세포 연구를 위한 소형 위성 프로토타입에 탑재된 IDS 보드 레벨 카메라

노화가 우주에서 더 느리게 진행될까요?

인간 세포 연구를 위한 소형 위성 현미경 어플리케이션

우주 탐사의 중요성은 점점 더 커지고 있으며, 점점 더 많은 우주비행사들이 우주를 탐험하고 있습니다. 한편, 무중력이 인체의 노화에 어떤 영향을 미칠까요? 작은 위성과 소행성에서 발견되는 것과 같은 밀리중력 및 미세중력 조건에서 특정 세포는 어떻게 발달할까요? Swiss Artificial Gravity Experiment (SAGE)는 이 연구 과제에 전념하고 있습니다. 다양한 스위스 대학교 학생들(Academic Space Initiative Switzerland ARIS)로 구성된 이 팀은 인간의 노화 과정이 우주에서 어떻게 변화하고, 세포 노화가 인체의 노화 및 노화와 관련 장애에 어떻게 영향을 미치는지 조사하고자 합니다. 젊은 연구원들은 극단적인 요구 사항을 충족해야 하는 이 생물학적 실험을 위한 위성 플랫폼을 설계하고 있습니다. 완전 자동화 시스템은 필요한 우주 조건에서 오랜 시간 지속되는 테스트 필드 역할을 하며, 연구해야 하는 인간 세포계를 위한 원심 분리기 역할을 합니다. 이 CubeSat 솔루션의 중심에는 미세 유체 칩이 장착된 형광 현미경과 uEye XLE 제품군의 고해상도 USB3 카메라입니다.

인체에서 노화(senescence) 과정은 세포 수준에서 진행됩니다. 이것은 세포가 분열을 멈추고 염증 인자를 분비하는 현상입니다. "NASA와 전 세계의 여러 연구를 통해 세포가 지구보다 미세 중력에서 더 느리게 노화된다는 근거를 발견할 수 있습니다. 이 효과는 세포 노화 중에 방출되는 특정 단백질과 mRNA로 측정할 수 있습니다. 메신저 RNA라고 불리는 mRNA는 세포 노화에 기여하거나 세포 노화를 예방하는 필수 인자로 등장했습니다. 형광 마커를 사용하면 이 mRNA에 라벨링하고, 올바른 빛으로 조사할 때 빛을 내도록 만들 수 있습니다. 전체 실험은 10 입방 센티미터에 불과한 부피로 두 달의 기간에 걸쳐 수행됩니다. 이러한 조건에서 필요한 공정을 측정하고 분석하기 위해 신뢰할 수 있는 소형 형광 현미경이 필요합니다."라고 SAGE Payload 엔지니어 Jonas Schlör는 설명합니다.

SAGE Cubesat는 물리적 압박, 복사 및 우주의 온도 변동을 견뎌야 합니다.
SAGE Cubesat는 우주로 상승하는 동안 강한 물리적 압박을 견뎌야 하며, 나중에는 복사와 온도의 변동을 견뎌야 합니다.
USB3 uEye XLE 보드 레벨 카메라가 장착된 형광 현미경. 화면에 캡처된 세포가 표시됩니다.
IDS USB3 uEye XLE 보드 레벨 카메라가 장착된 형광 현미경. 화면에 카메라가 캡처한 세포가 표시됩니다.

실험실 테스트를 위해 U3-38J1XLE-C-HQ 를 현미경에 사용했습니다. 카메라는 미세유체 칩에 배치된 인간 세포에서 형광 mRNA를 캡처합니다. 미세유체 칩은 단일 칩에서 복잡한 실험실 기능의 소형화와 통합을 가능하게 합니다. 이를 통해 공간을 절약하고 필요한 샘플을 줄일 수 있습니다. 미세유체 칩에는 분석할 유체가 흐를 수 있는 새겨지거나 모양이 지정된 미세 채널이 포함되어 있습니다. 미세유체 채널을 사용하면 샘플을 매우 작은 부피로 사용할 수 있습니다. Sony 롤링 셔터 센서 IMX415가 장착된 높은 해상도의 카메라 덕분에 개별 세포를 구별할 수 있습니다. 특히 센서의 높은 픽셀 밀도 덕분에 직경이 15μm에 불과한 개별 세포를 표시할 수 있습니다. 파란색 LED가 미세유체 칩의 세포에 에너지를 공급합니다. 이들은 노화 속도에 따라 다양한 강도의 녹색 빛을 방출합니다. 광학 필터는 세포의 녹색 빛만 렌즈를 통해 카메라로 전달할 수 있습니다. 이를 통해 세포의 일반적인 노화율을 결정할 수 있을 뿐만 아니라, 살아있는 세포의 개수도 결정할 수 있습니다.

