종합적으로 핵산, 단백질 및 지질과 같은 세포 내의 다양한 분자의 유형, 구조 및 양과 같은 정보를 포함한다 우리는 고속으로 레이저 라이트를 스캔하고 감도가 높은 라만 스펙트럼을 획득하는 기술을 개발했습니다 이 시스템을 온라인 바카라하면 레이저 표시등이 나선형 모양과 대상 섹션 내의 원으로 스캔 할 수 있습니다 레이저 조사 시간을 단축함으로써, 세포에 대한 열 손상이 감소하여 전체 세포로부터 스펙트럼을 효율적으로 획득 할 수있게한다 우리는이 시스템을 가지고 있습니다Paint Raman Express 분광법 시스템 (press))(참조)

이번에는이 기술을 더욱 발전시켜 뉴런의 활동을 실시간으로 쉽게 평가할 수있는 새로운 기술을 개발하여 지금까지 어려웠습니다

이 연구 중 일부는 과학 연구를위한 과학 보조금 촉진을위한 일본 사회의 지원으로 수행되었습니다 (19K23613)

최근 몇 년 동안, 라만 분광법은 면역 세포 및 줄기 세포와 같은 세포 유형 차별 및 활성화를 평가하는 기술로 적용되었습니다 그러나, 라만 분광법을 온라인 바카라하여 신경 활성의 일시적인 현미경 변화를 감지하는 도전적인 연구는 없었다 신경 세포가 비파괴 적으로 평가 될 수 있고 프로브를 온라인 바카라하여 침습적으로 평가할 수 있다면, 재생 의학에서 신경 세포의 품질 조절에 기여할 가능성이 높습니다 신경계 질환 및 독성 평가의 효율성 및 신경 과학 연구의 효율성을 표적으로하는 새로운 약물의 발달 (도 1) 우리는 연구 그룹의 독창적 인 기술입니다유도 다 능성 줄기 (ips) 세포에서 뉴런을 개발했습니다 (인간 유래 샘플을 온라인 바카라한 실험에 관한 AIST 윤리위원회의 지침에 따라 수행), 프레스를 온라인 바카라하여 뉴런을 측정하는 방법을 조사했습니다 한편, 뇌, 척수 및 말초 시스템에서 신경 세포는 그룹으로 작동하는 신경 핵을 형성합니다 이 뉴런 집단의 활성을 간단한 측정 할 수 있도록 기술이 필요했습니다 따라서, 우리는 레이저 표시등을 스캔 할 수있는 프레스의 영역을 크게 확장함으로써 더 넓은 영역에서 매우 민감한 스펙트럼을 측정하는 방법을 조사했습니다 이로 인해 단 몇 초만에 특정 영역 내에 포함 된 다중 셀의 통합 스펙트럼을 성공적으로 측정했습니다

실험에서, 우리는 먼저 프레스가 뉴런 활동을 평가할 수 있는지 여부를 확인하기 위해 단일 뉴런 테스트를 수행했습니다 (그림 2 상단) 그것은 뇌를 구성하는 세포 중 하나입니다Glutamatergic Neurons인간 IPS 세포로부터 생산되었고 측정에 온라인 바카라되었다 이 신경이 글루탐산에 반응 할 때, 세포에서 칼슘 이온의 농도가 변해 전기 활동이 변화합니다 따라서, 라만 스펙트럼은 글루탐산 용액에 반응 한 뉴런으로부터 얻어졌다 통계 분석 방법은 제어 (완충액) 또는 글루탐산 용액에 대한 반응으로 각각 30 개의 뉴런으로부터 얻은 스펙트럼 정보를 분석하는데 온라인 바카라된다기본 구성 요소 분석감소 된 크기 및 기계 학습 방법지원 벡터 머신를 온라인 바카라하여 계산되었습니다 (그림 2의 상단) 결과적으로, 대조군 용액에 반응하고 글루탐산으로 자극 된 뉴런에 반응 한 뉴런 (대조 세포)의 정확도는 98%였다 이는 프레스가 높은 정확도로 글루타메이트 용액으로 인한 뉴런 활성의 변화를 감지한다는 것을 확인 하였다

