.Scientists Prove Validity of Key Physics Theorem in the Quantum World
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.Scientists Prove Validity of Key Physics Theorem in the Quantum World
과학자들은 양자 세계에서 핵심 물리학 정리의 타당성을 증명합니다
주제:보스-아인슈타인 응축물광자인기 있는양자본 대학교 By 본 대학교 2023년 2월 26일 추상 천체 물리학 극한 에너지 개념 FEBRUARY 27, 2023
보스-아인슈타인 응축물은 알버트 아인슈타인과 인도의 물리학자 사티엔드라 나스 보스가 1920년대에 예측한 물질의 상태입니다. 이 상태에서 정수 스핀을 가진 입자인 보존 그룹은 동일한 양자 상태로 붕괴되어 단일 개체처럼 행동합니다. 이것은 물질의 다른 상태에서 관찰되지 않는 제로 점성 및 제로 흐름 저항을 포함하여 고유한 특성 세트를 생성합니다. 보스-아인슈타인 응축물에 대한 물리학의 핵심 정리의 타당성은 본 대학의 연구원들에 의해 확인되었습니다. 본 대학 의 물리학자들은 통계 물리학의 중요한 정리가 보스-아인슈타인 응축물에 적용 가능하다는 것을 실험적으로 입증했습니다. 이 발견은 이러한 양자 "초입자"의 특정 속성을 측정할 수 있게 하여 관찰하기 어려운 시스템 특성을 추론하는 수단을 제공합니다. 이 연구 결과는 Physical Review Letters 저널에 게재되었습니다 .
당신 앞에 알 수 없는 액체로 가득 찬 용기가 있다고 가정해 봅시다. 당신의 목표는 입자(원자 또는 분자)가 열 에너지로 인해 무작위로 앞뒤로 움직이는 정도를 알아내는 것입니다. 그러나 "브라운 운동"으로 알려진 이러한 위치 변동을 시각화할 수 있는 현미경이 없습니다. 그것이 전혀 필요하지 않다는 것이 밝혀졌습니다. 단순히 물체를 끈에 묶고 액체 속으로 끌어당길 수도 있습니다. 더 많은 힘을 가해야 할수록 액체의 점성이 높아집니다. 점성이 높을수록 액체의 입자가 평균적으로 위치를 덜 바꿉니다. 따라서 주어진 온도에서의 점도를 사용하여 변동 정도를 예측할 수 있습니다.
염료를 삼키는 광자 광자(녹색) – 염료 분자(빨간색)에 의해 "삼켜지고" 나중에 다시 "뱉어"질 수 있습니다. 그럴 가능성이 높을수록 광자 수가 더 많이 변동합니다. 출처: J. Schmitt/본 대학교
-이 기본적인 관계를 설명하는 물리법칙은 변동-소산 정리입니다. 간단히 말해서 다음과 같습니다. 외부에서 시스템을 교란시키기 위해 적용해야 하는 힘이 클수록 시스템을 그대로 두면 자체적으로(즉, 통계적으로) 덜 변동합니다. "우리는 이제 특수한 양자 시스템 그룹인 Bose-Einstein 응축물에 대한 정리의 타당성을 처음으로 확인했습니다."라고 본 대학교 응용 물리학 연구소의 Julian Schmitt 박사는 설명합니다. 수천 개의 빛 입자로 이루어진 "슈퍼 광자" 보스-아인슈타인 응축물은 양자 역학 효과로 인해 발생할 수 있는 특이한 형태의 물질입니다. 특정 조건에서 입자는 원자, 분자 또는 광자(빛을 구성하는 입자)일 수 있습니다. 수백 또는 수천 개의 입자가 하나의 "슈퍼 입자"인 BEC(Bose-Einstein condensate)로 합쳐집니다.
줄리안 슈미트 Julian Schmitt 박사, 본 대학교 응용 물리학 연구소의 주니어 연구 그룹 리더. 크레딧: Benoit Grogan-Avignon (2022)
유한한 온도의 액체에서 분자는 무작위로 앞뒤로 움직입니다. 액체가 따뜻할수록 이러한 열 변동이 더 두드러집니다. 보스-아인슈타인 응축물도 변동될 수 있습니다. 응축된 입자의 수는 다양합니다. 그리고 이러한 변동은 온도 상승에 따라 증가합니다.
