초미세 구조 (생물학)

초미세 구조(ultrastructure)는 표준 광학 현미경보다 높은 배율에서 볼 수 있는 세포 및 생체 재료의 구조이다. 이는 전통적으로 세포, 생물학적 조직 또는 장기와 같은 생물학적 표본을 볼 때 기존 투과전자현미경의 해상도 및 배율 범위를 의미했다. 초미세 구조는 주사 전자 현미경 및 초고해상도 현미경으로도 볼 수 있지만, TEM은 초미세 구조를 보기 위한 표준 조직학 기술이다. 세포가 지정된 환경에서 제대로 기능할 수 있도록 하는 세포소기관과 같은 세포 구조는 초미세 구조 수준에서 검사할 수 있다.

단일 박테리아 세포의 고초균의 초미세 구조. 스케일 바는 200 nm이다.

초미세 구조는 분자 계통 발생과 함께 유기체를 분류하는 신뢰할 수 있는 계통 발생 방법이다.^[1] 초미세 구조의 특징은 재료 특성을 제어하고 생체 적합성을 촉진하기 위해 산업적으로 사용된다.

역사

1931년, 독일 공학자 막스 크놀과 에른스트 루스카는 최초의 전자 현미경을 발명했다.^[2] 이 현미경의 개발과 발명으로, 생물학자들이 세포의 미세 조직에 점차 관심을 갖게 되면서 탐색하고 분석할 수 있는 관찰 가능한 구조의 범위가 엄청나게 증가했다. 이 새로운 연구 분야는 초미세 구조라고도 알려진 하부 구조에 관심을 가졌다.^[3]

응용

많은 과학자들은 다음을 포함하되 이에 국한되지 않는 것들을 연구하기 위해 초미세 구조 관찰을 사용한다:

• 인간 종양^[4]
• 엽록체^[5]
• 뼈^[6]
• 혈소판^[7]
• 정자^[8]

생물학

식물 세포에서 발견되는 일반적인 초미세 구조적 특징은 옥살산 칼슘 결정의 형성이다.^[9] 이러한 결정은 성장 또는 발달에 필요할 때까지 세포 내에 칼슘을 저장하는 기능을 하는 것으로 이론화되었다.^[10]

옥살산 칼슘 결정은 동물에서도 형성될 수 있으며, 신장 결석은 이러한 초미세 구조적 특징의 한 형태이다. 이론적으로 나노박테리아는 옥살산 칼슘 신장 결석 형성을 줄이는 데 사용될 수 있다.^[11]

공학

초미세 구조를 제어하는 것은 세포의 행동을 제어하는 데 공학적 용도로 사용된다. 세포는 세포외기질 (ECM)의 변화에 쉽게 반응하므로, ECM을 모방하는 재료를 제조하면 세포 주기 및 단백질 발현에 대한 제어를 증가시킬 수 있다.^[12]

식물과 같은 많은 세포는 옥살산 칼슘 결정을 생성하며, 이 결정은 일반적으로 식물 세포의 초미세 구조 구성 요소로 간주된다. 옥살산 칼슘은 유약을 제조하는 데 사용되는 재료이며[6], 생체 재료 특성도 가지고 있다. 세포 배양 및 조직공학을 위해 이 결정은 소태아혈청에서 발견되며, 세포 배양을 위한 세포외기질의 중요한 측면이다.^[13]

초미세 구조는 덴탈임플란트를 설계할 때 고려해야 할 중요한 요소이다. 이러한 장치는 뼈와 직접적으로 접촉하므로, 주변 조직에 통합되는 것이 최적의 장치 기능에 필요하다. 치유 중인 덴탈 임플란트에 하중을 가하면 골유착이 얼굴뼈와 함께 증가하는 것으로 밝혀졌다.^[14] 임플란트 주변의 초미세 구조를 분석하는 것은 임플란트가 얼마나 생체 적합성이 있는지, 그리고 신체가 이에 어떻게 반응하는지 결정하는 데 유용하다. 한 연구는 돼지 뼈에서 유래한 생체 재료 과립을 이식하자 인체가 그 재료를 초미세 구조에 통합하고 새로운 뼈를 형성하는 것을 발견했다.^[15]

수산화인회석은 의료 기기를 초미세 구조를 통해 뼈에 직접 연결하는 데 사용되는 생체 재료이다. 이식편은 𝛃-인산삼칼슘과 함께 생성될 수 있으며, 주변 뼈 조직이 새로운 재료를 세포외기질에 통합하는 것이 관찰되었다.^[16] 수산화인회석은 고도로 생체 적합성이 있는 재료이며, 결정 방향과 같은 초미세 구조적 특징은 최적의 생체 적합성을 보장하기 위해 신중하게 제어할 수 있다.^[17] 적절한 결정 섬유 방향은 수산화인회석과 같은 도입된 미네랄을 대체하려는 생물학적 재료와 더 유사하게 만들 수 있다. 초미세 구조적 특징을 제어하면 특정 재료 특성을 얻는 것이 가능하다.