하나의 암 세포에서 한번에 100개의 바이오마커 추적가능!!

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2013-03-25

더 나은 암 진단과 치료는 분자 수준에서 하나의 단일 세포를 더 잘 이해하는 능력으로 결정될 수 있다. 이번 연구는 일련의 색상을 이용해서 왜 세포가 암세포로 되는지 혹은 되지 않는지를 보여주고 있어 하나의 세포의 독특한 행동을 더 광범위하게 이해하는 방법을 제공한다. 미국 워싱턴대(University of Washington)에서 새로운 방법으로 색상을 암호화할 수 있는 세포를 개발하여 100여 종의 바이오마커(biomarker)를 규명할 수 있다. 이는 현존하는 방법에 비해 10배 증가한 것으로 배양 세포와 조직 시료에서 관련 연구에 효율성을 가져다 줄 것으로 보인다. 이번 연구는 3월 19일자 네이처 통신(Nature Communications)에 게재되었다. “이 과정을 발견한 것은 관련 분야에 전례없이 획기적인 일”이라고 워싱턴대 생체공학과 부교수이자 이번 논문의 교신 저자인 시아후 가오(Xiaohu Gao)가 말했다. “이 기술은 단일 세포 분석과 임상 진단을 위해 흥미로운 기회를 여는 것”이라고 시아후 가오는 덧붙였다. 이번 연구는 훨씬 작은 배열의 색상을 사용하여 단일 세포의 바이오마커-특별하고 잠재적으로 비정상적이거나 질병에 걸린 세포를 나타내는 특성을 파악하는 현존하는 방법을 구축한 것이다. 이상적으로 볼 때, 과학자들이 대량의 바이오마커를 테스트할 수 있을 것이며 이는 테스트로 나타나는 패턴을 통해 단일 세포의 속성을 이해할 수 있다. 워싱턴대 연구진은 한 가지 순환 과정을 만들었으며, 이를 이용하면 과학자들이 단일 세포에서 최고 100여 종의 바이오마커를 테스트할 수 있다. 이전에는 연구자들이 한 번에 단지 10여 종을 테스트할 수 있었다. 특히 암 연구와 치료에서 세부적으로 연구하기 위해 단일 세포 수준에서 관찰하는 것이 중요하다. 예를 들어 한 명의 인체에 존재하는 암 세포의 99%가 단일 약물 치료에 반응하나 1%가 그렇지 않다면, 다르게 반응하는 1%의 분자 구성을 분석하고 이해하는 것이 중요하다. 이 분석은 반도체 재질의 형광 공(fluorescent balls)이라 하는 양자 점(quantum dots)을 사용한다. 양자 점은 스마트 폰과 라디오 등 다양한 전자제품에서 발견되며 이 보다 훨씬 작은 버전이다. 이러한 양자 점은 직경 2~6나노미터이며 크기에 따라 방출되는 색상이 다양하다. 순환 테스트는 이전에 수행되지 않았지만 단일 세포에서 다수의 바이오마커를 테스트하기 위해서 많은 양자 점 페이퍼를 확장시켜왔다. 이 방법은 필수적으로 동일한 조직 시료를 재사용하여 매 사이클에서 10개의 그룹으로 이루어진 바이오마커를 테스트한다. “단백질은 세포 기능과 세포 행동을 위해 필요한 초석(building block)이지만 세포에서 그들의 구성이 아주 복잡하다”고 가오 교수가 말했다. “여러분이 세포에서 무슨 일이 일어나는지 알기 위해서 수많은 지표-바이오마커-를 조사할 필요가 있다”고 가오 교수는 덧붙였다. 새로 개발된 프로세스는 다음과 같다: 가오와 그의 연구진은 단일 세포에서 테스트하고 싶은 특정 바이오마커와 결합하는 것으로 알려진 항체를 구입하였다. 그들은 양자 점과 이들 항체들을 짝으로 유체 용액에서 반응시킨 후 이를 조직 시료에 주입하였다. 다음으로 그들은 현미경을 사용하여 그 세포에서 형광 색상이 나타나는지를 관찰하였다. 그들이 특정 양자 점 색상을 그 조직 시료에서 보게 된다면 그들은 짝을 이룬 바이오마커가 그 세포에 존재한다는 것을 알게 되는 것이다. 한 사이클을 완료한 후, 가오 교수와 그의 공동 저자인 워싱턴대 생체공학과 박사과정 학생인 파벨 즈라헤브스키(Pavel Zrazhevskiy)는 낮은 산도(pH)의 유체를 세포 조직에 주입하여 형광 색상을 중화시키는데, 이는 다음 사이클을 위해 시료를 깨끗하게 닦아내기 위한 필수 과정이다. 주목할 점은 조직 시료는 사이클을 심지어 10번이나 진행한 후에도 손상되지 않는다는 것이라고 가오 교수가 말했다. “여러분이 꽤 괜찮은 약물을 처리할 때 그에 반응하지 않는 세포 몇 개가 아직 있다. 그들은 똑같아 보이지만 여러분은 그들을 구성하는 단백질을 분자적 수준에서 볼 수 있는 방법을 가지고 있지 않다. 이번 연구는 정말로 여러분이 새로운 약물과 치료 법을 개발할 수 있도록 돕게 될 것”이라고 가오 교수가 말했다. 가오 교수는 프로세스를 비교적 적은 비용으로 할 수 있으며 간단해서 자동화가 가능할 것이라고 기대하고 있다. 그는 하나의 작은 방과 같은 챔버(chamber)에 조직 시료를 두고 선이 가는 펌프를 통해 유체를 몇 번의 사이클로 주입하고 빼내는 방식을 구상하고 있다. 현미경이 그 챔버 아래에 있어서 매 단계마다 사진을 찍을 것이다. 찍은 사진들은 모두 컴퓨터로 수치화될 수 있을 것이며 과학자들과 의사들은 색상의 강도와 분포를 관찰할 수 있을 것이다. 가오 교수는 자동화와 임상 상용을 위해 회사와 기타 연구진들과 협력하길 기대하고 있다. “기술은 준비되어 있다. 이제 그것이 개발되었으니 우리는 특히 시스템 생물학, 종양학과 병리학 분야에서 임상에 미칠 파급 효과를 기대하고 있다”고 가오 교수는 말했다. 그림1. 두 번의 테스트를 거친 세포 시료. (위) 두 종류의 바이오마커가 녹색과 빨간색으로 각각 염색 (아래) 시료가 재생산된 후에 동일한 바이오마커를 빨간색과 녹색으로 염색. 동일한 조직이 몇 번의 사이클을 통해 조직 손상 없이 테스트 가능함을 보여 줌 그림 2. 워싱턴대 생명공학 연구실의 가오 교수와 박사과정 학생인 파벨 즈라헤브스키 그림3. 이번 연구에 도입된 프로세스 개요 tenfold-1.jpg tenfold-2.jpg 54101_tenfold.jpg http://www.eurekalert.org/pub_releases/2013-03/uow-tbi031813.php