1. 논문관련 분야의 소개, 동향, 전망을 설명, 연구과정에서 생긴 에피소드

  암세포는 종양 미세환경의 변화에 따라 지속적으로 선택, 적응 및 진화 과정을 거치며 화학요법 및 방사선치료에 대해 저항성을 획득합니다. 이러한 치료 저항성 세포 집단 중에서도 다배체 거대 암세포 (polyploid giant cell, PGCC)로의 표현형 전환은 외부 스트레스를 견디고 세포 사멸 유도를 회피하며, 궁극적으로 종양 재발과 전이를 촉진할 수 있는 중요한 생물학적 현상으로 주목받고 있습니다. 특히, PGCC는 방사선 유발 DNA 손상에 대한 세포 반응으로 나타날 수 있는데, 과거에는 주로 노화되었거나 비증식성 세포로 간주되었습니다. 그러나 최근 연구들은 PGCC가 단순히 증식이 정지된 세포가 아니라 비대칭 분열을 통해 종양 재성장의 저장소 역할을 수행하고, 더 작고 악성도가 높은 딸세포인 Raju cell을 생성할 수 있음을 보여주고 있습니다. 침습성을 갖고 활발하게 이동하는 전이성 암세포는 상대적으로 특정 표지자나 신호전달 경로를 기반으로 표적화가 가능하지만, PGCC와 같은 휴면성 암세포는 면역 감시와 표준 치료법을 회피하여 장기간 감지되지 않다가 재활성화되어 종양 진행을 유발하기 때문에 치료에 상당한 어려움이 있습니다.

이처럼 PGCC는 임상적으로 중요한 의미를 지니고 있음에도 불구하고 PGCC 매개 치료 회피를 가능하게 하는 분자 및 세포 수준의 기전은 주로 단백질 발현 또는 특정 신호 전달 경로 분석에 한정되어 연구되어 왔습니다. 반면, PGCC를 다른 암세포 집단과 구분할 수 있는 가장 직관적이면서도 본질적인 특징인 세포 형태 변화와 그로 인한 물리적/기계적 특성 차이에 대한 해석은 상대적으로 충분히 이루어지지 않았습니다.

본 연구는 바로 이러한 형태학적 변화가 단지 구조적 변형에 그치지 않고 암세포의 기계적 특성 변화와 연결된 생체역학적 상태 전이를 반영할 수 있다는 점에 주목했습니다. 세포 크기 증가, 핵 비대, 다핵성, 세포골격 재배열, 세포 표면 구조 변화와 같은 PGCC의 특징은 세포가 외부 스트레스에 대응하여 생존 전략을 재구성하는 과정에서 나타나는 기계생물학적 표지(mechanical biomarker)로 해석될 수 있습니다.

[그림] 나노미케니컬 싱글셀 프로파일링 기술을 이용하여 방사선 조사 후 생존한 암세포의 기계적 특성 변화와 연결된 생체역학적 상태 전이를 확인한 결과

PGCC의 형태학적 특징을 설명할 수 있는 대표적인 구조적 요소 중 하나는 ‘actin filament’입니다. Actin cytoskeleton은 세포 형태, 피질 강성, 부착, 이동성 및 침습성을 조절하는 핵심 인자이며 세포가 방사선, 항암제, 산화 스트레스와 같은 외부 자극에 반응하는 과정에서 동적으로 재구성됩니다. 또한, PGCC에서 관찰되는 다핵성, 유전적 불안정성 및 비정상적인 세포 분열 양상은 ‘beta-tubulin’을 포함한 microtubule network의 변화 와도 밀접하게 관련됩니다. 이러한 세포골격 구조는 ROS 반응, DNA 손상 반응, 세포 주기 조절, 침습 관련 신호 전달 및 에너지 대사 조절에 능동적으로 관여합니다. 특히 치료 저항성 암세포는 동일한 유전적 배경을 갖고 있더라도 이질적인 상태를 보일 수 있기 때문에 평균화 된 집단 수준의 분석이 아니라 단일 세포 수준의 형태학적/기계적 지표로 정량화 하는 것은 기존 분자생물학적 분석만으로 확인하기 어려운 세포 상태를 식별하는데 중요한 정보를 제공할 수 있습니다. 따라서 PGCC 및 치료 저항성 암세포의 생물학적 특성을 이해하기 위해서는 공통적이고 고유한 생체역학적 특성을 단일 세포 수준에서 포착할 수 있는 기계적 프로파일링이 매우 중요합니다.

