[논문]라만 기반 치매 모델의 뇌조직 분광 특성 측정

고관휘; 서영희; 임성민; 이홍기; 박지영; 장원석; 김동현

doi:10.3807/kjop.2022.33.6.331

라만 기반 치매 모델의 뇌조직 분광 특성 측정
Ex Vivo Raman Spectroscopy Measurement of a Mouse Model of Alzheimer's Disease 원문보기

한국광학회지 = Korean journal of optics and photonics, v.33 no.6, 2022년, pp.331 - 337

고관휘 (연세대학교 공과대학 전기전자공학부) , 서영희 (연세대학교 의과대학 신경외과학교실) , 임성민 (연세대학교 공과대학 전기전자공학부) , 이홍기 (연세대학교 공과대학 전기전자공학부) , 박지영 (연세대학교 의과대학 신경외과학교실) , 장원석 (연세대학교 의과대학 신경외과학교실) , 김동현 (연세대학교 공과대학 전기전자공학부)

초록
AI-Helper

비탄성적 산란에 의한 빛의 방출 현상을 이용한 라만 분광법 기술은 무표지 방식으로 분자를 식별하는 기술로 바이오 의학 및 재료 산업에 이르기까지 다양한 분야에서 연구되고 있다. 광프로브 기반 라만 분광기는 국소 부위의 화학 분석을 최소 침습 방식으로 측정할 수 있어 수술 중 실시간 진단 기술로 적용할 수 있는 가능성을 내포하고 있다. 본 연구에서는 화학 물질의 농도별 변화에 따른 라만 신호의 변화를 살펴보아 라만 실험 장치의 캘리브레이션을 진행하였으며, 정상 쥐와 아밀로이드 베타 플라크가 축적된 5xFAD 치매성 돌연변이 모델의 대뇌 조직을 대상으로 라만 신호 특성을 측정 및 비교 분석하여 알츠하이머씨 병의 진단을 위한 가능성을 탐구하였다. 또한 대표적인 치매 원인 물질인 아밀로이드 베타에 대한 라만 신호 측정을 병행하여 치매 진단에 대한 적용을 교차 검증하였다. 본 라만 분광법 연구를 통해 치매 진단에 있어 기존문진 검사 및 뇌 영상 진단을 대체하여 정밀하게 판별할 수 있는 하나의 진단 지표로서의 가능성을 보았으며, 추후 뇌신경계뿐만 아니라 인체의 다양한 장기 및 질병에 적용시켜 물리·공학·화학 등 다양한 연구분야에서의 원천기술로 활용될 수 있을 것으로 생각된다.

Abstract ▼ AI-Helper

Raman spectroscopy is an optical technique that can identify molecules in a label-free manner, and is therefore heavily investigated in various areas ranging from biomedical engineering to materials science. Probe-based Raman spectroscopy can perform minimally invasive chemical analysis, and thus has potential as a real-time diagnostic tool during surgery. In this study, Raman experimentation was calibrated by examining the Raman shifts with respect to the concentrations of chemical substances. Raman signal characteristics, targeted for normal mice and cerebral tissues of the 5xFAD dementia mutant model with accumulated amyloid beta plaques, were measured and analyzed to explore the possibility of diagnosis of Alzheimer's disease. The application to the diagnosis of dementia was cross-validated by measuring Raman signals of amyloid beta. The results suggest the potential of Raman spectroscopy as a diagnostic tool that may be useful in various areas of application.

주제어

표/그림 (8)

그림 Fig. 1. Experimental set-up for Raman spectroscopy using a fiber-optic probe. (a) Schematic view. (b) Photograph of the Raman spectroscopy set-up. M, mirror; BS, beam splitter; L, lens; FC, fiber collimator; NF, notch filter.
그림 Fig. 2. Confirmation of dementia expression in mouse models. (a) Polymerase chain reaction (PCR) result of 5xFAD (familiar Alzheimer disease). (b) Immunohistochemical staining of 6E10 (anti-β - Amyloid) in control and 5xFAD group.
그림 Fig. 3. Preparation of slice samples of mouse cerebral tissue. (a) Mouse brain. (b) Mouse matrix section. (c) Sectioned brain.
그림 Fig. 4. System calibration through Raman signal measurement for acetone. (a) Raman spectra with respect to the concentration of acetone in aqueous solution using excitation wavelength of 532 nm. (b) Comparison of Raman signal intensities at 2,923 cm^-1 (purple) and 3,416 cm^-1 (gray) peaks of acetone solutions with varying concentrations.
그림 Fig. 5. Measured Raman shift. Raman signal measurement of normal mouse brain and noise signal allows estimation of signal-to-noise ratio (SNR).
그림 Fig. 6. Comparison of Raman spectra between normal mouse cerebral tissue and amyloid beta accumulated mouse cerebral tissue and measurement of Raman spectrum of amyloid beta solution. (a) Raman signals in normal mouse brain (blue) and 5xFAD transgenic mouse brain (red). (b) Raman spectrum of amyloid beta solution.
표 Table 1. Raman bands with the assignment observed in the tissue spectra for 532-nm excitation
표 Table 2. Raman bands with increased intensity compared to the normal model observed in the brain tissue spectra of the 5xFED transgenic mouse model

