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

  줄기세포 기반 체외 모델은 신약 개발과 질환 연구에 매우 중요한 도구로 활용되고 있습니다. 과거에는 주로 2차원 배양 방식이 사용되었지만, 이는 실제 인체 조직의 복잡한 환경을 충분히 반영하지 못한다는 한계가 있었습니다. 최근에는 3차원 오가노이드 기술이 발전하면서, 실제 인체 조직과 더 유사한 모델을 만들 수 있게 되었습니다. 하지만, 단순히 세포가 특정 신경세포로 “보인다”거나, 관련 단백질이 발현된다는 것만으로는 그 세포가 제대로 기능하고 있는지 판단하기 어렵습니다. 예를 들어, 도파민성 신경세포의 경우 형태나 표지 단백질만으로는 실제로 도파민을 방출하는지 확인할 수 없습니다. 결국, 세포가 얼마나 잘 “작동”하는지를 직접 측정하는 기술이 필요합니다. 현재는 HPLC나 ELISA 같은 분석 방법이 사용되고 있지만, 이들은 시간이 오래 걸리고 많은 시료가 필요하며, 대부분 세포를 파괴해야 측정할 수 있다는 단점이 있습니다. 따라서 살아있는 세포에서 도파민을 실시간으로, 손상 없이 측정할 수 있는 방법이 요구됩니다. 도파민은 전기적 반응을 일으킬 수 있는 물질이기 때문에, 전기화학 센서는 이를 빠르고 직접적으로 감지할 수 있는 유망한 기술입니다. 그러나 배양액 속 도파민 농도는 매우 낮고, 비슷한 성질을 가진 다른 물질들도 함께 존재하기 때문에 정확하고 선택적으로 측정하는 것이 쉽지 않습니다. 또한 전극 표면이 오염되면 감도가 떨어지는 문제도 있습니다. 따라서, 실제 생물학적 환경에서도 안정적으로 작동하면서, 낮은 농도의 도파민을 정확하게 구분해낼 수 있는 고성능 전극 기술이 필요합니다. 이러한 기술이 확보되어야 줄기세포로부터 만들어진 도파민성 신경세포가 실제로 기능적으로 성숙했는지를 신뢰성 있게 평가할 수 있습니다. 이를 위해, 저희는 살아있는 세포 환경에서 도파민을 실시간으로, 비표지 방식으로, 그리고 비파괴적으로 측정할 수 있는 새로운 전기화학 플랫폼인 SIDNEY(Smart Interfacial Dopamine-sensing platform for NEurons and organoid physiologY)를 개발하였습니다. SIDNEY는 산화 그래핀으로 감싼 계층적 금 나노기둥 구조로 이루어진 3차원 하이브리드 플랫폼입니다. 먼저, 금 나노기둥은 3차원 지지체 역할을 하여 표면적을 크게 증가시키고, 그 위에 금 나노입자와 산화 그래핀을 안정적으로 결합할 수 있도록 설계되었습니다. 금 나노입자는 전기 전도성을 높이고 신호를 증폭하는 역할을 하며, 산화 그래핀은 도파민을 선택적으로 끌어당기는 특성과 함께 세포가 잘 부착할 수 있는 환경을 제공합니다. 이러한 구조를 하나의 생체적합 전극 어레이로 통합함으로써, SIDNEY는 세 가지 핵심 기능을 동시에 구현하였습니다. 첫째, 넓은 표면적과 빠른 전자 전달 특성을 기반으로 나노몰(nM) 수준의 낮은 도파민 농도까지 감지할 수 있는 높은 민감도를 확보하였습니다. 둘째, 도파민과의 분자 간 상호작용을 활용하여 선택적으로 흡착시키고, 전극 오염을 최소화하는 항오염(anti-fouling) 특성을 구현하였습니다. 셋째, 세포와 장기간 함께 배양할 수 있는 구조로 설계하여, 도파민이 방출되는 지점과 전극 사이의 거리를 최소화함으로써 실제 방출 신호를 보다 정확히 포착할 수 있도록 하였습니다. 그 결과, 본 플랫폼을 통해 중뇌 오가노이드에서 방출되는 도파민을 전기화학적으로 직접 측정하는 데 최초로 성공하였습니다. 3차원 생리학적 모델에서 신경세포의 실제 기능을 정밀하게 평가할 수 있는 새로운 분석 플랫폼인 SIDNEY는 파킨슨 병과 같은 신경퇴행성질환의 모델링, 약물스크리닝 등 신경과학 및 재생의학 분야에서 실질적으로 활용될 수 있습니다.