Schmitt는 "변동-소산 정리가 BEC에 적용되는 경우 입자 수의 변동이 클수록 외부 섭동에 더 민감하게 반응해야 합니다"라고 강조합니다. "안타깝게도 초저온 원자 가스에서 일반적으로 연구되는 BEC의 수 변동은 이 관계를 테스트하기에는 너무 작습니다." 그러나 Schmitt가 주니어 연구 그룹 리더인 Dr. Martin Weitz 교수 연구 그룹은 광자로 구성된 Bose-Einstein 응축물을 사용합니다. 그리고 이 시스템의 경우 제한이 적용되지 않습니다. “우리는 BEC의 광자가 염료 분자와 상호작용하도록 합니다. 광자가 염료 분자와 상호 작용할 때 분자가 광자를 "삼키는" 일이 자주 발생합니다 . 따라서 염료는 활발하게 여기됩니다. 나중에 광자를 "뱉어내어" 이 여기 에너지를 방출할 수 있습니다. 저에너지 광자는 덜 자주 삼켜집니다.
"염료 분자와의 접촉으로 인해 BEC의 광자 수는 큰 통계적 변동을 보입니다."라고 물리학자는 말합니다. 또한 연구원들은 이 변화의 강도를 정확하게 제어할 수 있습니다. 실험에서 광자는 두 개의 거울 사이에 갇혀 탁구 게임 방식으로 앞뒤로 반사됩니다. 거울 사이의 거리는 다양할 수 있습니다. 클수록 광자의 에너지는 낮아집니다. 저에너지 광자는 염료 분자를 여기시킬 가능성이 적기 때문에(그래서 덜 자주 삼켜짐) 집광된 광 입자의 수는 이제 변동이 훨씬 적습니다. Bonn 물리학자들은 이제 변동의 정도가 BEC의 "반응"과 어떤 관련이 있는지 조사했습니다. 변동 소산 정리가 성립하면 변동이 감소함에 따라 이 감도도 감소해야 합니다. "사실, 우리는 실험에서 이 효과를 확인할 수 있었습니다."라고 본 대학의 TRA(Transdisciplinary Research Area) "Matter" 회원이자 우수 클러스터 "ML4Q - Matter and 양자 컴퓨팅을 위한 빛.” 액체와 마찬가지로 이제 더 쉽게 측정할 수 있는 거시적 반응 매개변수에서 Bose-Einstein 응축물의 미시적 특성을 추론할 수 있습니다. Schmitt는 "이는 복잡한 광자 시스템에서 정밀한 온도 결정과 같은 새로운 응용 분야에 대한 길을 열어줍니다."라고 말합니다.
참조: Fahri Emre Öztürk, Frank Vewinger, Martin Weitz 및 Julian Schmitt의 "Bose-Einstein Condensate of Photons에 대한 변동-소산 관계", 2023년 1월 20일, Physical Review Letters . DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.033602 이 연구는 EU 프로젝트 "양자 시뮬레이션을 위한 광자(Photons for Quantum Simulation)"의 일환으로 독일 연구 재단(DFG)과 독일 연방 경제 및 기후 행동부(BMWK)의 자금 지원을 받았습니다.
https://scitechdaily.com/scientists-prove-validity-of-key-physics-theorem-in-the-quantum-world/
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메모 2302282129 나의 사고실험 oms 스토리텔링
특정 조건에서 입자는 원자, 분자 또는 광자(빛을 구성하는 입자)일 수 있다. 수백 또는 수천 개의 입자가 하나의 "슈퍼 입자"인 BEC(Bose-Einstein condensate)로 합쳐진다.
샘플 qoms에서 이들 현상을 자세히 설명하고 시뮬레이션화 시킨다. 슈퍼 입자는 복합 단위이다. 쿼크의 다중 중첩이 초자연적인 아원자를 만들어낸다.
-The law of physics that explains this basic relationship is changes-the summary. In short, it's as follows: The larger the force that needs to be applied to disturb the system from the outside, the less, the less change in its own (ie statistically). "We have now confirmed the feasibility of theorem of the BOSE-Einstein condensation, a special quantum system group," explains Dr. Julian Schmitt at the University of Applied Physics. The "super photon" boss-Einstein condensation consisting of thousands of light particles is an unusual form of material that can be caused by the effect of quantum mechanics. Under certain conditions, particles can be atoms, molecules or photons. Hundreds or thousands of particles are combined with BOSE-Einstein Condensate (BEC), one "super particle".
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Memo 2302282129 My Accident Experiment OMS Story Telling
Under certain conditions, particles may be atoms, molecules or photons. Hundreds or thousands of particles are merged into BOSE-Einstein Condensate (BEC), one "super particle".
