연꽃잎은 자체로 세척하고 방수도 하는 공학적 구조로 되어 있다. 물방울은 표면에 떠다니며, 독특한 질감이 나노 크기의 능선과 주름에 공기를 가둔다. 연꽃잎의 알려진 특징 4가지를 정리하면 다음과 같다.

1. 발수성: 연꽃잎은 매우 강한 발수성을 가지고 있다. 물방울이 연꽃잎 표면에 닿으면 퍼지지 않고 구형을 유지하면서 쉽게 구른다. 이는 연꽃잎 표면에 있는 미세한 나노 구조와 그 위에 있는 왁스층 때문이다. 이러한 특성은 잎에 물이 닿았을 때 잎이 젖지 않고 물이 쉽게 흘러내리도록 한다. 이를 "연꽃 효과"(Lotus Effect)라고도 부른다.

2. 자기 정화 기능: 연꽃잎은 자체적으로 먼지나 오염 물질을 제거할 수 있는 자기 정화 기능을 가지고 있다. 물방울이 잎 표면에 닿아 구르면서 먼지와 오염 물질을 함께 제거한다. 이는 표면의 미세 구조와 발수성 덕분에 가능하며, 자연적으로 청결한 상태를 유지하는 데 도움이 된다.

3. 표면 나노 구조: 연꽃잎 표면은 나노 크기의 돌기들로 덮여 있어 표면적을 증가시키고 발수성을 극대화한다. 이 구조 덕분에 물이 표면에 잘 달라붙지 않으며, 물방울이 구형을 유지하고 쉽게 구를 수 있다.

4. 오염 저항성: 연꽃잎의 발수성과 자기 정화 특성 덕분에 연꽃잎은 오염 저항성이 뛰어나다. 이러한 특성은 연못이나 호수 같은 환경에서 연꽃이 깨끗하고 건강하게 자라는 데 기여한다.

이러한 연꽃의 특성을 이용하여 라이스 대학교 생물공학자들은 연구하기 어려운 종양 특성을 밝혀낼 수 있는 암세포 클러스터를 배양하는 시스템을 개발했다고 보고했다. 새로운 산화 아연 기반 배양 표면은 연꽃잎 표면 구조를 모방하여 3차원 나노스케일 종양 모델을 생성하고 조정할 수 있는 플랫폼을 제공한다.

라이스 생명공학자 마이클 킹과 공동 연구자들이 설계한 초소수성 어레이 디바이스(SHArD)는 암의 진행을 연구하기 위한 조정 가능하고 컴팩트하며 생리학적으로 관련성 있는 모델을 만드는 데 사용될 수 있다. 이 연구에는 전이도 포함된다. 전이는 암세포가 원발 종양 부위에서 혈류를 통해 신체의 다른 부분으로 이동하는 질병 단계이다.

"암 사망의 주요 원인 중 하나인 전이에 관한 연구는 정확하고 처리량이 높은 모델을 개발하는 것이 어렵기 때문에 부분적으로 특별한 과제를 안겨줍니다. 이 도구가 질병의 이 문제적 단계에 대한 새로운 지식을 제공하고 이를 중단하거나 예방하기 위한 개입 방법을 식별하는데 도움이 되기를 바랍니다." ACS Nano에 게재된 새로운 배양 플랫폼을 설명하는 연구의 책임 저자인 킹의 말이다.

과학자와 임상의는 이제 순환 종양 세포(전이의 주요 지표)를 포함하는 혈액샘플에 의존하여 원발성 종양의 특성과 암이 퍼지는 원인을 이해한다. 종종 "액체 생검"이라고 불리는 이 샘플링 접근 방식은 일반적으로 전이 과정에 대한 심층적이고 대규모 연구를 가능하게 하는 데 충분한 "캐치"를 제공하지 않는다.