다음으로, 우리는 뉴런이 그룹에서 활성화되는 신경 핵을 측정 할 수 있는지 여부를 확인했습니다 (그림 2, 하단 행) 시험은 인간 IPS 세포에서 이루어졌다자율 신경 세포온라인 바카라되었습니다 자율 신경 세포는 흥분 및 이완과 같은 신체 활동을 조절하는 신경계입니다 신체에서, 신경 세포는 뉴런이 그룹에서 활성화되는 신경 핵의 상태에 존재하며, 인간 IPS 세포로부터 생성 된 자율 신경 세포는 또한 수십 개의 뉴런이 응집되는 형태를 나타낸다 이 신경 집계의 기능을 평가하기 위해, 우리는 프레스 측정 기술을 개선하고 몇 초 안에 다중 세포의 광범위한 라만 스펙트럼을 획득 할 수있는 방법을 확립했습니다 구체적으로, 측정 면적은 최대 49 배까지 증가했으며, 레이저 광의 스캐닝 속도 및 노출 시간을 조정 하였다 또한 신호 대 잡음비가 높은 스펙트럼을 측정하기위한 조건을 조사했습니다 라만 스펙트럼은 자율 뉴런을 활성화시키는 니코틴 용액 또는 대조군에 대한 반응으로 뉴런 응집체로부터 각각의 30 개의 영역에서 얻어졌다 획득 된 스펙트럼 데이터를 기계 학습을 온라인 바카라하여 분석했을 때, 우리는 98% 정확도로 니코틴 용액에 반응하는 대조군 솔루션 (대조군) 및 뉴런 응집체에 반응하는 뉴런 응집체를 식별 할 수 있었다 (도 2, 하단 행) 또한, 특정 라만 마커는 니코틴 자극을 통한 신경 활성에 기여하는 분자 정보로서 검출 될 수 있었다 구체적으로, 파수 740 cm^-1YA 1121 cm^-1, 핵산 및 단백질의 인산염에 기여하는 994 cm^-1, 지질에 기여하는 2848 cm^-1의 피크에서 나타났습니다

또한, 프레스는 니코틴 농도에 따라 신경 활성을 평가할 수있었습니다 (그림 3) 이것은 니코틴의 농도 및 세포 내 변화에 반응하는 신경 세포의 비율의 차이를 포착 한 결과라고 생각된다

이 연구에서 우리는 단일 신경뿐만 아니라 신경 집단의 활동을 빠르고 정확하게 평가하는 데 성공했습니다 이 기술은 세포 배양 배지와 같은 성장 환경을 유지하면서 측정을 수행 할 수 있으며 형광 프로브와 같은 측정 라벨이 필요하지 않습니다 따라서, 그것은 미래에 발전 할 것으로 예상되는 세포 요법에서 세포 제품의 품질 관리에 도움이 될 것이며, 제조 비용을 줄이고 치료의 안전성과 효과를 향상시키는 데 기여할 것입니다 약물 발견 분야에서, 그것은 새로운 약물 발달의 효율성 및 독성 평가에 기여합니다

이 기술은 뉴런뿐만 아니라 다양한 배양 세포 및 미생물 집단에도 적용될 수 있습니다 따라서 배양 세포를 온라인 바카라한 기능성 식품 개발, 미생물 대사 활동의 실시간 평가 및 유용한 재료의 생산성 평가와 같은 다른 생물 제조에 널리 적용될 것으로 예상되며, 많은 문제를 해결할 수 있습니다 또한, 세포 평가와 같은 시험 관내 평가 기술의 개발은 동물 실험 감소, 사회적 경향에 기여할 것이며 효율적이고 윤리적이며 성숙한 연구 환경의 생성에도 기여할 것입니다

