DGIST 대구경북과학기술원

- DGIST 김민석 교수팀, ㈜씨티셀즈와 공동연구로 희소 세포를 손실 없이 분석 가능한 플랫폼 개발

- 면역세포화학 기술 구현과 동시 높은 세포 보존율 및 재현성 확보

- 결과는 ACS Applied Materials & Interfaces에 게재

 DGIST(총장 국양) 뉴바이올로지학과 김민석 교수팀이 임상 시료 중 극미량으로 존재하는 희소 세포 분석에 용이한 무손실 면역세포화학(Immunocytochemistry) 기술을 개발했다. ㈜씨티셀즈와 공동으로 개발한 해당 기술은 초박막 하이드로젤을 이용하여 유체 교환은 용이하되 세포 손실은 막음으로써, 기존의 세포 염색 기술보다 높은 세포 보존율과 재현성을 확보했다. 희소 세포를 손실 없이 분석할 수 있기에 향후 임상 연구에서 실용화되어 활용될 것으로 기대하고 있다.

 최근 항암제가 다양하게 개발되어 암의 치료 가능성은 증대하고 있으나, 변이 또는 전이가 빈번하게 발생하는 암에 대한 정확한 정보를 얻는 것은 여전히 어렵다. 현재 암 유전정보를 확인하는 방법으로는 암 조직을 이용하여 진단하는 조직생검법과 혈액 등을 이용한 액체생검법이 있다. 그 중 액체생검법이 보다 효율적인데, 인체에 고통을 주지 않는 비침습적 검사를 통해 암의 정보를 확인할 수 있으며, 순환종양세포(Circulating tumor cell; CTC)를 이용할 경우 모든 암 유전정보를 가지고 있기에 더욱 정확한 진단이 가능하다. 암 진단 외에도 산전진단 시 임산부 혈액 내의 태아세포를 분리하게 되면 더욱 정확한 비침습 산전진단을 할 수 있어서, 임상 시료 내에 존재하는 희소 세포 분석 기술은 미래 진단 기술의 기반으로써 그 의미가 크다.

 하지만 이러한 순환종양세포 또는 태아세포는 혈액 내 아주 극미량으로 존재하기에 분석이 매우 까다롭다. 1 mL의 혈액에 수 개밖에 존재하지 않기 때문에, 기존 기술로는 분석 과정 중에 생길 수 있는 손실로 결과에 큰 오류가 생기거나, 분석 중 세포의 형태를 변형시킬 수 있기에 정확한 정보를 얻기 힘들다는 문제점이 있다.

 이에 김민석 교수팀은 ‘초박막 하이드로젤 제어 기술’을 개발하여 세포를 포획 또는 염색하는 과정 중에서 발생할 수 있는 세포의 손실을 원천적으로 차단하고, 세포의 형태학적 변형을 최소화했다. 해당 기술은 기존 기술 대비 월등히 높은 (97% 이상) 세포 보존율을 보여주었고, 양산 부산대학병원 오소연 교수팀과 삼성창원병원 김영준 교수팀과의 공동연구를 통해 임상적 유용성도 확인했다. 또한, 분당차병원 류현미 교수팀과의 공동연구를 통해 산전진단을 위한 순환 태아세포의 검출과 같은 다양한 희소 세포 분석에도 사용할 수 있음을 확인했다.

 DGIST 뉴바이올로지학과 김민석 교수는 “이번에 개발한 무손실 면역세포화학 기술은 희소 세포기반 진단 분야의 요소 기술로써 진단의 정확도를 높일 수 있는 의미있는 연구”라며 “해당 기술이 암의 조기 진단 및 산전진단의 정확도 향상에 도움을 주고 다양한 희소 세포 기반 임상시료 분석에 활용될 수 있기를 희망한다.”고 밝혔다.  

 한편, 이번 연구는 연구재단의 기초연구실 (Basic Research Laboratory) 과제의 일환으로 진행되었으며, 연구 결과는 3월 ACS Applied Materials & Interfaces 저널에 게재되었고, Cover art로 선정됐다. 해당 기술은 ㈜씨티셀즈에 기술이전 되어 상용화가 진행 중에 있다.