"이 카메라는 노출 시간이나 색상 필터와 같은 다양한 소프트웨어 관련 설정 옵션을 갖추고 있어 설계 프로세스 전반에 걸쳐 높은 유연성을 유지할 수 있습니다."

— Jonas Schlör, SAGE Payload Engineer —
uEye XLE 카메라, 미세유체 칩 및 LED를 사용한 세포 연구를 위한 현미경 구성
uEye XLE 카메라, 미세유체 칩 및 LED를 사용한 세포 연구를 위한 현미경 구성
카메라는 노화 속도에 따라 다른 양의 녹색 빛을 방출하는 세포를 캡처합니다
세포는 노화 속도에 따라 다른 양의 녹색 빛을 방출합니다.

Jonas Schlör는 "지금까지 이러한 방식으로 유사한 연구가 수행된 적이 없었기 때문에 이 데이터는 매우 의미 있고, 과학적인 연관성이 높습니다."라고 설명합니다. 또한, 형광 현미경에 필요한 복잡한 장치가 필요하지 않아 많은 공간을 절약할 수 있습니다. "또한, 카메라는 노출 시간이나 색상 필터와 같은 다양한 소프트웨어 관련 설정 옵션을 갖추고 있어 설계 프로세스 전반에 걸쳐 높은 유연성을 유지할 수 있습니다." 또한 외부 환경의 까다로운 요구를 충족시켜야 합니다. 여기에는 매우 강렬한 진동의 로켓 발사가 포함되며, 진공 및 우주 복사가 있는 궤도 조건도 포함됩니다.

8.41 MP 및 4K 해상도의 U3-38J1XLE Rev.1.1 카메라는 이러한 유형의 시각화 작업에 특히 적합합니다. 2x2 비닝 기능을 활용하여 전송할 데이터의 양을 1/4로 줄일 수 있으므로 광감도와 프레임률을 모두 높일 수 있습니다. Sony의 IMX415 롤링 셔터 센서는 상세한 이미지 분석을 위해 고해상도 데이터를 제공합니다. 이 IDS 카메라는 공간 절약형 디자인으로 임베디드 어플리케이션에 최적으로 통합 가능합니다. 카메라는 마이크로컨트롤러에 의해 제어되며, 마이크로컨트롤러는 위성에 있는 동안 데이터를 처리하고 압축한 후 지구로 전송합니다. 소프트웨어와 제어 알고리즘은 Swiss Academic Space Initiative의 학생들이 직접 개발하고 테스트합니다.

IDS uEye XLE 고해상도 USB3 카메라
IDS uEye XLE 고해상도 USB3 카메라

시스템 또는 CubeSat에 대한 높은 요구조건: 후자는 하위 시스템 및 구성 요소에 대한 부착 지점을 제공하고, 발사체에 삽입되는 것부터 서비스 수명이 끝날 때까지 위성의 구조적 안정성을 보장해야 합니다. 모든 구성 요소는 가능한 한 가볍고, 상승하는 동안 발사체에서 발생하는 물리적 압박을 견뎌야 하며, 이후에는 우주의 복사 및 온도 변동을 견뎌야 합니다. 위성 프로토타입은 이미 첫 번째 의미있는 결과를 제공했습니다.

전망

이 실험은 3년 동안 진행되도록 설계되었습니다. 연구 결과를 바탕으로 다양한 시나리오를 예상할 수 있습니다. 예를 들어, 과학자들은 특정 치료법이 우주 비행사의 건강을 향상시킬 수 있는지 알아보고자 합니다. 노화 세포는 특히 치매, 동맥 경화, 당뇨병 및 관절염과 같이 노년기의 삶을 어렵게 만드는 다양한 질병의 원인이 될 수도 있습니다. 또한, 종양 진행에도 기여하는 것으로 의심됩니다. 한 연구에 따르면, SARS-CoV-2도 노화를 유발할 수 있으며, 이는 장기간 지속되는 코로나 증상에 대한 가능성 있는 설명입니다.

Swiss Artificial Gravity Experiment는 가능성이 있는 치료법에 흥미로운 접근법을 제공할 수 있었습니다. 건강 증진에 많은 IDS 카메라가 기여하고 있다는 점에서 더욱 기쁜 소식입니다. IDS 창립자이자 소유주인 Jürgen Hartmann은 "모두의 진심이 담긴 어플리케이션"이라고 강조합니다.

uEye XLE USB3 Vision – 지속적으로 비용-최적화

사용 모델: U3-38J1XLE-C-HQ

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