Sample Qoms explains and simulates these phenomena in detail. Super particles are complex units. Quark's multiple stack creates supernatural pulsis.
Samplea.oms (Standard)
B0ACFD 0000E0
000AC0 F00BDE
0C0FAB 000e0d
E00D0C 0B0FA0
F000E0 B0DAC0
D0F000 CAE0B0
0b000f 0EAD0C
0DEB00 AC000F
CED0BA 00F000
A0b00e 0dC0F0
0ACE00 DF000B
0F00D0 e0bc0a
Sampleb. Qoms (Standard)
0000000011 = 2,0
0000001100
0000001100
0000010010
0001100000
0101000000
0010010000
0100100000
2000000000-mser.2
000000001
Sample B.POMS (Standard)
Q0000000000
00Q00000000
0000Q000000
000000Q0000
00000000q00
0000000000q
0Q000000000
000Q0000000
00000q00000
0000000q000
000000000q0
Sample C.OSS (Standard)
zxdxybzyz
zxdzxezxz
xxbyyxzzx
Zybzfxzy
CADCCBCDC
CDBDCBDBB
XZEZXDYYX
zxezybzyy
bddbcbdca
.Tissue engineering: Developing bioinspired multi-functional tendon-mimetic hydrogels
조직 공학: 생체에서 영감을 얻은 다기능 힘줄 모사 하이드로겔 개발
Thamarasee Jeewandara, Phys.org 작성 힘줄 모방 이방성 복합 하이드로겔(ACH)의 설계 및 처리. (A) ANF 및 PVA의 화학 구조 및 이들의 분자간 수소 결합. (B)나노섬유 어셈블리의 배향을 위한 연신 및 제한된 건조를 포함하는 ACH의 처리 단계의 개략도. (C) 등방성 ANF-PVA 하이드로겔(상단) 및 ACH-80(하단)의 SEM 이미지. 스케일 바, 1μm. (D) 다기능 힘줄 모방 ACH의 개략도. 출처: Science Advances (2023). DOI: 10.1126/sciadv.ade6973 FEBRUARY 27, 2023
현재 Science Advances 에 발표된 새로운 보고서에서 Mingze Sun과 홍콩 중국의 물리학, 기계 공학, 전기 및 전자 공학 연구팀은 아라미드 나노섬유 복합재를 조립하여 다기능 힘줄 모방 하이드로겔의 개발을 보고 했습니다 . 이방성 복합 하이드로겔(ACH)은 힘줄에서 콜라겐 섬유와 프로테오글리칸 사이에서 일반적으로 발생하는 생물학적 상호작용을 모방하기 위해 딱딱한 나노섬유와 부드러운 폴리비닐 알코올 모이어티를 포함했습니다. 이 팀은 높은 탄성 계수, 강도 및 파괴 인성을 가진 하이드로겔을 개발하기 위해 천연 힘줄에서 생체 영감을 받았습니다. 연구원들은 이러한 물질 표면을 생체 활성 분자로 생체 기능화하여 세포 부착과 행동 유사성을 부여하기 위한 생물 물리학적 신호를 제시했습니다.
또한, 하이드로겔에 통합된 부드러운 생체 전자 부품은 다양한 생리학적 이점을 촉진합니다. 힘줄 모사체의 뛰어난 기능을 기반으로 팀은 인간-기계 상호 작용을 위한 이식 가능한 보철물을 형성하기 위해 첨단 조직 공학에서 재료의 광범위한 응용을 구상했습니다. 생체 모방 힘줄 재료 공학 재료 과학자들은 재료 공학을 통해 천연 생물학적 조직 구조를 모방하기 위해 의료 기기 및 조직 공학 플랫폼을 위한 고급 생물학적 재료를 개발하기 위해 노력합니다 . 그러나 자연 조직 구조는 합성적으로 복제하기 어려운 다양한 특성을 가지고 있습니다. 힘줄의 구조는 근골격계의 내하력에 의존하여 계면 상호작용을 통해 세포 행동으로 변환되는 생물물리학적 신호를 제공합니다 .
