이화여자대학교 소식
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김민석 교수팀 연구 논문 바이오센서 분야 세계적 학술지 게재
AI 모션현미경 이용해 암세포 흘러갈 때 세포흔적 발견…새로운 암진단법으로 주목받아 의과대학 김민석 교수 연구팀은 미세진동을 이용한 AI 기반 기술을 통해 암세포를 탐지하는 방법을 발견했다. 혈액내 암세포가 흘러갈 때 생기는 흔적을 관찰함으로써 암 유무를 판별할 수 있는 혁신적 의학기술이 생긴 것이다. 김 교수 연구팀은 최근 바이오센서 분야 세계적 학술지인 <바이오센서와 바이오전자(Biosensors and Bioelectronics)> 저널(2019년 JCR Chemistry, Analytical 분야 1위)을 통해 ‘모션현미경을 이용해 유방암 세포가 흘러가며 흔적을 남기는 모습을 확인함으로써 암세포를 탐지할 수 있게 됐다’고 발표했다. 해당 논문에는 김 교수의 제자이자 본교 의과학과 석·박사통합과정 김혜윤 학생이 제1저자로, 의학과 김민석 교수가 교신저자로 참여했다. 본 연구는 암세포가 미토콘드리아를 통해 세포내 에너지원인 ATP를 대량생산할 때 0.1~5Hz의 미세한 진동을 유발할 것이라는 가설에서 출발했다. 가설을 분석할 수 있는 방법론을 고민하던 중에 커피잔의 액체가 진동하는 모습으로 주변의 대화내용을 AI 분석하는 영화 <이글아이>의 장면에서도 새로운 단서를 얻었다. 김 교수팀은 이러한 분석을 현실화하기 위해 미국 MIT 출신 에이브 데이비스(Abe Davis) 박사가 개발한 AI 기반 소프트웨어 ‘모션현미경(Motion microscope)’을 활용했다. 이 현미경은 사물의 미세한 떨림을 디지털카메라로 촬영한 뒤 영상 속 픽셀을 증폭, 시각화함으로써 거대한 건축물이나 기계의 미세진동을 분석하는 데 사용된다. 연구팀은 이 모션현미경을 이용해 혈액내 유방암 세포가 흘러가는 모습을 담은 동영상을 분석한 결과 암세포 뒤쪽으로 기다란 물결 모양의 꼬리가 생긴 것을 발견했다. 세포가 지나는 흔적(cellular trail)이라고 이름 붙여진 이 꼬리는 0.5~1.5Hz의 진동에서 암세포에서만 관찰됐고, 일반적인 혈액세포에서는 확인되지 않았다. 이와 함께 이 세포흔적이 암세포의 어떤 물리적 특성 때문에 생기는 것인지에 대해서도 연구했다. 미토콘드리아의 생산활동 때문에 진동이 생길 것이라는 기존 가설을 토대로 암세포에 미토콘드리아 활성 저해제(NaN3)를 처리했지만 세포흔적이 사라지지 않는 것을 확인할 수 있었다. 그 다음 미세진동을 유발할 수 있는 원인으로 세포막에 있는 단백질을 지목하여 암세포막의 구조와 세포부착(cell adhesion)을 구성하는 단백질을 일부 제거했을 때는 세포흔적이 사라지는 것을 발견했다. 이에 따라 연구팀은 세포흔적이 암세포의 균일하지 않은 표면이 유체를 이동할 때 생기는 마찰에 의한 미세진동 때문이라고 판단했다. 또한 이 흔적에 구글이 개발한 기계학습 엔진 ‘텐서플로(Tensorflow)’ 기반 인공지능을 활용할 경우 사람이 육안으로 확인하지 않아도 암유무를 탐지할 수 있었다. 이 기술을 기반으로 연구팀은 암환자 16명의 혈액 샘플을 분석하여 혈액 속을 떠도는 암세포로부터 이 지나가는 흔적을 관찰하는 데 성공했다. 암세포의 생물학적, 화학적인 요소들에 대해서는 많은 연구가 진행되어 왔지만 암세포의 물리적 특성 특히 미세진동에 대한 연구는 거의 전무한 실정이라는 점에서 매우 의미가 큰 연구이다. 본 기술을 통해 기존의 암 진단법인 항체나 형광물질, 방사능 물질을 사용하지 않고도 저렴한 비용으로 진단이 가능하며, MRI나 엑스레이를 통해 암조직을 판단할 때 보조 자료로서 보다 정확한 진단이 가능하다. 또한 암 제거 수술 이후에도 혈액을 순환하는 암줄기세포(cancer stem cells)가 남아 있는지 판단하는 데도 도움을 주고, 일상생활에서 헌혈하는 과정에서 혈액 내 암세포 판별이 가능해 국민보건에 기여할 수 있을 것으로 기대된다. 이다”이라고 설명했다.
