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Research

원하는 세포 조합,‘자유자재’로 만들어낸다! 세포 클러스터링 플랫폼 개발

  • 조회. 130
  • 등록일. 2022.04.27
  • 작성자. 대외협력팀

- DGIST 화학물리학과 김철기 교수팀, 단일 세포의 물리적 변수 및 개수에 따라 원하는 세포 간의 조합을 만들어 낼 수 있는 다중 자성 기반 세포 집게 플랫폼 개발

- 암 전이, 면역항암제 및 개인 맞춤형 약물개발 등의 차세대 세포 진단 및 치료 연구 등에 활용 기대

 

[DGIST 화학물리학과 김철기 교수(가운데)와 연구진]

 

 DGIST(총장 국양)는 화학물리학과 김철기 교수 연구팀이 단일 세포의 물리적 특성에 따라 세포 상호작용 분석이 가능한 다중 세포 클러스터링 플랫폼을 개발했다고 26() 밝혔다. 세포 엔지니어링을 비롯한 개인별 맞춤형 약물개발 등의 차세대 바이오 의약품 연구에서 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

 생물체를 구성하는 세포는 크기, 형태, 단백질 수치 등 생물리학적 특징에 각각 차이가 있다. 세포 간 이질성 연구는 세포 생물학, 면역학, 신경학 등의 분야에서 풀지 못한 다양한 문제를 해결할 수 있는 열쇠다. 이러한 연구를 위해 필요한 것이 다중 세포 클러스터링 기술인데, 이는 단일 세포 수준에서의 이질적인 특성에 따라 정교한 분리 기술과 원하는 세포간의 조합을 만들어 낼 수 있는 기술이다. 기존의 세포 클러스터링 기술들은 세포의 물리적 변수에 따른 단일 세포의 유연한 조작이 어려우며 프로그래밍된 자동화 시스템 구축에 한계가 있었다.

 이에 DGIST 김철기 교수 연구팀은 자기를 띤 물체가 나타내는 미세한 패턴과 자기장 제어를 통해 단일 세포의 위치를 정밀하게 제어하면서, 세포의 크기 및 개수의 변수를 제어하여 다양한 세포 클러스터링을 형성할 수 있는 시스템 개발에 성공했다. 연구팀이 개발한 세포 클러스팅 플랫폼은 단일 세포 단위의 프로그램화된 제어와 다중 세포의 병렬 제어가 가능한 자기영동 회로 기술을 도입함으로 다중 세포를 단일 세포 단위로 제어할 수 있으며, 세포의 크기 및 개수의 두 변수를 조절하여 원하는 세포 클러스터링을 형성할 수 있다.

 또한, 김철기 교수팀은 개발한 세포 클러스터링 기술을 활용해 미세 자석의 형태를 변경하는 것만으로도 단일세포의 물리적 특성에 따라 제어 및 분리를 할 수 있는 디바이스를 개발했다. 또한, 분리 소자와 기존의 전류 인가 소자를 통합하여 크기 및 개수를 프로그램화시켜 제어할 수 있는 세포 클러스터링 플랫폼을 구현하였다. 이 플랫폼을 활용해 면역 세포와 암세포의 크기와 개수에 따라 다양한 클러스터링 조합을 성공적으로 형성했다.

 DGIST 화학물리학과 김철기 교수는 이는 단순히 단일 세포를 정밀 제어하는 것을 넘어서, 단일 세포가 가지는 물리적 특성을 기반으로 목적에 따라 원하는 세포 간의 조합을 만들어 낼 수 있는 새로운 플랫폼이다.”자성 회로 기반의 다중 세포 클러스터링 플랫폼은 세포 단위 진단, 단일 세포 규모의 연구와 면역항암제 개발, 신약 개발을 위한 약물 스크리닝, 환자 맞춤형 표적 치료제 개발과 같은 차세대 치료법 연구 등의 응용 분야에 활용 수 있다고 밝혔다.  

 한편, 이번 연구는 DGIST 화학물리학과 윤종환강유민 석박사통합과정생의 주도로 진행됐으며, 결과는 세계적인 학술지인 어드밴스드 사이언스(Advanced science)’20211215일 온라인판에, 2022224일 표지 논문으로 각각 게재됐다. 또한, 과학기술정보통신부 및 한국연구재단 선도연구센터인 자성기반 라이프케어 연구센터의 지원을 받아 진행됐다.

 

 

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연구결과개요

Magnetophoretic micro-distributor for controlled clustering of cells

(윤종환, 강유민, 김현설, Sri Ramulu Torati, 김건목, 임병화*, 김철기*)

(Advanced Science, 2022, 9.6: 2270033, on-line published on 12.15, 2021)

 

세포들은 서로 간 상호작용을 통해 면역 반응, 암 전이 등 다양한 현상을 조절한다. 예를 들어 면역 세포는 표적세포와 상호작용하는데, 면역 세포의 형태, 크기, 개별 세포의 이질성 및 표적세포와의 개수 비율에 따라 다른 면역 반응을 보인다. 이와 같은 다양한 상호작용을 분석하기 위해 인공적으로 형성된 세포 클러스터링이 in vitro 세포 모델로써 활용되고 있으며, 단일 세포 단위로 세포를 제어하여 더욱 효과적으로 세포 클러스터링을 형성할 수 있는 기술의 개발이 요구되고 있다.