“'숫자의 안전'은 불행히도 혈류를 순환하는 암세포에도 적용됩니다. 혼자 이동하는 암세포는 전단 응력 파괴나 면역 세포 공격에 굴복할 가능성이 더 큽니다. 그러나 암세포가 그룹으로 이동할 때 신체의 다른 부위에 성공적으로 도달하여 정착할 가능성이 높아집니다.”라고 연구의 공동 저자인 킹 연구실의 연구원 알렉산드리아 카터가 말했다.

단일 혈액 채취에서 그 몇 개의 단독 암세포는 이미 드물어서 자세한 연구를 위해 충분한 클러스터를 분리하기는 특히 어렵습니다. 이것이 SHArD가 원발성 및 전이성 암을 이해하는 데 흥미로운 새로운 도구인 이유이다. 킹 연구실은 이전에 할로이사이트의 나노로드 층을 만드는 데 성공했다. 할로이사이트는 자연적으로 발생하는 물질로, 그 질감이 순환하는 종양 세포의 접착을 촉진하고 동시에 혈액 세포를 밀어낸다.

"칼라나 자야와르다나가 2018년에 새로운 박사후 연구원으로 우리 연구실에 합류했을 때, 그는 산화아연 나노로드 표면을 성장시키는 실험을 시작했습니다. 처음에는 특정 용도를 염두에 두지 않았지만, 새로운 소재가 암 생물학에 유용한 특별한 특성을 가질 것이라는 호기심과 희망이 있었습니다."라고 텍사스 암 예방 및 연구소 학자 킹이 말했다.

이 프로젝트는 나중에 킹 연구실의 박사과정 학생인 마리아 로페스-카베스타니(Maria Lopez-Cavestany)가 인수하여 흥미로운 방향으로 나아갔다. 현재 박사 학위를 취득한 카베스타니가 이 연구의 첫 번째 저자이다. 연구자들은 산화아연 나노튜브의 안정적인 "카펫"을 성장시킬 수 있게 되자, 그 위에 테프론과 같은 코팅을 추가했는데, 본질적으로 연꽃잎 구조를 재현한 것이다. 나노스케일 거칠기와 소수성 층이 결합하여 진정한 초소수성을 만들어냈는데, 이는 그리스어로 "물에 대한 극심한 두려움"을 뜻하는 단어에서 유래했다. 연구자들은 SHArD를 만들기 위해 완벽한 크기의 구획이 있는 마이크로웰 그리드를 추가한 다음 시스템을 테스트하여 성능을 평가했다.

"SHArD는 생물의학 연구에 사용할 준비가 되었습니다. 클린룸 접근이 가능한 모든 연구실은 저희 프로토콜을 따르고 특정 연구 프로젝트의 정확한 요구 사항을 충족하는 이 플랫폼 버전을 만들 수 있습니다."라고 연구원 카터가 말했다.

원래는 더 높은 처리량으로 원발성 종양 모델을 안정적으로 배양하는 수단으로 의도되었지만, SHArD는 조정 가능하며 전이성 클러스터를 배양하는 데도 쉽게 적용할 수 있다. SHArD가 원발성 종양의 구형 모델을 배양하는 데 성공적으로 사용되었다는 사실은 이미 암 모델링 툴킷을 확장하여 고도로 특수화된 장비가 없어도 초소수성 배양 장치를 만드는 것이 가능해졌다.

킹은 "클러스터 형성 장치는 말기 암 환자의 혈류에서 발견되는 위험한 클러스터에 관한 새로운 연구 분야의 문을 열었습니다."라고 이번 연구의 의미를 설명했다.

참조:
Maria Lopez-Cavestany, Olivia A. Wright, Noah T. Reckhorn, Alexandria T. Carter, Kalana Jayawardana, Tin Nguyen, Dayrl P. Briggs, Dmitry S. Koktysh, Alberto Esteban Linares, Deyu Li, Michael R. King. Superhydrophobic Array Devices for the Enhanced Formation of 3D Cancer Models. ACS Nano, 2024; DOI: 10.1021/acsnano.4c08132