지난 10년 동안 연구원들은 구조적 이방성이 높은 힘줄 모방 재료를 설계하기 위해 광범위한 연구 노력을 기울였습니다. Sun과 동료들은 바이오 인터페이스에서 힘줄과 같은 거동 및 다기능성을 갖는 하이브리드 이방성 하이드로겔을 구성하기 위한 작업을 위해 고급 재료 플랫폼을 개발했습니다. 실험 동안, 그들은 정렬된 콜라겐 섬유와 부드러운 프로테오글리칸 사이의 미세구조적 상호작용을 에뮬레이트하는 고도로 지향된 프레임워크를 형성하기 위해 딱딱하고 유연한 폴리머 사이의 재구성 가능한 상호작용을 확립했습니다. 이방성 생물물리학적 단서의 생체모방 결과는 세포 행동을 조절했습니다.
ACH의 역학. (A 및 B) 등방성 ANF-PVA 하이드로겔의 반응과 비교하여 각각 섬유 배향에 평행(A) 및 수직(B) 방향으로 ACH의 인장 응력-변형 곡선. ACH-x로 표시된 샘플은 사전 연신-건조 공정 동안 부과된 연신율의 x%에 해당합니다. (C) 섬유 정렬에 대한 초기 인장 계수 평행(Ep)과 수직/수직(En) 사이의 비율을 특징으로 하는 ACH의 강성 이방성. (D) ACH-80 및 ACH-60의 계수 및 강도를 자연 힘줄, 인대 및 힘줄 모방 특성을 가진 기타 이방성 하이드로겔과 비교했습니다. (E) 등방성 ANF-PVA 하이드로겔과 비교하여 섬유 정렬에 평행하고 수직인 방향으로 측정된 ACH의 파괴 에너지. (F) ACH-80에서 섬유 정렬에 평행한 방향으로 최대 부과 변형률의 7.5%로 반복 인장 시험. 신용 거래:과학 발전 (2023). DOI: 10.1126/sciadv.ade6973
실험실에서 고급 폴리머 재료 만들기 연구팀은 딱딱하고 유연한 고분자 성분으로 구성된 소재를 신축하고 구속해 이방성 복합 하이드로겔을 개발했다. 생성된 물질은 콜라겐 유사 빌딩 블록을 모방한 분지형 미세구조를 보여주었습니다 . 팀은 두 가지 폴리머 구성 요소 사이에 광범위한 수소 결합을 수행하여 섬유소 네트워크가 높은 수준의 변형에서도 구조적 붕괴를 겪지 않는 높은 인성을 가진 3차원 네트워크를 생성하여 일관된 정렬을 유도 했습니다 . 그런 다음 그들은 천연 힘줄에서 볼 수 있는 계층 구조와 유사한 등방성 하이드로겔의 특징적인 원섬유 네트워크를 관찰했습니다. 이러한 노력은 기존의 합성 하이드로겔로는 실현 가능하지 않았습니다.
생체 기능화 된 ACH로 세포 형태 및 표현형 조절. (A) 다양한 기질(상단)에서 배양된 NIH-3T3 섬유아세포에서 F-액틴의 형광 이미지 및 세포 방향(하단)의 해당 각도 분포(n ≥ 30). 영각(0°)은 섬유 정렬에 평행한 방향을 나타냅니다. 스케일 바, 100μm. (B) 생체 기능화된 ACH-80(하단) 및 등방성 ANF-PVA 하이드로겔(상단)의 표면 지형을 보여주는 AFM 이미지. 스케일 바, 1μm. (C) M2 바이오마커 Arg1에 대해 면역염색된 등방성 ANF-PVA 하이드로겔(왼쪽) 및 ACH-80(중간)에서 배양된 RAW 264.7 대식세포의 형광 이미지 및 유도된 차이를 나타내는 개별 세포의 평균 형광 강도(MFI) 통계 별개의 기판에 의해(오른쪽). 세포 배양물을 IL-4 및 IL-13으로 처리하여 M2 표현형을 유도하였다. 스케일 바, 50μm. au, 임의 단위(D) RAW 264.7에서 iNOS(M1 바이오마커)에 대한 면역염색은 등방성 ANF-PVA(왼쪽) 및 ACH-80(오른쪽)에 의해 유도된 뚜렷한 효과를 나타내며 MFI 통계(오른쪽)도 특징입니다. IFN-γ 및 LPS는 M1 표현형을 유도하는 데 사용되었습니다. 스케일 바, 50μm. n = 30, ****P < 0.0001. 모든 흰색 화살표는 섬유 정렬과 평행한 방향을 나타냅니다. 신용 거래: 모든 흰색 화살표는 섬유 정렬과 평행한 방향을 나타냅니다. 신용 거래: 모든 흰색 화살표는 섬유 정렬과 평행한 방향을 나타냅니다. 신용 거래:과학 발전 (2023). DOI: 10.1126/sciadv.ade6973
