< (왼쪽부터) 물리학과 박용근 교수, 김건 박사 >

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. 

우리학과 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.

< 그림 1. X선 CT와 비교하여 묘사한 홀로토모그래피의 모식도. CT와 유사하게 표지되지 않은 검체 고유의 광학적 성질을 3차원으로 측정한다는 공통점 있다. 홀로토모그래피는 X선 대신 가시광 영역의 빛을 조사하며, 흡수보다는 투명한 검체의 굴절률 측정을 제공한다. CT는 조사광의 기계적 회전을 통해서만 3차원 정보를 얻는 반면, 홀로토모그래피는 가시광 영역의 파면 제어기술을 적용해 이를 대체할 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.

< 그림 2. 홀로토모그래피를 이용한 세포 측정 결과의 예시. B형 간염 바이러스 유전자가 삽입된 간암 세포주 (Hep3B)를 홀로토모그래피를 이용해 시간에 따라 측정하였다. Mitotracker 표지와 대조해보면 염색되지 않은 영상에서도 미토콘드리아의 형태를 포착할 수 있으며, 굴절률의 고대비로 인해 세포막 경계, 핵, 지질 등도 색인할 수 있다. H2O2 처리로 인해 세포 경계의 변형, 공포의 형성, 미토콘드리아의 응축 등이 관찰되며, 정상 배양액을 제공해 다시 회복되는 현상 또한 관찰할 수 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.

< 그림 3. 홀로토모그래피를 이용한 살아있는 장 오가노이드의 영상 장벽을 구성하는 다양한 종류의 세포와 소기관을 관찰할 수 있다. >

우리 학과 자연과학연구소 김건 박사, 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.

■ 출처(KAIST홈페이지) : https://news.kaist.ac.kr/news/html/news/?mode=V&mng_no=38650