홀로토모그래피로 오가노이드 실시간 관찰 성공
인체 장기의 구조와 기능을 모사한 3차원 미니 장기인 오가노이드는 다양한 질병 연구와 신약 개발에 필수적인 역할을 하고 있다. 한국 연구진이 기존 이미징 기술의 한계를 극복하고 살아있는 오가노이드를 고해상도로 실시간 동적 변화를 관찰하는 데 성공했다.
KAIST(총장 이광형)는 물리학과 박용근 교수 연구팀이 기초과학연구원(IBS, 원장 노도영) 유전체 교정 연구단(단장 구본경) 연구팀과 ㈜토모큐브의 협력으로, 홀로토모그래피 (holotomography) 기술을 활용해 살아있는 소장 오가노이드를 실시간으로 고해상도로 관찰할 수 있는 이미징 기술을 개발했다고 14일 밝혔다.
기존의 이미징 기법들은 살아있는 오가노이드를 장기간 고해상도로 관찰하는 데 한계가 있었고, 형광 염색 등의 추가적인 처리가 필요한 경우가 많았다.
연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 형광 등 염색 없이도 고해상도의 이미지를 제공하고, 세포 손상 없이 오랜 시간 동안 실시간으로 동적 변화를 관찰할 수 있는 홀로토모그래피 기술을 도입했다.
연구진은 실험용 쥐(마우스) 소장 오가노이드를 이용해 이 기술을 검증했으며, 그 결과 홀로토모그래피를 통해 오가노이드 내부의 다양한 세포 구조를 세밀하게 관찰할 수 있었고, 오가노이드의 성장 과정과 세포 분열, 세포 사멸 등의 동적 변화를 실시간으로 포착할 수 있었다.
또한, 약물 처리에 따른 오가노이드의 반응을 정밀하게 분석해 세포 생존 여부를 확인할 수 있었다.
연구진은 이번 연구를 통해 오가노이드 연구의 새로운 지평을 열었으며, 이를 통해 신약 개발, 맞춤형 치료, 재생 의학 등 다양한 분야에서 오가노이드의 활용을 극대화할 수 있을 것이라고 기대하고 있다.
향후 연구는 오가노이드의 생체 내 환경을 더 정확히 재현하고, 더욱 정교한 3차원 이미징을 통해 세포 수준에서의 다양한 생명현상을 이해하는 데 큰 기여를 할 것으로 전망된다.
논문의 제1 저자인 이만재 박사(KAIST 의과학대학원 졸, 現 충남대병원)는 “이번 연구는 기존의 한계를 뛰어넘는 새로운 이미징 기술로, 향후 오가노이드를 활용한 질병 모델링, 환자 맞춤형 치료 및 신약 개발 연구에 크게 기여할 것”이라고 밝혔다.
이번 연구 결과는 2024년 10월 1일 국제 학술지 ‘Experimental & Molecular Medicine’에 온라인 게재됐으며, 해당 기술은 다양한 생명과학 분야에서의 적용 가능성을 인정받고 있다.
본 연구는 한국연구재단 리더연구사업, KAIST 연구소 및 기초과학연구원의 지원을 받아 수행됐다.
□ 연구개요
1. 연구배경
오가노이드는 줄기세포를 이용해 만든 3차원 구조체로, 실제 장기와 유사한 기능을 갖고 있다. 이러한 오가노이드는 질병 모델링, 신약 개발, 맞춤형 치료 등 다양한 생물학적 연구에 필수적인 자원으로 떠오르고 있다. 기존의 2차원 세포 배양 방법을 뛰어넘어, 오가노이드는 살아있는 생체의 조직 구조와 세포 조직을 더 정확하게 재현할 수 있다. 그러나 오가노이드의 복잡한 구조와 동적 생물학적 현상을 완전히 이해하기 위해서는 고해상도의 실시간 이미지가 필요하다. 기존의 이미징 기술들은 주로 형광 라벨링을 필요로 하고, 이는 시간 소모가 크며 포토톡시시티 및 포토블리칭 문제를 야기할 수 있다. 따라서 라벨 없이 생체 시료를 실시간으로 고해상도로 관찰할 수 있는 새로운 이미징 기술에 대한 필요성이 대두되었다.
2. 연구내용
본 연구는 저조도 간섭 홀로토모그래피 (holotomography, HT)를 사용하여 라벨 없이 3차원 생체 시료를 실시간으로 관찰하는 방법을 소개한다. 연구팀은 마우스 소장에서 유래한 소장 오가노이드를 특수한 배지에서 배양하며 실시간으로 홀로토모그래피 영상을 촬영하였다. 이후 홀로토모그래피 영상을 분석하여 오가노이드의 성장 패턴, 형태학적 변화 및 단백질 밀도 등을 정량적으로 평가하였고, 세포 사멸 및 생존율을 분석하기 위해 약물처리 후의 형태학적 변화를 관찰하였다. 본 연구를 통해 생체 내 작은 장 오가노이드의 고해상도 형태학적 세부 사항과 동적 활동을 포착할 수 있었다. 시간 경과에 따른 오가노이드의 성장 패턴과 세포 수준에서의 다양한 생명현상을 실시간으로 관찰할 수 있었다.
3. 기대효과
본 연구에서 개발한 저조도 홀로토모그래피 분석 기법을 활용하여 전처리 과정 없이 3차원 정보가 중요한 오가노이드와 같은 시료의 구조적 무결성을 유지할 수 있다. 또한 홀로토모그래피를 이용한 정량적 분석을 통해 오가노이드의 약물 반응을 실시간으로 평가할 수 있어 신약 개발 과정에서 중요한 도구로 활용될 수 있다. 본 기술은 임상현장에서 활용이 더욱 기대되며 환자 유래 오가노이드를 이용한 맞춤형 치료의 가능성을 열어줄 뿐만 아니라, 재생 치료제로서의 활용을 극대화할 수 있다. 홀로토모그래피 기술은 향후 발전을 통해 오가노이드 연구의 패러다임을 변화시키고, 의생명 연구에 큰 기여를 할 것으로 기대된다.
그림 1. 연구 흐름도.
홀로토모그래피를 이용하여 오가노이드의 3차원 형태 복원 및 정량적 분석을 할 수 있다. 본 연구팀에서는 현미경의 한계인 제한된 시야를 개선하기 위해 대면적 시야 결합 알고리즘을 활용하였으며 3차원 측정을 위해 다초점 홀로그램 영상을 획득하여 3차원 복원하였다. 이후 오가노이드를 구획화하여 분석에 필요한 부분을 나누고 굴절률에서 측정가능한 단백질 농도 및 오가노이드의 생존률을 정량적으로 평가하였다. [사진=KAIST]
그림 2. 실시간 오가노이드 형태 분석.
홀로토모그래피를 이용하여 기존의 현미경으로 보기 어려웠던 장 오가노이드의 내강 및 융모 발달과정을 실시간으로 관찰가능하다. 또한 영상분석을 통하여 장 오가노이드의 크기와 단백질 양 등을 정량하여 장 오가노이드의 여러 정보를 파악할 수 있다. [사진=KAIST]
그림 3. 측정된 장 오가노이드의 단면 이미지
다양한 세포와 세포내 구조를 파악할 수 있다. [사진=KAIST]
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BRIC(ibric.org) Bio통신원(KAIST) 등록 2024.10.14