KAIST, 새로운 형광증폭 기술 개발...암 진단 기술 발전 견인

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한국과학기술원(KAIST·총장 신성철)은 장재범 신소재공학과 교수팀이 암 진단에 필요한 새로운 형광 신호 증폭 기술을 개발했다고 17일 밝혔다.

최근 3D 전체 조직 영상화(이미징)를 가능하게 하는 생체조직 팽창 기술(ExM)과 투명화 기술(CLARITY·3DISCO·CUBIC)은 복잡한 세포 간 상호작용과 역할을 밝혀내는 핵심 역할을 한다. 하지만 세포 변화를 관찰하려면 형광 신호를 증폭해 이미지 처리량을 늘리는 기술이 필요하다.

신호 증폭 기술은 다양한 화학 반응으로 이뤄진다. 다중 표지 신호를 증폭해 영상화하려면 단일 신호 증폭, 비활성화 과정을 채널별로 반복해야 하는 단점이 있다. 유전자(DNA) 기반 신호 증폭 기법은 서로 다른 항체에 대한 유전 물질 분자 결합 최적화 과정이 필요해 보통 생물 실험실에서 사용하기 어렵다.

연구팀은 현재 상용화된 형광 분자 표지 항체를 사용, 추가 최적화 과정이 필요 없는 신호 증폭 기술에 주목해 '프랙탈(FRACTAL)'로 명명한 새로운 신호 증폭 기술을 개발했다.

프랙탈 기술로 살핀 미세소관 3차원 미세 구조
<프랙탈 기술로 살핀 미세소관 3차원 미세 구조>

이 기술은 항체 기반 염색 방법이다. 신호 증폭 과정이 매우 간단하고, 신호 증폭을 위한 특수 화학 물질을 필요로 하지 않는다. 형광 분자가 표지된 2차 항체의 반복적인 염색으로 형광 신호를 증폭시킨다.

연구팀은 기존 형광 신호를 9배 이상 증폭시키는데 성공했다. 같은 밝기를 얻는 데 필요한 영상화 시간을 9배 이상 줄일 수 있다.

연구팀은 초고해상도 현미경(STORM) 분석을 통해 염색 횟수에 따라 항체가 균일한 결합 층을 형성하며 형광 신호를 증폭시키는 현상을 확인했다. 동시 다중 표지 신호 증폭 영상화를 구현했으며, 팽창 현미경(조직을 팽창시켜 초고해상도를얻는 현미경)에도 적용해 팽창 후에도 높은 형광 강도를 갖는 신호 증폭 기술을 구현했다.

이 기술은 영상을 통한 생체조직의 분석 및 치료기술 개발, 다지표 검사, 의료 및 신약 개발 분야에 이바지할 것으로 기대된다.

프랙탈 기술을 다중 표지 이미징과 팽창 현미경에 적용한 결과
<프랙탈 기술을 다중 표지 이미징과 팽창 현미경에 적용한 결과>

제1 저자 조예린 KAIST 신소재공학과 학생은 “높은 이미지 처리량을 가진 이 기술은 디지털 병리 분야 발전에 중추적인 역할을 할 것”이라며, “생체 내 다중지표에 대한 정보를 정밀하게 제공해 현대 의약 분야의 의약품 분석 및 치료 시스템에 직접적으로 응용될 수 있다”고 말했다.

장재범 교수도 “이 기술은 환자 생체 검사 조직 내부에서 매우 중요하지만 낮은 수준으로 발현되는 바이오마커들을 정확하게 이미징 할 수 있게 해준다”며 “암 진단 및 면역 항암제 반응률 예측 등에 큰 도움이 될 것으로 기대된다”고 강조했다.

대전=김영준기자 kyj85@etnews.com