논문
이미지 연관법 기반 오가노이드 섬모 운동 주기 측정법 개발과 CRISPR 유전자 변형으로 유도한 섬모병증 모델 적용 기술
서울아산병원 의생명과학연구소 김준기 교수 연구팀과 중앙대 전자전기공학과 최우준 교수 연구팀은 전임상에서 넓은 시야에서 얻은 고속 임상현미경 영상을 이용하여 섬모의 박동 주파수를 정확하게 측정할 수 있는 측정법을 개발했다. 또한, 새로 개발된 주파수 측정법을 서울대학교 의료원에서 인간 기도 오가노이드에 CRISPR 유전자 변형으로 유도한 섬모병증 모델에 적용하여 시연하였다.
섬모는 점막의 외부 상피 세포에 있는 소기관으로, 주기적으로 박동하여 폐 및 기도와 같은 기관에서 이물질을 밀어낸다. 섬모는 일정한 박자로 운동하는데, 주기적인 박동 기능이 손상되면 환자가 만성 질환에 걸릴 위험이 높아진다. 섬모의 운동은 원발성 모양체 운동이상증 (primary ciliary dyskinesia, PCD)과 같은 유전적 장애 또는 COPD(만성 폐쇄성 폐질환)와 같은 만성 염증으로 인해 방해될 수 있다.
협력 연구팀에서 개발한 방법으로 고속 카메라에서 이미지를 캡쳐하고 프레임 간의 주기적인 변화를 감지하여 섬모 박동의 주기를 측정할 수 있다. 조직 내부 국소 지점의 데이터나 반사 데이터 대신, 넓은 부분의 이미지 데이터를 사용하기 때문에 전체 초점 영역에서 섬모의 주기성을 측정할 수 있어 측정의 정확성을 높일 수 있다.
이 방법은 기관과 유사한 특징을 나타내도록 실험실에서 성장시킨 작은 조직의 모음, 폐 상피 세포 오가노이드에서 시연되었다. CRISPR 기반 유전자 편집법으로 소기관의 전구 세포의 유전자를 수정함으로써, 오가노이드를 구성하는 폐 조직이 섬모병증이 있는 것처럼 행동하게 할 수 있었다.
연구팀에서 새로 개발한 방법은 세포나 조직의 고속 영상과 영상 처리용의 컴퓨터만 필요로 하기 때문에 내시경으로 상피 세포를 관찰하는 미세내시경 및 광학 생검에 적용할 수 있다. 현재 섬모병증을 진단하려면 인후 뒤쪽에서 세포 샘플을 채취해야 하지만, 본 방법을 사용하면 침습적인 세포 샘플 대신 비침습적이고 간단한 영상만으로도 섬모병증을 진단할 수 있다.
이번 연구 결과는 한국연구재단, 보건복지부 및 산업자원부 과제의 지원으로 진행되었으며, 2022년 2월 국제 학술지인 IEEE Transactions of Medical Imaging (IF 10.048)에 발표되었다.
※ 김준기 교수는 2014년부터 우리 병원 융합의학과에 재직 중이다.
의료영상 및 의광학 시스템 개발에 매진하고 있어 다양한 광학 소자를 이용하여 질환 진단 및 치료에 대한 전임상 연구 및 공동 연구를 수행중이며 다양한 프로브 및 내시경 개발로 실험실 수준의 소자 기술이 임상에 적용될 수 있는 연구를 수행 중이다.