의과대학 염증-암 미세환경 연구센터, 2020년 ‘선도연구센터지원사업’ 선정
본교 의과대학 염증-암 미세환경 연구센터(연구책임자: 의학과 이지희 교수)가 2020년 ‘선도연구센터지원사업’ 기초의과학분야(MRC)에 최종 선정됐다. '선도연구센터지원사업'은 창의성과 탁월성을 보유한 우수 연구집단 발굴·육성을 통해 세계적 수준의 경쟁력을 갖춘 핵심연구분야 육성 및 국가 기초연구 역량을 향상하고자 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 주관하는 사업으로, △이학분야(SRC) △공학분야(ERC) △기초의과학분야(MRC) △융합분야(CRC) △지역혁신분야(RLRC) 5개 분야를 지원하고 있다. 6월 29일(월) 발표 결과 올해는 총 76개 연구소가 신청했으며 성장가능성, 공동연구 수행계획 우수성 등을 바탕으로 평가를 진행해 18개 연구집단이 신규 선도연구센터로 선정됐다. 이지희 교수는 2010년 선도연구센터지원사업 기초의학분야사업에 선정되어 9년간 조직손상방어연구센터(MRC)를 이끌며 혁신적 조직손상 개선 기술 개발 연구를 선도해왔으며, 이번에 ‘염증-암 미세환경 연구센터’가 사업에 재선정되는 등 탁월한 연구 역량을 다시 한 번 입증했다. 염증-암 미세환경 연구센터는 암을 비롯한 만성 폐 및 장질환 등 난치성 조직손상질환에 있어 새로운 패러다임의 진단 및 치료법 개발을 목표로 한다. 이번 사업 선정을 통해 센터는 향후 7년 동안 (2020년 7월~2027년 2월) 총 93억3천 여 만원의 연구비를 지원받아 염증-암 미세환경을 개선하는 분자적 기전 및 네트워크를 규명하고, 신규 항-암전이 및 항-염증성질환 치료제 개발하여 기술 이전을 통한 산업화 토대 마련에 나선다는 계획이다. 이와 더불어 통합교육 연구시스템을 통해 기초·중개 및 임상연구에 수월성을 갖는 MD-PhD/기초의과학자를 양성함으로써 기초의과학자 인력 양성 교육센터로의 위상을 강화해나갈 예정이다. 이지희 센터장은 “본 사업 선정으로 미래 지향적 기초·임상 다학제 융합연구 토대를 마련하고 창의적 연구와 글로벌 수준의 여성 의과학자 양성을 통해 세계적 수준의 염증-암 미세환경 연구센터를 구현하고자 한다”라고 밝혔다. 이지희 교수 연구팀은 비감염성 염증질환 치료 및 새로운 개념의 항-암전이 면역치료제 개발과 관련된 다수의 연구 결과를 <American Journal of Respiratory and Critical Care Medicine>, <European Respiratory Journal>, <Cellular & Molecular Immunology> 등 세계적 학술지에 발표하며 난치성 조직손상 질환의 예방·치료 연구를 선도해왔다. 이러한 탁월한 연구 성과를 기반으로 이지희 교수는 2008년 및 2010년 교육과학기술부가 주관하는 기초연구우수성과에 선정되기도 했다. 폐손상 질환 및 염증 종결 분야 연구의 권위자인 이 교수는 2016년 '미래창조과학부 장관 표창'을 수상하고, 2017년에는 우수한 연구성과를 보인 교수를 대상으로 하는 '이화펠로우'에 선정된 바 있다. 본교는 1998년 세포신호전달연구센터가 최초 선정된 이래 2006년 세포신호전달계바이오의약연구센터, 2008년 지능형나노바이오소재연구센터·양자메타물질연구센터, 2009년 기후·환경변화예측연구센터가 ‘선도연구센터지원사업’의 지원을 받아 기초과학 분야 연구를 선도해왔다. 이번에 염증-암 미세환경 연구센터가 선정됨에 따라 혼성계면 화학구조 연구센터(연구책임자: 화학·나노과학전공 박소정 교수), 섬유화질환 제어 연구센터(연구책임자: 약학과 이윤실 교수), 세포항상성연구센터(연구책임자: 생명과학과 이수영 교수) 등 총 4개 센터가 대형 연구 프로젝트를 수행하고 있다.
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