  최근 발표한 연구 결과는 세포골격 구조가 세포의 표면 강성 및 전이 능력과 밀접하게 관련되어 있고, 특히, 피질 강성(cortical stiffness)이 세포 운동성, 세포 내 신호 전달 및 치료 저항성을 조절 중추적인 역할을 한다는 것을 밝힘으로써 암 연구에서 세포의 기계적 유형(mechanotype) 분석의 중요성을 입증하였습니다. 고해상도 다중 세포 이미징 분석 프레임워크를 기반으로 한 “nanomechanical single-cell profiling platform”을 통해 방사선 유도 PGCC의 기계생물학적 분석(Cyto-Mechanotype Data Matrix, CMDM)을 수행했습니다. 이 프레임워크는 원자력 현미경(atomic force microscopy, AFM), 공초점 현미경(confocal microscopy, CFM), 그리고 자극 방출 억제 현미경(stimulated emission depletion microscopy, STED)을 통합적으로 활용하여, 세포골격 영상화 및 나노 스케일 강성 맵핑으로부터 얻은 정량적 데이터를 연결합니다. 이를 통해 방사선 조사 후 증식은 억제되지만 침윤 관련 표지자의 발현은 지속되는 특이적인 세포의 ‘mechanical dormancy (기계적 휴면상태)’를 단일 세포 수준에서 확인했습니다. 따라서 PGCC의 기계적 휴면 상태는 cortical actin의 재구성, 핵 비대, 세포의 stiffness 변화와 함께 치료 후 잔존 암세포의 생존성과 재활성화 가능성을 나타내는 잠재적인 치료 위협 요인으로 제시될 수 있습니다.

[그림] Cyto-Mechanotype Data Matrix (CMDM) 결과로 확인한 방사선 저항성 세포의 mechanical dormancy 특성 

2. 연구를 진행했던 소속기관 또는 연구소에 대해 소개 부탁드립니다.

  ImechBio (Imaging for MechanoBiology) 연구실은 연세대학교 의과대학 영상의학교실 소속의 연구실로 최신 의학 영상 기술과 정량적 데이터를 기반으로 암세포 특성을 다층적으로 프로파일링하고, 이를 라디오믹스 (Radiomics) 및 다각적인 멀티오믹스 분석과 접목하는 연구를 수행하고 있습니다. 특히 약물이나 치료법의 효과의 검증뿐만 아니라 치료 후에도 사멸하지 않고 생존하는 암세포 집단에 대해 이들이 어떻게 스트레스에 적응하고, 잔존하며, 다시 종양 진행에 기여하는지를 세포의 분자적 변화 외에도 형태, 세포골격 구조, 기계적 특성, 침습성 및 치료저항성과 관련된 다양한 생물학적 지표를 통해 통합적으로 해석하고자 합니다.

  연구실에는 AFM, STED, CFM와 같은 고해상도 나노-세포 영상 장비, 라이브셀 이미징 및 실시간 세포 거동 분석 시스템 (Leica DMI8, Real-time cell analyzer), 단일세포 단백질 발현 자동화 분석 장비 (WES, Milo), 그리고 동물 형광 영상 장비 (InVivo SMART)가 구축되어 있습니다. 단일세포 수준의 정밀 분석부터 동물 모델, 조직에 이르는 다양한 스케일의 연구를 랩 내부에서 유기적으로 수행할 수 있습니다. 또한, 방사선 종양학과, 종양내과, 신장내과를 포함한 여러 임상 및 기초과학 분야와 활발히 공동연구를 진행하고 있어, 중개 연구에 대한 폭넓은 경험과 전문성을 습득할 수 있는 연구 환경을 갖추고 있습니다.

