카이스트, ‘형광신호 9배 증폭’ 기술개발…암 진단 도움

<본 기술을 다중 표지 이미징에 적용한 결과.> (A) 서로 직교적인 항체 쌍을 이용한 다중 표지 이미징에서의 신호 증폭 기술을 보여주는 모식도. (B) BS-C-1 세포 내부 4종 단백질의 이미지. (C-F) 회색: DAPI, 녹색: 알파 튜블린, 적색: 비멘틴, 청색: 라민 B1. (G) 병리학 샘플의 4종 단백질 이미지. (H-K) 회색: DAPI, 녹색: 튜블린, 빨간색: 비멘틴, 파란색: 히스톤. 스케일바, 50μm. <본 기술을 팽창 현미경에 적용한 결과.> (L) 본 기술을 팽창 현미경에 적용한 원리 (M) 1회 염색한 미세소관의 이미지. (N) (M)에 팽창 현미경을 적용한 미세소관의 이미지. (O) 9회 염색한 미세소관의 이미지. (P) (O)에 팽창 현미경을 적용한 미세소관의 이미지. 스케일바, 20μm. (N)과 (P)의 팽창 계수 4.[사진 = 카이스트]

기존 형광 신호를 9배 이상 증폭시킨 기술이 개발됐다. 세포 변화를 관찰하려면 형광 신호를 높여야 자세히 살펴볼 수 있다. 이미지나 영상을 좀 더 선명하게 확인할 수 있게 됐다는 의미다.

형광 신호 증폭 기술이 개발되면서 영상을 통한 생체조직 분석·치료 기술개발뿐 아니라 의료·신약 개발 분야에 이바지할 것으로 기대된다. 암 진단이나 면역 항암제 반응률 예측 등에도 도움이 될 것으로 보인다.

카이스트(KAIST)는 신소재공학과 장재범 교수 연구팀이 암 진단에 필요한 새로운 형광 신호 증폭 기술을 개발했다고 17일 밝혔다.

최근 3D 전체 조직 영상화(이미징)를 가능하게 하는 생체조직 팽창 기술(ExM) 및 투명화 기술(CLARITY, 3DISCO, CUBIC)은 복잡한 세포 간 상호작용 및 역할을 밝혀내는 핵심적인 역할을 하고 있다.

이때 약한 형광 신호를 증폭해 높은 이미지 처리량을 갖는 기술이 필요하다.

지금까지 신호 증폭 기술은 다양한 화학 반응으로 개발됐으나, 일반적인 생물 실험실에서 사용이 어려웠다.

연구팀은 이러한 문제점 개선을 위해 현재 상용화돼 있는 형광 분자가 표지된 항체를 사용해 추가적인 최적화 과정이 필요 없는 신호 증폭 기술에 주목하고, 총 3종류의 항체를 이용하는 간단한 기술인 ‘프랙탈’이라는 새로운 신호 증폭 기술을 개발했다.

이를 통해 연구팀은 기존 형광 신호를 9배 이상 증폭시켰으며, 이는 같은 밝기를 얻는 데 필요한 영상화 시간을 9배 이상 줄일 수 있다는 결과를 얻었다.

연구팀은 이 기술을 팽창 현미경에도 적용해 팽창 후에도 높은 형광의 강도를 갖는 형광 신호 증폭 기술을 구현했다.

이 기술은 간단한 항체-항원 반응에 기반해 형광 신호를 증폭시키는 기술로, 영상을 통한 생체조직의 분석 및 치료기술 개발, 다지표 검사, 의료 및 신약 개발 분야에 이바지할 것으로 연구진은 기대하고 있다.

제1 저자인 조예린 카이스트 신소재공학과 학생은 “높은 이미지 처리량을 가진 이 기술은 디지털 병리 분야의 발전에 중추적인 영향을 미칠 것”이라며 “생체 내 다중지표에 대한 정보를 정밀하게 제공해 현대 의약 분야의 의약품 분석 및 치료 시스템에 직접적으로 응용될 수 있다”라고 말했다.

장재범 교수는 “이 기술은 환자 생체 검사 조직 내부에서 매우 중요하지만 낮은 수준으로 발현되는 바이오마커들을 정확하게 이미징 할 수 있게 해주기 때문에, 암 진단 및 면역 항암제 반응률 예측 등에 큰 도움이 될 것으로 기대된다”라고 밝혔다.

연구 결과는 국제 학술지인 영국왕립화학회(Royal Society of Chemistry)의 ‘나노스케일(Nanoscale)’지 11월 13일자에 게재됐다.