고급 폴리머의 생체 기능화 다음으로 과학자들은 새로운 고분자의 구조적 특성과 계면 상호작용을 통한 세포 거동에 미치는 영향을 연구했습니다. 그들은 세포막의 인테그린과 결합 하기 위해 arginylglycylaspartic acid 모티프 와 같은 세포 접착 모티프를 제시하기 위해 화학적 기능화를 채택했습니다 . 연구원들은 재료 표면에 섬유아세포 의 접착을 관찰함으로써 고급 재료의 성공적인 생체 기능화에 주목했지만 표면 기능화가 없는 샘플은 유사한 세포 부착을 나타내지 않았습니다. Rho 관련 단백질 키나아제 (ROCK) 분자는 표면 지형 및 기질 역학 에 대한 세포 형태학적 반응 동안 세포 의 수축 기계를 조절함으로써 중요한 역할을 했습니다 . 재료 구조는 생체에 유리한 이식형 장치를 확립하기 위해 염증 유발 M1 변이체와 치유 촉진 M2 변이체 사이의 대 식세포 세포 분화를 추가로 조절했습니다. 생체 전자 공학과 같은 고급 재료 응용 연구팀은 궁극적으로 고급 재료를 소프트 생체 전자 공학에 통합하여 다중 모드 생리 감지를 시연했습니다. 이러한 반복 중에서 그들은 재료의 사전 세척-건조 공정을 견딜 수 있는 높은 신축성을 가진 웨이퍼 기반 전자 장치를 만들기 위해 구불구불한 디자인을 채택했습니다. 그들은 유한 요소 분석을 사용하여 장치 전체의 응력 분포를 평가하고 기계적 무결성을 개선하기 위해 기하학적 디자인을 수정하여 전자 부품의 신축성을 향상시켰습니다.
다기능 생체 전자공학이 통합된 ACH. (A) 등방성 ANF-PVA 하이드로겔(상단) 및 처리된 ACH(하단)로 늘어난 상태에 전사 인쇄된 사문석 전자 장치의 사진. 삽화는 다양한 기능적 구성 요소를 보여줍니다. 눈금 막대, 2cm. (B) 등방성 ANF-PVA 하이드로겔과 결합된 대표적인 사문석 장치의 FEA 모델(왼쪽) 및 현미경 이미지(오른쪽). 눈금 막대, 1mm. (C) 하이브리드 구조에 부과된 50% 연신율에서 구불구불한 장치의 응력 분포에 대한 FEA 시뮬레이션. (D 및 E) 하이브리드 ACH에서 생체 전극으로 측정한 ECG(D) 및 EMG(E). (F) 하이브리드 ACH의 온도 센서를 특징으로 하는 수조의 온도 변화. (G) 이온 전도성 ACH 샘플에 대한 회로도 및 인장 변형에 대한 저항 응답. (H 및 I) 다양한 진폭의 변형(H) 및 주기적 동작(I)에서 손가락에 장착된 ACH 기반 스트레인 센서의 응답. 신용 거래:과학 발전 (2023). DOI: 10.1126/sciadv.ade6973
시야
이러한 방식으로 Mingze Sun과 동료들은 주로 나노섬유 조립에서 비롯된 뛰어난 역학 및 기능을 갖춘 힘줄 모방 하이드로겔을 설계했습니다. 그들은 고급 조직 공학 응용 프로그램에 유용한 세포 역학을 조절하기 위해 재료 구성 요소에 의해 제시된 생물 물리학적 신호를 사용했습니다. 고급 재료의 힘줄 모방 거동은 이식 가능한 조직 보철물로서 유용했습니다. 연구진은 생체 내에서 첨단 재료와 천연 조직 사이의 물리적 통합을 조사하고 첨단 재료 에 통합된 다기능 생체 전자공학을 사용할 가능성을 구상했습니다 . 여기에는 생리적 모니터링과 같은 중요한 기능을 제공하고 외부 하드웨어와 전자 활성 의지 간의 양방향 통신을 위한 통합 무선 모듈이 포함됩니다.
