KAIST “인체 장기의 동적변화 실시간 관찰…질병연구 등 기여”

‘오가노이드’의 동적 변화를 고해상도로 실시간 관찰할 수 있는 기술이 국내에서 개발됐다. 오가노이드는 인체 장기의 구조와 기능을 모사한 3차원 미니 장기로, 각종 질병 연구와 신약 개발에서 필수적 역할을 한다.

KAIST는 박용근 물리학과 교수 연구팀이 기초과학연구원(IBS) 유전체 교정 연구단 연구팀, ㈜토모큐브와 협력해 홀로토모그래피(holotomography) 기술로 살아있는 소장 오가노이드를 고해상도로 실시간 관찰할 수 있는 이미징 기술을 개발했다고 14일 밝혔다.

(왼쪽부터) KAIST 의과학대학원 이만재 박사, KAIST 물리학과 박용근 교수. KAIST 제공

오가노이드는 생체 조직 구조와 세포 조직을 보다 정확하게 재현할 수 있다는 점에서 2차원 세포 배양방법과 차별된다.

다만 오가노이드의 복잡한 구조와 동적 생물학적 현상을 완전히 이해하기 위해선 고해상도 실시간 이미지가 필요하다.

하지만 기존 이미징 기술은 주로 형광 라벨링을 필요로 하며, 이는 많은 시간적 투자를 요구하는 동시에 포토톡시시티 및 포토블리칭 문제를 야기할 수 있다. 라벨 없이 생체 시료를 고해상도로 실시간 관찰할 수 있는 새로운 이미징 기술의 필요성이 대두된 것도 같은 이유다.

공동연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 형광 등 염색 없이도 고해상도 이미지를 제공하고, 세포 손상 없이 장기간 실시간으로 오가노이드의 동적변화를 관찰할 수 있는 홀로토모그래피 기술을 도입했다.

라벨 없이 3차원 생체 시료를 실시간으로 관찰하는 방법으로, 마우스 소장에서 유래한 소장 오가노이드를 특수한 배지에서 배양한 후 실시간으로 홀로토모그래피 영상을 촬영해 분석하는 방식이다.

연구 진행 흐름도. KAIST 제공

이 기술은 실험용 마우스의 소장 오가노이드를 통해 검증 절차를 거쳤다.

검증은 오가노이드의 성장 패턴과 형태학적 변화 및 단백질 밀도 등을 정량적으로 평가하고, 세포 사멸 및 생존율을 분석하기 위해 약물처리 후의 형태학적 변화를 관찰하는 것으로 진행됐다.

이 결과 공동연구팀은 생체 내 작은 장기 오가노이드의 고해상도 형태학적 세부 사항과 동적 활동을 포착할 수 있었다. 또 시간 경과에 따른 오가노이드의 성장 패턴과 세포 수준에서의 다양한 생명현상을 실시간 관찰하는 것이 가능했다.

공동연구팀은 이번 연구결과가 환자 유래 오가노이드를 이용한 맞춤형 치료의 가능성을 열어줄 뿐 아니라, 재생 치료제로서의 활용을 극대화할 수 있을 것으로 내다본다.

무엇보다 이번 연구가 향후 오가노이드 연구의 패러다임을 변화시키고, 보다 정교해진 3차원 이미징으로 세포 수준의 다양한 생명현상을 이해할 수 있도록 함으로써 의·생명 연구에 기여하는 디딤돌 역할을 할 것으로 공동연구팀은 기대한다.

한편 이번 연구는 한국연구재단 리더연구사업, KAIST 연구소 및 기초과학연구원의 지원을 받아 수행됐다. 연구결과는 지난 1일 국제 학술지 ‘Experimental & Molecular Medicine’ 온라인판에 게재됐다.

대전=정일웅 기자 jiw3061@asiae.co.kr