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연구결과개요

Lossless Immunocytochemistry Based on Large-Scale Porous Hydrogel Pellicle for Accurate Rare Cell Analysis

Hyeong Jung Woo, Seung-Hoon Kim, Hyun Gyu Kang, Taehoon Kim, Sooyeol Kim, Jong Man Kim, Jae Young Kim, Seung Joon Lee, Young Zoon Kim, So Yeon Oh, Ji Hyae Lim, Hyun Mee Ryu, and Minseok S. Kim*

(ACS Appl. Mater. Interfaces, published on 21th February, 2023)

순환종양세포나 순환태아세포와 같은 희귀세포는 암의 진단과 예후, 산전진단에 중요한 정보를 제공한다. 그러나 이러한 희귀세포는 매우 정밀하게 분석될 필요가 있다. 희귀세포의 세포의 과소 계수는 후속 치료에서 심각한 오진 및 잘못된 결정으로 이어질 수 있으므로 세포 손실을 최소화하는 것이 중요하다. 또한, 세포에 대한 형태학적 및 유전적 정보는 추가적인 분석을 위해 가능한 한 그대로 보존되어야 한다. 그러나 기존의 면역세포화학(Immunocytochemistry, ICC) 기술은 이러한 요구 사항을 충족하지 못하며 예기치 않은 세포 손실 및 세포 소기관의 변형을 일으켜 양성 및 악성 세포의 분류의 정확성을 감소시켜왔다. 본 연구에서는 희소 세포 분석의 진단 정확도를 향상하고 온전한 세포 형태를 보존하는 무손실 세포 분석 기술을 개발하였다. 이를 위해 재현 가능한 다공성 하이드로겔 박막 형성 기술이 개발되었다. 이 하이드로겔은 세포를 캡슐화하여 반복적인 시약 교환으로 인한 세포 손실을 최소화하고 세포 변형을 방지하였다. 소프트 하이드로겔 박막은 추가 다운스트림 분석을 위해 안정적이고 손상되지 않은 세포 추출을 가능하게 하였다. 초박막 하이드로젤 기반 무손실 ICC 플랫폼은 견고하고 정밀한 희귀 세포 분석을 위한 다양한 임상 분석에 활용될 것이다.

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연구결과문답

Q. 이번 성과 무엇이 다른가?

기존의 면역형광염색 방법은 세포 손실 및 세포 소기관의 변형을 일으켜 양성 및 악성 세포의 분류의 정확성을 감소시키고, 세포의 수를 원래보다 적게 분석하게 됩니다. 또한 유전분석과 같은 단일세포 레벨의 후단 분석이 어려워집니다. 본 기술은 무손실 무변형 면역형광염색법으로 세포의 수를 정확하게 평가하고 세포의 형태를 보존하여 더 정확한 진단을 가능하게 합니다.

Q. 어디에 쓸 수 있나?

암환자의 정밀 진단을 가능하게 하는 순환종양세포 검출이나 산전진단에 활용할 수 있는 순환 태아세포 검출 등 희소세포에는 모두 유용하게 활용 가능합니다.

Q. 실용화까지 필요한 시간과 과제는?

실용성에 초점을 맞춘 기술로, 대량생산 등의 준비 이후 빠른 시일내에 상용화가 가능할 것이라 생각합니다.

Q. 연구를 시작한 계기는?

순환 종양세포의 분리는 많은 연구가 진행되었으나 분석은 상대적으로 적은 관심을 받았습니다. 분리도 중요하지만 제대로 분석해 내지 못하면 임상적 유용성이 없어지는 것은 동일하다고 생각, 희소세포에 적합한 분석 기술 플랫폼을 개발하게 되었습니다.

Q. 어떤 의미가 있는가?

본 기술은 희소 세포 분석에서 기존 분석 기술의 한계로 여겨졌던 세포의 손실과 형태변형과 같은 문제점을 해결, 분석의 재현성과 정밀도를 확보하였으므로 순환종양세포와 같은 희소 세포 분석을 통한 임상에서의 활용에 큰 도움이 될 것이라 생각합니다.

Q. 꼭 이루고 싶은 목표는?

본 연구를 통해 개발된 분석기술은 빠른 시일내에 상용화가 가능한 기술로써 많은 희소세포 연구자들에게 도움이되는 기술로 확대되기를 기대합니다.

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그림설명

[그림 1]  희소 세포 분석을 위한 플랫폼의 구조

(a) 플랫폼 구성 요소: HypICC 챔버, 겔 안정제 및 두께 조절기. (b) 조립된 HypICC 플랫폼의 확대된 단면 이미지. (c) HypICC 플랫폼을 사용하여 세포 무손실 면역형광염색을 위한 세포 준비 절차.

[그림 2] 기존기술 대비 본 기술의 우위성