추가 정보: Mingze Sun 외, 다기능 힘줄 모방 하이드로겔, Science Advances (2023). DOI: 10.1126/sciadv.ade6973 선정윤 외, 고신축성 및 질긴 하이드로겔, Nature (2012). DOI: 10.1038/nature11409 저널 정보: Science Advances , Nature
https://phys.org/news/2023-02-tissue-bioinspired-multi-functional-tendon-mimetic-hydrogels.html
.Mature “Lab Grown” Neurons Hold Promise for Neurodegenerative Diseases Like Alzheimer’s
알츠하이머병과 같은 신경퇴행성 질환에 대한 가능성을 지닌 성숙한 "실험실 성장" 뉴런
주제:알츠하이머뇌노스웨스턴 대학교파킨슨 병줄기 세포 By 노스웨스턴 대학교 2023년 2월 27일 향상된 인간 뉴런의 형광 이미지 60일 동안 빠르게 움직이는 분자(왼쪽) 또는 기존의 라미닌(오른쪽)으로 코팅에서 성장하는 인간 뉴런(빨간색, 녹색 및 파란색으로 염색됨)의 형광 이미지. 뉴런은 균질하게 퍼지고 Northwestern에서 개발된 고도로 이동성 코팅에서 더 복잡한 분기를 보여줍니다. 크레딧: 노스웨스턴 대학교
연구원들은 이전에 가능했던 것보다 인간 뉴런의 연령 제한을 더 밀어붙였습니다. 노스웨스턴 대학(Northwestern University) 이 이끄는 연구팀은 인간 유도 만능 줄기 세포(iPSCs)에서 현재까지 가장 성숙한 뉴런을 생산함으로써 돌파구를 마련했습니다. 이러한 발전은 의학 연구를 위한 새로운 길과 신경퇴행성 질환 및 외상성 부상과 같은 상태에 대한 이식 요법의 가능성을 열어줍니다. 줄기 세포를 뉴런으로 전환하려는 이전의 노력은 발달 초기 단계의 뉴런과 유사한 기능적으로 미성숙한 뉴런을 생성했습니다. 현재의 줄기 세포 배양 방법을 통해 달성된 제한된 성숙은 신경 퇴행 연구에 대한 잠재력을 제한합니다. 이 연구는 최근 Cell Stem Cell 저널에 게재되었습니다 .
성숙한 뉴런을 만들기 위해 팀은 작년에 노스웨스턴 교수인 Samuel I. Stupp이 도입한 획기적인 기술인 "춤추는 분자"를 사용했습니다. 팀은 먼저 인간 iPSC를 운동 및 피질 뉴런으로 구분한 다음 빠르게 움직이는 춤추는 분자를 포함하는 합성 나노섬유 코팅 위에 배치했습니다.
코팅된 인간 뉴런 60일 동안 빠르게 움직이는 분자(녹색)로 코팅에서 성장하는 인간 뉴런(빨간색)의 형광 이미지. 크레딧: 노스웨스턴 대학교
농축된 뉴런은 더 성숙했을 뿐만 아니라 향상된 신호 전달 기능과 뉴런이 서로 시냅스 접촉하는 데 필요한 더 큰 분기 능력을 보여주었습니다. 그리고 함께 뭉치는 경향이 있는 일반적인 줄기 세포 유래 뉴런과 달리, 이 뉴런은 응집되지 않아 유지하기가 덜 어렵습니다.
연구자들은 추가 개발을 통해 이러한 성숙한 뉴런이 근위축성 측삭 경화증(ALS), 파킨슨병, 알츠하이머 병 또는 다발성 경화증을 포함한 신경퇴행성 질환뿐만 아니라 척수 손상에 대한 유망한 치료법으로 환자에게 이식될 수 있다고 믿습니다. 성숙한 뉴런은 또한 배양 접시 기반 체외 모델에서 ALS 및 기타 연령 관련 질병과 같은 신경퇴행성 질병을 연구할 수 있는 새로운 기회를 제공합니다. 세포 배양에서 뉴런의 나이를 앞당김으로써 연구자들은 후기 발병 질병을 더 잘 이해하기 위한 실험을 개선할 수 있습니다.
인간 뉴런의 형광 이미지 72시간 동안 빠르게 움직이는 분자(왼쪽) 또는 기존의 라미닌(오른쪽)으로 코팅에서 성장하는 인간 뉴런(빨간색, 녹색 및 파란색으로 염색됨)의 형광 이미지. 뉴런은 이동성이 높은 코팅에 부착되어 균질하게 퍼지지만 라미닌 코팅에는 뭉쳐진 상태로 남아 있습니다. 크레딧: 노스웨스턴 대학교
이 연구의 공동 교신 저자인 Northwestern의 Evangelos Kiskinis는 “우리가 인간 iPSC에서 파생된 뉴런을 합성 매트릭스에 도금하여 고급 기능적 성숙을 촉발할 수 있었던 것은 이번이 처음입니다. “연구자들이 정제된 뉴런 집단을 사용해야 하는 많은 응용 분야가 있기 때문에 중요합니다. 대부분의 줄기 세포 기반 실험실에서는 인간 줄기 세포 유래 뉴런과 공동 배양된 마우스 또는 쥐 뉴런을 사용합니다. 그러나 그것은 과학자들이 인간 뉴런에서 일어나는 일을 조사하는 것을 허용하지 않습니다.