[그림] ImechBio 연구실에서 수행하고 있는 주요 실험 개념도와 연구실 로고

3. 연구 활동 하시면서 평소 느끼신 점 또는 자부심, 보람

  Mechanotransduction, Mechanobiology와 관련된 연구는 해외에서 활발하게 진행되고 있지만 의외로 국내에서는 아직 암세포의 물리적 특성 자체를 중요한 생체 지표로 보고 분석하려는 시도는 많지 않은 것 같습니다. 이번 연구는 세포가 외부 스트레스에 따라 형태와 기계적 특성을 어떻게 변화시키는지 관찰하고 이를 “Mechanical phenotype”이라는 새로운 생체 지표로 해석하여 정상 세포와는 다른 암세포만의 독특한 기계적 특성을 이해하려는 시도입니다.

  본 연구를 통해 제시한 ‘Mechanomics’는 세포의 강성도, 표면 구조, 세포골격 재배열, 형태 변화와 같은 기계적·물리적 특성을 단일 세포 수준에서 정량화하고, 이를 세포의 기능적 상태와 연결해 해석하는 분석법을 의미합니다. 즉, 기존의 Genomics나 Proteomics가 세포의 분자적 변화를 중심으로 해석한다면, Mechanomics는 세포가 실제로 어떤 물리적 상태에 있는지, 그리고 그 상태가 치료 저항성이나 침습성과 어떻게 연결되는지를 이해하려는 개념입니다.

  이 기술의 가장 큰 장점은 단일 시점에 한정된 유전체학 또는 단백체학 분석만으로는 확인하기 어려운 세포 역학적 특성을 정량적으로 확인할 수 있다는 점입니다. 또한 기존의 Genomics, Proteomics, Transcriptomics와는 다른 새로운 분석 Layer가 될 수 있다고 생각합니다.

 물론 앞으로 광범위한 데이터세트를 통합 분석하고 표준화하기 위한 전략들이 필요하겠지만, 단일 세포 수준에서 암세포의 기계적 특성을 정밀하게 분석하고 이를 다른 omics 데이터와 융합한다면 치료 저항성 암세포를 이해하는 새로운 플랫폼으로 확장 가능성이 높은 연구 방향이 될 것으로 기대합니다.

4. 이 분야로 진학하려는 후배들 또는 유학준비생들에게 도움이 되는 말씀을 해 주신다면?

  최근에 박사 학위 논문을 한 번 다시 펼쳐보게 되었는데 감사의 글에 이런 문장을 적어두었습니다. “해를 거듭할수록 학문과 연구에는 경계도 한계도 없다는 것을 체감하게 됩니다. 끊임없이 진리를 탐구하는 과학자의 시선으로, 잡지에 글을 기고하는 작가의 마음으로, 지치지 않고 진득하게 스스로 늘 새로이 빚어내는 연구자가 되겠습니다. 언젠가 이 논문의 첫 장을 열어보며 이 순간을 기쁜 마음으로 추억하게 되길 바랍니다.”

  연구를 지속하다 보면 오랜 시간과, 정성을 쏟아도 당장 손에 잡히는 결과물이 보이지 않을 때가 있습니다. 그럴 때는 지치기도 하고, 내가 하고 있는 연구가 과연 가치 있는 일인지 의심하게 되는 순간도 누구에게나 한 번쯤은 오는 것 같습니다.

  물론 그 시간들은 조급하기도 하고 힘들지만, 끊임없이 고민하고 긴장하면서 버텨낸 과정들이 결국 어느 순간에는 나의 힘이 되고 다시 일어설 수 있는 기반이 되는 것 같습니다. 그리고 연구에서 가장 중요한 것은 ‘하나의 데이터를 어떻게 새롭게 해석하고 보여줄 것인가’를 항상 고민해야 하는 것 같습니다. 같은 데이터여도 어떤 질문을 던지고, 어떤 관점으로 바라보느냐에 따라 전혀 다른 의미를 가질 수 있기 때문입니다. 저 역시 아직 매일 수많은 걱정과 고민, 새로운 과제들 속에 있지만, 그 과정 자체가 결국 연구자로써 스스로를 조금씩 다듬어 가는 시간이라고 믿고 있습니다. 늦은 밤에도 연구실과 실험실에서 불을 밝히고 있는 모든 연구자들에게도 언젠가 지금의 시간을 기쁘게 추억할 수 있는 순간이 오기를 바랍니다.

