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2018. 09
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암 진단을 위한 저비용 혈중 유리 핵산 분리 플랫폼 개발
Simple and Low‐Cost Sampling of Cell‐Free Nucleic Acids from Blood Plasma for Rapid and Sensitive Detection of Circulating Tumor DNA
30. July. 2018. https://doi.org/10.1002/advs.201800614
서울아산병원 융합의학과 (의공학연구소) 신용 교수 연구팀 (제 1저자: 진충은 박사과정)은 서울아산병원 대장항문외과 박인자 교수 연구팀과의 공동연구를 통해, 혈액 내에 떠다니는 혈중 유리 핵산 cfNAs (cell-free nucleic acids) [cell-free DNA and cell-free RNA]를 효율적으로 분리할 수 있는 microfluidic 기반의 플랫폼을 개발했다. cfDNA는 세포가 사멸 (apoptosis) 또는 괴사 (necrosis) 되는 과정에서 혈액에 떠다니게 되는 작은 조각(<166bp)의 세포 유리 핵산을 말한다. 암 환자의 경우 cfDNA 농도가 건강한 사람에 비해 높게 나타난다고 알려져 있어, 이를 분석하면 암의 조기진단, 예후 판정 및 모니터링 등에 유용하게 이용할 수 있다.
기존에 cfDNA를 분리하는 방법은 비드 (bead) 및 컬럼(column)과 같은 특정 매개체가 필요하거나 원심분리기, 진공 펌프 등 다양한 장비가 필요했다. 또한 최소 1ml 이상의 혈장 샘플을 갖고, 세포 용해 (lysis)를 비롯한 여러 복잡한 과정을 거쳐야 한다는 단점이 있었다. 본 연구팀은 이를 개선하고자 별도의 장비와 복잡한 과정 없이, 소량(<500ul)의 혈장 (plasma) 샘플로 cfNAs를 분리할 수 있는 방법을 개발했다.
본 기술은 양쪽에 아민기 (-NH2)를 가지고 있는 dimethyl dithiobispropionimidate (DTBP) 물질이 핵산과 선택적으로 결합한다는 특성을 이용하여 얇은 플라스틱 필름으로 구성된 microfluidic 플랫폼상에 혈액 샘플을 통과시켜 lysis 과정 없이 cfNAs 만을 포획하는 내용이다. 이는 기존 방법에서 생기는 genomic DNA background를 줄일 수 있어서 대장암 환자의 혈액 샘플에서 대장암의 주요 바이오 마커인 KRAS와 BRAF 돌연변이를 보다 민감하게 검출할 수 있다.
본 연구는 암 진단 뿐만 아니라 치료 및 수술 후의 예후 측정에 있어 간단하고 편리하게 돌연변이의 변화를 추적 함으로서 암의 재발가능성을 낮추고, 수술 전, 후에 환자 개인 맞춤치료를 위한 방법으로도 사용할 수 있을 것으로 기대된다.
이번 연구 결과는 보건산업진흥원 감염병위기대응기술개발 과제, 한국연구재단 개인연구 (중견연구)과제 및 서울아산병원 아산생명과학연구원 의공학 연구소 과제의 지원으로 진행되었으며, 국제 학술지인 어드밴스드 사이언스 (Advanced science; IF: 12.44) 7월30일 온라인에 개제되었다.
융합 의학과 신용 교수
미니 뇌 진짜 만드나? 신경세포 기본 요소 갖춘 ‘뇌 오가노이드’ 최초 제작
오가노이드는 사람의 줄기세포나 체세포를 외부에서 배양해 실제 장기의 기능을 갖도록 만든 유사 생체 장기를 말한다. 최근 5년 새 네덜란드와 오스트리아, 일본 등에서 성체줄기세포로 심장과 대장, 뇌 등의 장기 조직을 3~4㎜ 수준으로 만드는데 성공했다는 소식이 전해지고 있다.
오가노이드의 핵심은 단순히 생체 조직을 구현하는 것을 넘어, 본래의 기능을 수행하는데 있다. 과거 연구에서 심장이나 대장 오가노이드는 박동을 하거나, 물질 순환에 관여하는 등의 기능이 확인됐다. 반면 뇌 오가노이드에서는 기능이 확인되지 않았었다. 뇌에 있는 다양한 신경세포를 조화롭게 생성하지 못했기 때문이다.
최근 실제 뇌 기능에 필수적인 신경세포를 분화시켜 여러 신경세포 간 상호작용이 발생하는 것이 처음으로 관찰됐다. 뇌 오가노이드를 위한 기본 조건이 드디어 갖춰진 셈이다.
미국 케이스웨스턴리저브의대와 뉴욕줄기세포연구소(이하 NYSCF) 등 공동 연구팀은 신경세포들 사이의 상호작용을 통해 축삭을 형성하도록 돕는 올리고덴드로사이트(oligodendrocyte. 신경 아교 세포)를 포함한 뇌 오가노이드를 제작, 25일(현지시각) 학술지 ‘네이처 메소드’에 발표했다.
일반적인 신경세포는 크게 머리 역할을 하는 신경세포체와 한쪽 방향으로 뻗어나온 굵은 축삭돌기(axon), 거기서 파생돼 나뭇가지처럼 돋아난 수많은 수상돌기(dendrite)로 구성된다. 여기서 축삭돌기는 굵은 수상돌기로 표면에 신경수초막이 점점이 박힌 것이 특징이다. 신경수초막은 일종의 고속도로 역할을 해 신호 전달 속도를 높이는 데 관여한다. 수상돌기는 다른 신경세포와 신호를 주고받는 시냅스틈을 형성하는 것으로 알려졌다. 신경세포는 축삭과 수상돌기의 방향과 개수, 모양에 따라 다양한 종류로 구분하고 있다.
순식간에 벌어지는 생체내 신호 전달체계를 구현하려면 오가노이드 조직에도 축삭이 형성돼야한다. 축삭이 형성될때 신경세포의 일종인 올리고덴드로사이트가 감싸야 하며, 이를 '수초화 과정'이라 한다. 연구를 이끈 NYSCF의 발렌티나 포사티 박사는 “기존에 제작됐던 뇌 오가노이드에는 신경세포 간 상호작용의 열쇠가 되는 올리고덴드로사이트가 없었다”며 “축삭이 형성되지 않아 기본 신호 전달에 장애가 있을 수밖에 없는 오가노이드였던 것”이라고 설명했다.
연구팀은 2011년부터 연구를 진행, 올리고덴드로사이트를 만드는 분화유도인자를 찾아내 뇌 오가노이드를 제작했다. 그 결과 수초화 과정이 발생함을 확인했다. 기본 요소가 갖춰져 생체 안에서와 같이 빠르게 신호를 전달하는 뇌 오가노이드를 생성한 것이다.
포사티 박사는 “(새로 만든 뇌 오가노이드는) 중추신경계에 수초 형성이 안돼 발생하는 난치성 희귀 질환인 펠리제우스 메르츠바하병 등 여러 뇌신경학적 연구에 쓰일 수 있다”며 “특히 환자 본인의 세포로 만든 개인 맞춤형 미니 오가노이드이기 때문에 약의 부작용이나 효능 등을 판별할 때도 유용할 것”이라고 말했다.
(김진호 동아사이언스 기자 kwok@donga.com)