향후, 우리는 측정 및 분석의 자동화를 통해 셀 활동의 빠르고 저비용이며 매우 정확한 평가를 목표 로이 기술을 계속 향상시킬 것입니다 특히, 로봇 공학 및 이미지 분석 기술을 온라인 바카라하여 여러 시편의 자동 측정을 가능하게합니다 또한, 라만 측정의 감도 및 시간 해상도를 향상시키기 위해 최첨단 광학 기술이 채택되었습니다 앞으로, 우리는 생식 의학에서 약물 발견, 독성 평가 및 비파괴 배아 평가 분야에서 신약을 개발하기 위해이 기술의 온라인 바카라을 고려할 것입니다

게시 된 잡지 :분자
종이 제목 : 라만 미세 스펙트럼 스코피를 온라인 바카라한 신경 활동의 라벨없는 평가
저자 : Yuka Akagi, Aya Norimoto, Teruhisa Kawamura, Yasuyuki S Kida
doi : 103390/molecules29133174

Yuka Akagi, Nobuhito Mori, Teruhisa Kawamura, Yuzo Takayama & Yasuyuki S Kida,“Paint Raman Express Spectroscopy System (PRESS)을 온라인 바카라한 비 침습성 세포 분류”,과학 보고서 11, 8818, 2021
doi : 101038/s41598-021-88056-3

라만 분광법

레이저 빛이 물체에 조사 될 때 산란 된 빛에서 물체에 대한 분자 정보를 얻는 방법 (라만 산란 된 빛) 라만 산란 빛에는 다양한 파장의 빛이 포함되어 있기 때문에 라만 스펙트럼은 분광기를 온라인 바카라하여 측정 할 수 있습니다 라만 스펙트럼은 물질에 고유하기 때문에 분자의 조성 및 특성을 평가하고 정량화 할 수 있습니다[참조로 돌아 가기]

기계 학습

컴퓨터가 많은 양의 데이터를 반복적으로 훈련시키고 데이터 패턴 및 기능을 자동으로 인식 할 수있는 기술 이 기술은 알려지지 않은 데이터의 예측 및 분류를 가능하게합니다 예를 들어, 이미지 인식, 음성 인식, 의료 진단 및 재무 예측과 같은 다양한 분야에 적용되었습니다[참조로 돌아 가기]

Paint Raman Express 분광법 시스템; 누르다

AIST에 의해 독립적으로 개발 된 라만 분광법 시스템 고속으로 2 개의 아가침을 진동시킴으로써, 레이저 라이트는 특정 원형 섹션을 통해 나선형 모양으로 스캔 할 수 있습니다 레이저 조사 시간이 단축 될 수 있고, 세포에 대한 열 손상이 감소 될 수 있으며, 세포로부터의 스펙트럼 정보를 효율적으로 획득 할 수있다[참조로 돌아 가기]

유도 된 다 능성 줄기; IPS 세포

IPS 세포는 신체의 모든 세포로 구별 할 수있는 능력을 가진 세포이며, OCT3, SOX2, KLF4 유전자 등을 피부에서 수집 한 세포 등에 도입하여 인위적으로 만들어집니다 재생 의약품, 약물 발달 및 질병 연구에서 중요한 역할을합니다[참조로 돌아 가기]

Glutamataergic Neurons

신경 전달 물질 글루탐산을 온라인 바카라하여 신호를 보내는 신경 세포는 특히 뇌에 풍부합니다 이 세포는 기억, 학습 및 운동 제어와 같은 중요한 뇌 기능에 관여합니다[참조로 돌아 가기]

주요 구성 요소 분석 (PCA)

고차원 데이터를 더 적은 차원으로 변환하여 데이터의 특성을 캡처하는 통계적 방법 이를 통해 데이터를보다 쉽게 시각화하고 분석 할 수 있습니다[참조로 돌아 가기]

지원 벡터 머신; SVM

알려지지 않은 데이터를 분류하는 데 온라인 바카라되는 기계 학습 방법[참조로 돌아 가기]

자율 신경 세포

흥분 및 이완과 같은 신체 활동을 조절하는 신경계 이 세포는 심박수, 소화, 호흡 등을 제어하는 데 역할을합니다[참조로 돌아 가기]