홀로그래피·인공지능 기술로 질환 연구 새 지평 열다


대사 질환의 원인에 대한 정량적 분석과 표적 나노약물의 개발·효과 검증


KBSI, 국산연구장비 성능향상사업과 중앙대와의 공동연구 결실



▲ 거품세포 및 살아있는 세포에 대한 약물 처리 후 지질방울의 24시간 정량적 변화를 관찰해 약물의 효과를 검증



 염색 등 전처리 과정 없이 생체와 유사한 상태의 세포를 관찰하며 실시간으로 내부 물질의 양적 변화도 측정할 수 있는 분석기술이 개발됐다. 향후 질환에 대한 이해와 치료제 개발 등 관련 분야에서의 연구에 폭넓게 활용될 것으로 기대된다.


 한국기초과학지원연구원(원장 신형식, 이하 KBSI) 광주센터 이성수 박사 연구팀과 중앙대학교(이하 중앙대) 시스템생명공학과 박경순 교수 연구팀은 인공지능(AI) 기반 3차원 홀로그래피 기술로 특정 세포를 인식하고 세포의 굴절률을 측정해 세포 내 특정물질의 양을 분석할 수 있는 기술을 개발했다. 또한, 기술의 적용사례로써 거품세포(Foam Cell)*의 분화 과정에 따른 지질방울(Lipid droplet)의 변화를 정량적으로 분석했다. 새로 개발된 분석기술은 3D 홀로그래피 현미경 장비를 활용했다.


* 거품세포(Foam Cell) : 동맥 내에 있는 대식세포(침입한 세균 등을 포식하는 면역세포의 일종으로 혈관 내 지방성 침전물을 제거하는 역할도 함)내에 과도하게 지방이 쌓이면 거품세포로 분화하게 되는데, 이렇게 만들어진 거품세포는 혈관 내에서 만성염증을 유발하는 등 동맥경화의 원인이 된다.


 세포 내 물질을 정량적으로 분석하는 기존 방법은 세포 내에 침투하는 염색약을 이용하는 것으로, 화학물질인 염색약이 세포에 미치는 각종 영향과 유해성이 분석의 정확성을 떨어뜨릴 수 있다는 이슈가 지속적으로 제기되어 왔다. 이번에 공동연구팀이 개발한 인공지능(AI) 기반 3차원 홀로그래피* 기술을 응용하면 별도의 전처리 과정 없이 살아있는 세포 내부 물질을 정량화 할 수 있어, 생체 내에서와 유사한 상태의 세포를 분석하게 되므로 보다 정확한 정보를 얻을 수 있다.


* 홀로그래피 : 분석시료에서 빛의 진폭, 위상(phase), 간섭 등의 정보를 취합하여 컴퓨터 연산을 통해 영상의 형태로 빛의 분포를 재구성·재현해내는 기술


▲ 굴절률 분석을 통한 대식세포(C,E) 및 거품세포(D,F)의 2차원, 3차원 구조


 KBSI 이성수 박사 연구팀은 이번에 개발한 분석기술을 활용해, 인공지능으로 세포를 식별하고 24시간동안 관찰함으로써, 단일 세포 수준에서 대식세포(Macrophage)와 거품세포의 빛에 대한 굴절률, 부피, 세포 내 지질방울 개수 등을 분석했다. 특히, 대식세포가 과도하게 쌓인 지방에 의해 거품세포로 분화하는 과정을 3D 홀로그래피 현미경으로 관찰하며, 대식세포 내의 지질방울(Lipid droplet)의 양적 변화를 분석했다.


 중앙대 박경순 교수팀은 거품세포에 특이적으로 결합하여 세포 내에 직접 작용하는 표적 나노약물을 개발했다. 이 약물은 거품세포에 작용해 콜레스테롤을 세포 밖으로 배출시키는 역할을 함으로써 지질방울이 과다하게 축적되지 못하게 한다.

▲ ACS Nano (2020.2) 속표지(Supplementary Journal Cover)



 이번 공동연구는 나노분야 국제학술지 ACS Nano誌 (IF=13.903, 논문명 : Label-Free Tomographic Imaging of Lipid Droplets in Foam Cells for Machine-Learning-Assisted Therapeutic Evaluation of Targeted Nanodrugs)를 통해 2월 25일 발행되었으며 동시에 속표지(Supplementary Journal Cover)로도 선정되어 우수성을 인정받았다.


 제1저자로는 KBSI 소속 박사후연구원인 박상우 박사를 비롯, 중앙대 안재원 박사과정 대학원생, KAIST 조영주 학생(현 스탠포드대 대학원생)이 참여했다.


 공동 교신저자인 KBSI 이성수 박사와 중앙대 박경순 교수는 “현대인의 과도한 지방섭취 식습관과 운동부족으로 과다 축적되는 지방이 야기하는 퇴행성 질환들을 더 깊게 이해하고, 신규 치료제 및 표적 나노약물 개발을 위한 새로운 전략을 세우는 데 이번 연구가 도움이 될 것”이라고 밝혔다.


 또한,  KBSI 이성수 박사는 “이번 연구 성과는 홀로그래피 분야 연구장비 벤처기업인 ㈜토모큐브, 중앙대 박경순 교수팀, KAIST 박용근 교수팀과 함께 장기간 축적해온 노하우를 바탕으로 새로운 분석기술을 개발하고, 국산연구장비의 신뢰성을 인정받은 것으로 그 의미가 더욱 크다”고 밝혔다.


 이번 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단의 중견연구, 중대형융합형성장지원, 학문후속세대양성, 보건복지부 한국보건산업진흥원의 연구자주도질병극복연구, KBSI의 국산연구장비성능향상사업의 지원으로 이뤄진 것이다. 향후 KBSI 광주센터가 보유한 3D 홀로그래피 현미경, 비선형다중여기시스템(Intravital Multi-photon Microscope), 발광-형광전임상분자영상시스템(IVIS Spectrum) 등 첨단 분석장비와 고령동물생육시설(AFAS)의 퇴행성 질환 모델 동물을 활용해 신규 발병기전을 규명하는 등 후속연구를 이어나갈 계획이다.


 이번 공동연구 성과에 대해 KBSI 신형식 원장은 “이번 분석기술 개발과 응용 연구성과는 출연(연)과 대학, 연구장비 전문기업까지 모두 함께 협력하며 이뤄낸 것으로써, 국산 연구장비 개발과 성능향상, 검증, 사업화에서 이어지는 응용 연구까지 연구장비 산업 전 과정에 걸쳐 또 하나의 혁신적인 성공사례로 꼽을 수 있을 것”이라고 밝혔다.  <끝>


▲ 공동연구진 : 상단 오른쪽부터 왼쪽으로 (제1저자) KBSI 박상우 박사후연구원, 중앙대 안재원 박사과정 대학원생, KAIST 조영주 학부생. 하단 오른쪽이 (교신저자) KBSI 이성수 책임연구원, 왼쪽이 중앙대 박경순 교수