참고문헌 (29)

M. Okada, N. I. Smith, A. F. Palonpon, H. Endo, S. Kawata, M. Sodeoka, and K. Fujita, "Label-free Raman observation of cytochrome c dynamics during apoptosis," Proc. Natl. Acad. Sci. 109, 28-32 (2012).
H. Lee, K. Kang, K. Mochizuki, C. Lee, K.-A. Toh, S. A. Lee, K. Fujita, and D. Kim, "Surface plasmon localization-based super-resolved Raman microscopy," Nano Lett. 20, 8951-8958 (2020).

상세보기
H. Lee, H. Yoo, G. Moon, K.-A. Toh, K. Mochizuki, K. Fujita, and D. Kim, "Super-resolved Raman microscopy using random structured light illumination: concept and feasibility," J. Chem. Phys. 155, 144202 (2021).

상세보기
M. Paraskevaidi, C. L. M. Morais, D. E. Halliwell, D. M. A. Mann, D. Allsop, P. L. Martin-Hirsch, and F. L. Martin, "Raman spectroscopy to diagnose Alzheimer's disease and dementia with lewy bodies in blood," ACS Chem. Neurosci. 9, 2786-2794 (2018).

상세보기
R. Michael, C. Otto, A. Lenferink, E. Gelpi, G. A. Montenegro, J. Rosandic, F. Tresserra, R. I. Barraquer, and G. F. Vrensen, "Absence of amyloid-beta in lenses of Alzheimer patients: a confocal Raman microspectroscopic study," Exp. Eye Res. 119, 44-53 (2014).

상세보기
N. M. Ralbovsky, L. Halamkova, K. Wall, C. Anderson-Hanley, and I. K. Lednev, "Screening for Alzheimer's disease using saliva: a new approach based on machine learning and Raman hyperspectroscopy," J. Alzheimer's Dis. 71, 1351-1359 (2019).
E. Ryzhikova, N. M. Ralbovsky, V. Sikirzhytski, O. Kazakov, L. Halamkova, J. Quinn, E. A. Zimmerman, and I. K. Lednev, "Raman spectroscopy and machine learning for biomedical applications: Alzheimer's disease diagnosis based on the analysis of cerebrospinal fluid," Spectrochim. Acta A: Mol. Biomol. Spectrosc. 248, 119188 (2021).
C. Carlomagno, M. Cabinio, S. Picciolini, A. Gualerzi, F. Baglio, and M. Bedoni, "SERS-based biosensor for Alzheimer disease evaluation through the fast analysis of human serum," J. Biophotonics 13, e201960033 (2020).

상세보기
R. Prucek, A. Panacek, Z. Gajdova, R. Vecerova, L. Kvitek, J. Gallo, and M. Kolar, "Specific detection of Staphylococcus aureus infection and marker for Alzheimer disease by surface enhanced Raman spectroscopy using silver and gold nanoparticle-coated magnetic polystyrene beads," Sci. Rep. 11, 6240 (2021).

상세보기
K. A. Willets and R. P. Van Duyne, "Localized surface plasmon resonance spectroscopy and sensing," Annu. Rev. Phys. Chem. 58, 267-297 (2007).

상세보기
K. Kim, J.-W. Choi, K. Ma, R. Lee, K.-H. Yoo, C.-O. Yun, and D. Kim, "Nanoislands-based random activation of fluorescence for visualizing endocytotic internalization of adenovirus," Small 6, 1293-1299 (2010).
K. Kim, J. Yajima, Y. Oh, W. Lee, S. Oowada, T. Nishizaka, and D. Kim, "Nanoscale localization sampling based on nanoantenna arrays for super-resolution imaging of fluorescent monomers on sliding microtubules," Small 8, 892-900 (2012).

상세보기
W. Lee, Y. Kinosita, Y. Oh, N. Mikami, H. Yang, M. Miyata, T. Nishizaka, and D. Kim, "Three-dimensional superlocalization imaging of gliding Mycoplasma mobile by extraordinary light transmission through arrayed nanoholes," ACS Nano 9, 10896-10908 (2015).