5. 연구 활동과 관련된 앞으로의 계획이 있으시다면?

  앞으로는 본 연구에서 제시한 단일 세포 기반 기계적 표현형 분석 프레임워크 (Cyto-Mechanotype Data Matrix, CMDM)를 환자 유래 검체와 고도화된 체외 모델로 확장하여 유효성을 검증할 계획입니다. 이를 통해 단일 세포 수준에서 정의된 stiffness, 표면 구조, 세포골격 재배열, 핵 형태 변화와 같은 기계적 지표들이 실제 인간 종양의 치료 반응 및 저항성과 어떻게 연결되는지 체계적으로 평가하고자 합니다. 또한 기초적인 기계생물학적 이해를 확장하는 데 그치지 않고, 정량화 가능한 나노역학적 반응을 기반으로 한 단일 세포 수준의 약물 스크리닝 및 치료 반응 예측 플랫폼으로 확장하기 위한 연구를 진행하고 있습니다. 장기적으로는 단일 세포 수준에서 확보한 mechanical phenotype 정보를 의학 영상학적 특성 및 조직 규모의 종양 나노역학 분석과 연결함으로써, 종양 이질성과 치료 저항성을 해석하는 새로운 중개연구 기반을 구축하고자 합니다.

6. 다른 하시고 싶은 이야기들.....

  한빛사에 소개된 논문들 중 개인적으로 가장 애정을 가지고 있는 주제여서 처음 인터뷰를 진행해보게 되었습니다. 먼저, 연구에 집중할 수 있는 환경을 마련해주시고 중요한 순간마다 연구의 방향을 함께 고민해주시는 양재문 교수님께 감사드립니다. 또한 본 논문이 완성되기까지 오랜 시간 연구실 생활을 함께하며 크고 작은 순간마다 함께 기뻐하고 도움을 주신 강명화 전임님, 윤나라 주임님, 권진원 주임님께도 고마운 마음을 전합니다. 더불어 이번 연구를 더 깊이 있게 다듬을 수 있도록 지원해주신 방사선 종양학과 금웅섭 교수님, 김진성 교수님께도 감사의 말씀을 드립니다.

마지막으로, 언제나 저보다 저를 더 많이 믿어주시고, 제가 다 갚을 수 없을 만큼 큰 사랑과 응원을 보내주시는 부모님께 진심으로 감사드립니다. 그리고 늘 제 편이 되어주고 흔들릴 때마다 다시 마음을 다잡을 수 있도록 곁에서 힘이 되어주는 언니에게도 고맙고 사랑한다고 전하고 싶습니다.

7. 키워드

  메카노믹스 (Mechanomics)
  ▯ 세포의 stiffness, 구조 및 조직화 상태를 기반으로 기능적 표현형을 정량화하는 새로운 omics 축임.
  ▯ 세포의 생존성, 부착성, 침습성 및 치료 반응과 같은 기능적 상태를 직접적으로 반영함.

  삼중음성 유방암 (Triple-negative breast cancer)
  ▯ 표적치료 옵션이 제한되고 방사선치료 후 재발 위험이 높은 대표적 난치성 암종, 방사선 저항성 기전 규명이 임상적 치료 전략 개선에 핵심적인 대상 질환임

  단일클론 (Single-cell clones)
  ▯ 동일 세포 집단 내에서도 서로 다른 방사선 감응성을 보이는 세포 이질성을 정밀하게 반영함. 개별 클론 단위 분석을 통해 저항성 상태 형성의 기전적 차이를 규명할 수 있음.