홀로토모그래피 첨단바이오 분석 전략 소개
첨단 바이오/의학 분야에서 살아있는 세포와 조직 뿐만 아니라 오가노이드의 3차원 영상을 측정하고 정밀하게 분석하는 기술에 대한 중요도가 커지고 있다. 홀로토모그래피기술은 세포와 조직의 내부를 고해상도로 관찰할 수 있게 하여 재생의료, 맞춤형 의료, 난임 치료 등 연구에서 잠재력이 높게 평가되고 있다. 한국연구진이 광학 전문가가 아닌 의생명과학 연구자들을 대상으로 홀로토모그래피 장점과 넓은 응용 가능성을 알리는 논문을 발표해서 화제다.
KAIST(총장 이광형)는 물리학과 박용근 교수 연구팀이 기초과학연구원(IBS, 원장 노도영), 한국기초과학지원연구원(KBSI, 원장 양성광)과 공동 집필하여 홀로토모그래피의 원리와 응용 현황, 한계점 및 향후 방향성을 망라한 논문을 국제학술지에 게재했다고 30일 밝혔다.
홀로토모그래피는 엑스레이(X-ray) CT와 물리적인 원리는 동일하나 X선을 이용해 사람 몸속을 보는 CT와는 달리, 빛을 이용하여 세포와 조직의 내부를 고해상도로 관찰할 수 있게 한다. 염색이나 표지(label)와 같은 화학적⋅유전적 처리 없이 세포와 조직의 3차원 영상을 세포 소기관 수준의 해상도로 관찰할 수 있게 해주어, 이전에는 불가능했던 바이오 연구와 산업의 다양한 측정과 분석 한계를 극복할 수 있다.
살아있는 세포와 조직 뿐만 아니라 장기를 모사하는 3차원 구조체인 오가노이드(organoids)는 신약 개발 과정에서 동물 실험을 대체하고, 환자 맞춤형 치료법을 빠르고 효과적으로 확인하며, 궁극적으로 장기를 대체하는 치료 목적으로 활발하게 연구 개발이 진행 중이다.
오가노이드와 줄기세포 콜로니와 같은 3차원 생체 시편을 염색이나 전처리 없이 세포 소기관 수준으로 관찰하는 것은 3차원 생물학과 재생의학 분야에서 기초 연구 혁신과 바이오산업 응용 측면에서 모두 중요한 의미를 지니고 있다.
연구팀이 집필한 이번 논문에서는 3차원 생물학, 재생의료, 암 연구 등 다양한 분야에 홀로토모그래피 기술을 적용한 사례와 미래 발전 가능성을 소개했다. 또한, 광원의 결맞음(coherency) 정도에 따른 홀로토모그래피 기술을 유형화하고, 각 기술의 원리, 한계점, 극복 방안을 자세히 설명했다. 특히, 인공지능과 홀로토모그래피를 결합해 세포와 오가노이드를 관찰할 수 있는 한계를 크게 확장할 수 있는 전략을 심도 있게 다뤘다.
홀로토모그래피 기술은 첨단 바이오산업을 견인할 수 있는 가능성으로 인해, 전 세계 주요 대학 연구진들과 기업들이 관심을 갖고 연구 기술 개발에 투자하고 있는 분야다. 박용근 교수 연구팀은 지난 10여 년간 다양한 핵심 원천 기술과 응용 연구를 수행하며, 홀로토모그래피 분야를 국제적으로 선도하고 있다.
KAIST 자연과학연구소 김건 박사, KAIST 생명과학과 윤기준 교수팀, IBS 유전체 교정 연구단(구본경 단장), 한국기초과학지원연구원의 이성수 박사팀 등 연구진과 공동 집필한 이번 논문은 ‘Nature Reviews Methods Primers’에 7월 25일 자 게재됐다. (논문명: Holotomography)
한편, 이번 연구는 연구재단의 리더연구사업과 창의도전연구지원사업, 과학기술정보통신부의 홀로그램핵심기술지원사업, 나노 및 소재 기술개발사업, 보건복지부의 보건의료 R&D 사업의 지원을 받아 수행됐다.
□ 연구개요
1. 연구 배경
홀로토모그래피는 기존 현미경 기법과 차별적으로, 화학적⋅유전적 표지와 같은 전처리 없이도 세포와 조직을 살아있는 상태 그대로 관측할 수 있다. 이러한 장점에 주목해 초기에는 레이저 간섭계를 기반으로 구현되었으며 최근에는 저간섭성 홀로토모그래피가 개발되어 영상 품질이나 레이저 사용으로 인한 신뢰성 측면의 약점을 보완했다. 응용 분야로는 혈액세포 등 개별 세포의 연구가 주요했으나 기술적 반경이 넓어지며 조직과 같은 대규모 시편 연구가 대두되고 있다. 홀로토모그래피는 다양한 종류의 세포와 조직에 걸친 연구가 가능한 반면, 이를 통해 가장 효과적으로 달성할 수 있는 의생명과학적 과제는 상대적으로 짧은 역사로 인해 아직 연구의 초기 단계이다.
2. 연구 내용
연구팀은 이러한 전환점에서 다양한 분야의 연구자에게 홀로토모그래피의 잠재력을 전파할 수 있도록 해당 기술의 원리 및 방법론, 응용, 한계점 및 향후 방향성에 대해 총망라한 객관적인 정리와 과학전 견해를 총설했다. 홀로토모그래피 기술의 방법론과 원리는 사용 광원 및 복원 원리에 따라 간섭성 및 저간섭성 유형으로 정리하였고, 대표적인 복원 과정을 상세히 기술하였다. 대표적인 응용으로는 미생물학에서부터 혈액학과 세포생물학에 걸친 지금까지의 주요 연구사례가 소개되었으며 대두되고 있는 한계점으로는 다중산란으로 인한 복원 정확도의 감소와 대규모 검체로 연구를 확장하며 발생하는 대용량 영상의 처리를 짚었다. 이어 최근 활성화되기 시작한 조직병리학, 재생의료 등에서의 초기 성과를 바탕으로 잠재성있는 응용 분야를 특정함과 동시에 인공지능 등의 도입으로 상기한 한계점을 타파하기 위한 로드맵을 제시했다.
3. 기대 효과
본 논문에서 소개된 홀로토모그래피 기술과 시사된 로드맵은 살아있는 세포 및 조직의 동역학을 연구하는 생명과학과 신체 유래 검체를 프로파일링하는 의과학에서 현 기술로는 채울 수 없는 공백을 채울 것이다. 세포 소기관 단위로 발생하는 현상을 조직 수준의 대규모로 살아있는 상태에서 시간경과 기록 및 분석을 통해 미지의 영역에 있던 세포⋅조직의 기능적 원리를 규명하며, 이렇게 얻은 통찰력을 환자 유래 검체로 확장해 임상적으로 유의미한 지표를 얻을 수 있을 것으로 전망한다.
또한 이번 리뷰 논문을 통해 상대적으로 신생 기술인 홀로토모그래피에 대한 의식을 넓히고, 홀로토모그래피를 도입하는 연구자들에게 기조가 제공되기를 기대한다. 파생되는 더 다양한 응용 연구와 기술적 개선으로 홀로토모그래피의 잠재력이 극대화될 것이다.
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BRIC(ibric.org) Bio통신원(KAIST) 등록일2024.07.30