상세보기
K. Kim, W. Lee, K. Chung, H. Lee, T. Son, Y. Oh, Y.-F. Xiao, D. H. Kim, and D. Kim, "Molecular overlap with optical nearfields based on plasmonic nanolithography for ultrasensitive label-free detection by light-matter colocalization," Biosens. Bioelectron. 96, 89-98 (2017).

상세보기
T. Son, D. Lee, C. Lee, G. Moon, G. E. Ha, H. Lee, H. Kwak, E. Cheong, and D. Kim, "Superlocalized three-dimensional live imaging of mitochondrial dynamics in neurons using plasmonic nanohole arrays," ACS Nano 13, 3063-3074 (2019).

상세보기
H. Lee, W. J. Rhee, G. Moon, S. Im, T. Son, J.-S. Shin, and D. Kim, "Plasmon-enhanced fluorescence correlation spectroscopy for super-localized detection of nanoscale subcellular dynamics," Biosens. Bioelectron. 184, 113219 (2021).

상세보기
M. Kirsch, G. Schackert, R. Salzer, and C. Krafft, "Raman spectroscopic imaging for in vivo detection of cerebral brain metastases," Anal. Bioanal. Chem. 398, 1707-1713 (2010).

상세보기
M. Jermyn, K. Mok, J. Mercier, J. Desroches, J. Pichette, K. Saint-Arnaud, L. Bernstein, M. C. Guiot, K. Petrecca, and F. Leblond, "Intraoperative brain cancer detection with Raman spectroscopy in humans," Sci. Transl. Med. 7, 274ra19 (2015).
K. Hrubesova, M. Fouskova, L. Habartova, Z. Fisar, R. Jirak, J. Raboch, and V. Setnicka, "Search for biomarkers of Alzheimer's disease: Recent insights, current challenges and future prospects," Clin. Biochem. 72, 39-51 (2019).

상세보기
W. G. Tharp and I. N. Sarkar, "Origins of amyloid-β," BMC Genom. 14, 290 (2013).
S. Sadigh-Eteghad, B. Sabermarouf, A. Majdi, M. Talebi, M. Farhoudi, and J. Mahmoudi, "Amyloid-beta: a crucial factor in Alzheimer's disease," Med. Princ. Pract. 24, 1-10 (2015).

상세보기
C. Haass and D. J. Selkoe, "Soluble protein oligomers in neurodegeneration: lessons from the Alzheimer's amyloid betapeptide," Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 8, 101-112 (2007).
F. Panza, M. Lozupone, G. Logroscino, and B. P. Imbimbo, "A critical appraisal of amyloid-β-targeting therapies for Alzheimer disease," Nat. Rev. Neurol. 15, 73-88 (2019).
C. S. Garcia, M. N. Abedin, S. K. Sharm, A. K. Misra, S. Ismail, U. Singh, T. F. Refaat, H. E. Ali, and S. Sandford, "Remote pulsed laser Raman spectroscopy system for detecting water, ice, and hydrous minerals," Proc. SPIE 6302, 630215 (2006).
M. J. Egan, S. K. Sharma, and T. E. Acosta-Maeda, "Modified spatial heterodyne Raman spectrometer for remote-sensing analysis of organics," Proc. SPIE 10779, 107790L (2018).
K. Maquelin, C. Kirschner, L. P. Choo-Smith, N. van den Braak, H. P. Endtz, D. Naumann, and G. J. Puppels, "Identification of medically relevant microorganisms by vibrational spectroscopy," J. Microbiol. Methods 51, 255-271 (2002).

상세보기
E. Staniszewska-Slezak, K. Malek, and M. Baranska, "Complementary analysis of tissue homogenates composition obtained by Vis and NIR laser excitations and Raman spectroscopy," Spectrochim. Acta A: Mol. Biomol. Spectrosc. 147, 245-256 (2015).
B. Lochocki, B. D. C. Boon, S. R. Verheul, L. Zada, J. J. M. Hoozemans, F. Ariese, and J. F. de Boer, "Multimodal, label-free fluorescence and Raman imaging of amyloid deposits in snap-frozen Alzheimer's disease human brain tissue," Commun. Biol. 4, 474 (2021).

상세보기
G. Moon, J. Lee, H. Lee, H. Yoo, K. Ko, S. Im, and D. Kim, "Machine learning and its applications for plasmonics in biology," Cell Rep. Phys. Sci. 3, 101042 (2022).

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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