왜냐하면 당신은 마우스와 인간 세포의 혼합으로 작업하게 되기 때문입니다.” 연구의 공동 교신 저자인 Stupp은 “iPSC가 신경 세포로 전환되면 젊은 신경 세포가 될 것”이라고 말했습니다. “하지만 치료적 의미에서 유용하려면 성숙한 뉴런이 필요합니다. 그렇지 않으면 성인 인간이 필요한 기능을 아기에게 수행하도록 요구하는 것과 같습니다. 우리는 나노 섬유로 코팅된 뉴런이 다른 방법보다 더 성숙해지고 성숙한 뉴런이 뉴런 기능의 기본인 시냅스 연결을 더 잘 설정할 수 있음을 확인했습니다.” Kiskinis는 Northwestern University Feinberg 의과대학의 신경학 및 신경과학 조교수, 뉴욕 줄기 세포 재단-Robertson 조사관 및 Les Turner ALS 센터의 핵심 교수진입니다 .
Stupp은 Northwestern의 재료 과학 및 공학, 화학, 의학 및 생물 의학 공학 교수이며 Simpson Querrey Institute for BioNanotechnology(SQI) 및 제휴 연구 센터인 Center for Regenerative Nanomedicine의 창립 이사입니다. Stupp은 McCormick 공과대학, Weinberg 예술과학대학, Feinberg 의과대학에서 근무하고 있습니다. 동기화된 '춤' 능력 성숙한 뉴런을 개발하기 위해 연구자들은 Stupp의 연구실에서 급성 척수 손상에 대한 잠재적 치료제로 개발한 물질인 "춤추는 분자"로 구성된 나노섬유를 사용했습니다. 사이언스 저널에 발표된 이전 연구에서 Stupp은 분자의 움직임을 조정하여 지속적으로 움직이는 세포 수용체를 찾아 적절하게 결합할 수 있는 방법을 발견했습니다. 생물학적 분자의 움직임을 모방함으로써 합성 물질은 세포와 통신할 수 있습니다. Stupp 연구의 핵심 혁신은 나노섬유 내에서 100,000개 이상의 분자의 집단 운동을 제어하는 방법을 발견한 것입니다. 인체의 세포 수용체는 빠른 속도로(때로는 밀리초 단위로) 움직일 수 있기 때문에 움직이는 표적을 맞추기가 어렵습니다. "1초를 1,000개의 기간으로 나눈다고 상상해 보십시오."라고 Stupp은 말했습니다. “수용체가 얼마나 빨리 움직일 수 있는지입니다. 이러한 시간 척도는 너무 빨라서 파악하기 어렵습니다.” 새로운 연구에서 Stupp와 Kiskinis는 가장 움직임이 많은 분자를 포함하도록 조정된 나노섬유가 가장 강화된 뉴런을 생성한다는 사실을 발견했습니다. 즉, 보다 역동적인 코팅(기본적으로 많은 나노섬유로 구성된 스캐폴드)에서 배양된 뉴런은 가장 성숙하고 응집 가능성이 가장 적으며 더 강력한 신호 기능을 가진 뉴런이기도 합니다.
"우리가 이것이 효과가 있다고 생각하는 이유는 수용체가 세포막에서 매우 빠르게 움직이고 발판의 신호 분자도 매우 빠르게 움직이기 때문입니다."라고 Stupp은 말했습니다. “동기화될 가능성이 더 높습니다. 두 명의 댄서가 동기화되지 않으면 페어링이 작동하지 않습니다. 수용체는 매우 특정한 공간적 만남을 통해 신호에 의해 활성화됩니다. 또한 우리의 빠르게 움직이는 분자가 수용체 운동을 강화하여 신호 전달에 도움이 되도록 클러스터링하는 데 도움이 될 수 있습니다.” ALS 시그니처가 있는 뉴런은 질병에 대한 새로운 창을 제공합니다. Stupp와 Kiskinis는 성숙한 뉴런이 노화 관련 질병에 대한 통찰력을 제공하고 세포 배양에서 다양한 약물 요법을 테스트하기 위한 더 나은 후보가 될 것이라고 믿습니다. 연구자들은 춤추는 분자를 사용하여 이전에 가능했던 것보다 훨씬 더 오래된 인간 뉴런을 발전시켜 과학자들이 신경퇴행성 질환의 발병을 연구할 수 있도록 했습니다. 연구의 일환으로 Kiskinis와 그의 팀은 ALS 환자의 피부 세포를 가져와 환자별 iPSC로 전환했습니다.