본 연구에서는 초상자성 입자와 미세 자성 패턴을 이용하여 단일 세포의 위치를 정밀하게 제어하면서, 세포 크기 및 개수의 물리적 변수를 제어하여 다양한 세포 클러스터링을 형성할 수 있는 시스템을 개발하였다. 단일 세포는 초상자성 입자로 표지되어 자기력을 통해 그 위치를 제어할 수 있고, 개발된 시스템은 타원형의 미세 자성 패턴과 전류 인가 소자로 구성되어 각각 순차적으로 크기별 분리와 개수 제어가 가능하도록 설계되었다. 특히 크기별 분리는 세포 크기에 따른 저항력으로 인해 입자가 점프하는 특이한 동적 현상을 이용하였다. 입자는 자성 패턴을 따라 움직일 때 저항력에 따라 점프하는 것처럼 미세 자성 패턴에서 떨어져 나간다. , 점프를 통해 입자의 위치를 바꾸고 분리할 수 있다.

본 연구에서는 수치적 시뮬레이션을 통해 세포의 크기에 따른 저항력과 타원형 자성 패턴의 종횡비에 따른 자기력을 계산하였고 세포의 크기별로 점프 현상이 나타나는 종횡비 조건을 찾을 수 있었다. 3-20 um의 범위에서 크기별로 분리 가능한 조건을 분석하였고, 조건에 따라 설계된 소자를 활용하여 89%의 분리 효율을 얻을 수 있었다. 또한, 면역 세포(THP-1)와 암세포(MCF-7)의 크기와 개수를 제어하여 효과적으로 세포 클러스터링을 형성할 수 있다.

따라서 본 연구를 통해 개발된 시스템은 단일 세포 단위로 세포의 물리적 특성 및 개수를 정밀하게 제어 가능하며 다양한 세포 간 상호작용 연구를 위한 효과적인 플랫폼으로써 활용될 수 있을 것이다.

 

 

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연구결과문답

Q. 이번 성과 무엇이 다른가?

기존의 미세유체학, DEP 등의 입자 제어 기술을 활용하여 세포 클러스터링을 형성하는 시스템이 연구되고 있지만, 단일 세포 단위의 제어와 세포의 물리적 특성 및 개수의 제어가 가능한 시스템은 극히 드물다. 본 연구는 단일 세포 단위의 프로그램화된 제어와 다중 세포의 병렬 제어가 가능한 자기영동 회로 기술을 도입함으로써 다중 세포를 단일 세포 단위로 제어할 수 있으며 세포 크기 및 개수의 두 변수를 조절하여 원하는 세포 클러스터링을 형성할 수 있다는 장점이 있다.

Q. 어디에 쓸 수 있나?

미세 자성 패턴으로 이루어진 소자로서 집적도가 높고, 자성 입자의 특성과 상관없이 세포의 특성에 따라 동작하도록 설계하였기에 세포가 표지된 자성 입자만을 특정 위치에 자동화 분리 및 포집할 수 있어 기존보다 효과적인 랩온어칩 시스템으로서 세포 상호작용 연구에 활용될 수 있을 것이다. 또한 개방된 채널 구조에서 수행되기에 단일 세포 분석 장비와 자유롭게 액세스할 수 있으며 다양한 세포 분석 기술과 협업을 할 수 있다.

Q. 실용화까지 필요한 시간과 과제는?

자기 영동 회로 기술은 자성 표지 및 비표지 방식 모두 가능한 입자 제어 기술로 전자회로 소자와 같이 다양한 제어 기능을 가진 소자가 개발되어 실험실 수준에서 그 기능을 입증한 단계이다. 실용화를 위해서는 여러 소자들을 통합하여 활용 목적에 따라 필요한 제어 기능을 가진 초기 모델의 개발이 필요할 것이다. 본 연구 결과를 시작으로 세포 분석을 위한 다양한 프로토타입이 개발될 것으로 기대된다.

Q. 연구를 시작한 계기는?

질병 진단, 모니터링 및 치료 분야에서 단일 세포 분석 기술이 응용되면서 단일 세포 수준의 세포 제어 기술의 필요성이 증가하고 있다. 자성 기반의 입자 제어 기술을 공부하면서 이를 응용한 세포 제어 기술 개발 연구를 시작하게 되었다.

Q. 어떤 의미가 있는가?

기존의 자기영동 회로 소자는 자성 입자의 특성을 기반으로 분석되고 개발되었다. 이에 반해 본 연구는 세포 특성을 고려하여 제어 조건을 분석하였기 때문에 단일 세포 수준의 정밀하고 세분된 분리 기술을 개발할 수 있었다. 또한, 소자 개발에서 더 나아가 분리 소자와 기존의 전류 인가 소자를 통합하여 크기 및 개수 제어가 가능한 다기능 시스템을 개발함으로써 세포 상호작용 실험에 활용할 수 있는 효과적인 랩온어칩 플랫폼을 제안했다는 데 의미가 있다.

Q. 꼭 이루고 싶은 목표는?

자성 기반의 세포 제어 소자 개발과 소형의 다기능 시스템 개발 연구를 지속해서 진행하여 상용화할 수 있는 기술을 개발하고자 한다.

 

 

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그림설명

[그림 1] 세포의 크기 및 개수 제어를 통한 세포 클러스터링 형성 과정을 스마트 공장에 빗대어 표현한 개념도

자성 기반의 소자를 통해 단일 세포의 크기 및 개수를 제어하고 다양한 형태의 세포 클러스터링을 형성할 수 있다. 
- Advanced Science 2월 24일 출판된 Issue 6의 표지(프론트 커버) 논문으로 소개-


[그림 2] 개발된 시스템 개략도 및 동작 원리

세포는 크기별 분리 소자(Micro-distributor)에서 점프 동작을 통해 분리되고, 개수 제어 소자(gating element)를 통해 Clustering room으로 이동하여 세포 클러스터링을 형성한다. 

 

 

 

 

콘텐츠 담당 담당부서  :   대외협력팀 ㅣ 053-785-1135