그런 다음, 그들은 이 줄기 세포를 이 신경 퇴행성 질환에 시달리는 세포 유형인 운동 뉴런으로 분화했습니다. 마지막으로 연구원들은 ALS 시그니처를 추가로 개발하기 위해 새로운 합성 코팅 재료에서 뉴런을 배양했습니다. 이것은 Kiskinis에게 ALS에 대한 새로운 창을 제공했을 뿐만 아니라 이러한 "ALS 뉴런"은 잠재적인 치료법을 테스트하는 데 사용될 수도 있습니다. “처음으로 우리는 줄기 세포 유래 ALS 환자 운동 뉴런에서 성인 발병 신경 단백질 응집을 볼 수 있었습니다. 이것은 우리에게 돌파구를 의미합니다.”라고 Kiskinis는 말했습니다. “집합이 어떻게 질병을 유발하는지는 불분명합니다. 그것이 우리가 처음으로 알아내고자 하는 것입니다.” 척수 손상, 신경 퇴행성 질환에 대한 미래 치료에 대한 희망 더 나아가 iPSC에서 파생된 성숙하고 강화된 뉴런은 척수 손상이나 신경퇴행성 질환이 있는 환자에게도 이식될 수 있습니다. 예를 들어, 의사는 ALS 또는 파킨슨병 환자의 피부 세포를 채취하여 iPSC로 전환한 다음 코팅에서 해당 세포를 배양하여 건강하고 기능이 뛰어난 뉴런을 만들 수 있습니다. 건강한 뉴런을 환자에게 이식하면 손상되거나 손실된 뉴런을 대체할 수 있어 잠재적으로 손실된 인지 또는 감각을 회복할 수 있습니다. 그리고 초기 세포는 환자에게서 나왔기 때문에 iPSC에서 파생된 새로운 뉴런은 유전적으로 환자와 일치하여 거부 가능성을 제거합니다.
런은 긴 축삭을 말초의 적절한 근육 부위로 투사해야 하지만 파킨슨병에는 더 간단할 수 있기 때문입니다."라고 Kiskinis는 말했습니다. "어느 쪽이든 이 기술은 혁신적일 것입니다." "환자에게서 세포를 채취하여 줄기 세포로 변형시킨 다음 다른 유형의 세포로 분화하는 것이 가능합니다."라고 Stupp은 말했습니다. “그러나 이러한 세포의 수율은 낮은 경향이 있으며 적절한 성숙을 달성하는 것이 큰 문제입니다. 우리는 면역 거부 반응 없이 세포 이식 요법을 위한 환자 유래 뉴런의 대규모 제조에 코팅을 통합할 수 있습니다.”참조: "이동 분자의 인공 세포외 매트릭스 스캐폴드는 인간 줄기 세포 유래 뉴런의 성숙을 향상시킵니다" by Zaida Alvarez, J. Alberto Ortega, Kohei Sato, Ivan R. Sasselli, Alexandra N. Kolberg-Edelbrock, Ruomeng Qiu, Kelly A. Marshall, Thao Phuong Nguyen, Cara S. Smith, Katharina A. Quinlan, Vasileios Papakis, Zois Syrgiannis, Nicholas A. Sather, Chiara Musumeci, Elisabeth Engel, Samuel I. Stupp 및 Evangelos Kiskinis, 2023년 1월 12일, 세포 줄기 세포. DOI: 10.1016/j.stem.2022.12.010 Z. Álvarez, AN Kolberg-Edelbrock, IR Sasselli, JA Ortega, R. Qiu, Z. Syrgiannis, PA Mirau, F. Chen, SM Chin, S. Weigand, E. Kiskinis 및 SI Stupp, 2021년 11월 11일, Science . DOI: 10.1126/science.abh3602 이 연구는 National Institutes of Health, Les Turner ALS Foundation, New York Stem Cell Foundation, US Department of Energy, Paralyzed Veterans of America Research Foundation의 자금 지원을 받았습니다.
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