2. 연구를 진행했던 소속기관 또는 연구소에 대해 소개 부탁드립니다.

  성균관대학교 지능형정밀헬스케어융합전공 김태형 교수님 연구실 (https://www.bestlaboratory.co.kr/)은 나노/마이크로 구조체 제작 기술을 이용한 줄기세포 거동 제어 및 분화 모니터링 용 플랫폼 개발 연구, 전기화학 기반 세포 신호 분석 기술/플랫폼 개발 연구, 그리고 3차원 세포/조직 배양 기술 및 약물 스크리닝 기술 개발 연구를 수행하고 있습니다. 원천기술 및 플랫폼 개발에 주력하는 만큼 다양한 분야의 연구시설 및 의료기관, 대학기관과의 협력 연구가 활발하게 이루어지고 있습니다.

3. 연구 활동 하시면서 평소 느끼신 점 또는 자부심, 보람

  논문이 출판된 이후 돌이켜보니, 준비 과정과 실험 하나하나가 모두 소중한 시간이었다는 생각이 듭니다. 실험 과정에서 여러 번의 실패도 있었지만, 그 모든 데이터가 차곡차곡 쌓여 하나의 논문으로 완성되었다는 사실이 무척 뿌듯하게 느껴집니다. 특히 유도만능줄기세포뿐 아니라 중뇌 오가노이드에서 방출되는 도파민을 실시간으로 측정할 수 있는 기술을 구현했다는 점이 더욱 의미 있게 다가옵니다. 이 기술이 향후 줄기세포 치료나 약물 스크리닝 분야에서 실제로 활용될 수 있다는 가능성을 생각하면, 연구실에서 함께 고민하며 개발했던 시간이 더 값지게 느껴집니다. 저희의 연구가 실험실을 넘어 임상 현장으로 확장될 수 있을 것이라는 기대와 설렘도 함께 갖고 있습니다.

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

   연구원으로서의 삶은 분명 쉽지 않습니다. 대학원에 진학해 20대와 30대의 소중한 시간을 연구에 쏟아붓고도 늘 부족함을 느끼는 것이 연구라는 생각이 듭니다. 과정은 고단하고, 실패는 반복되며, 결과는 쉽게 나오지 않습니다. 그럼에도 불구하고 연구는 여전히 매력적이고 설레는 일입니다. 하나의 질문에 몰두하고, 나의 시간과 에너지를 온전히 쏟아붓고, 실패를 딛고 다시 시도하는 과정 속에서 스스로가 단단해지는 것을 느끼게 됩니다. 어쩌면 연구는 힘든 길이 아니라, 한 사람이 자신의 꿈을 향해 가장 치열하게 달려가는 과정이며, 청춘을 가장 빛나게 만드는 시간일지도 모릅니다. 과학이 좋고, 배운 지식을 실제 결과물로 만들어내는 창의적인 일을 해보고 싶은 분들께 연구의 길을 진심으로 추천하고 싶습니다.
  그리고 지금 이 순간에도 실험실에서 묵묵히 자신의 연구에 몰두하고 있을 많은 연구자분들께, 우리 함께 조금만 더 힘내자고 응원의 마음을 전하고 싶습니다.

5. 연구 활동과 관련된 앞으로의 계획이 있으시다면?

  저는 현재 줄기세포의 분화 과정을 실시간으로 모니터링할 수 있는 센싱 플랫폼을 개발하는 동시에, 실제 배아 발생 과정을 모사해 줄기세포 분화를 보다 정밀하고 효율적으로 제어할 수 있는 분화 플랫폼도 함께 연구하고 있습니다. 앞으로는 다양한 소재와 나노기술을 접목해 실제 조직과 더욱 유사한 오가노이드나 어셈블로이드와 같은 조직 모사체를 보다 안정적이고 효율적으로 생산할 수 있는 시스템을 구축하고자 합니다. 더 나아가, 분화 과정의 제어와 기능 분석이 하나의 시스템 안에서 동시에 이루어지는 통합 분화·센싱 플랫폼을 개발하여, 줄기세포 기반 모델의 정확도와 실질적 활용 가치를 더욱 높이는 것을 목표로 하고 있습니다.

6. 다른 하시고 싶은 이야기들.....

  먼저, 논문을 준비하는 동안 아낌없는 조언과 따뜻한 지도로 이끌어 주신 성균관대학교 김태형 교수님께 깊이 감사드립니다. 또한 연구실에서 함께 고민하고 노력해 준 랩원들과 팀원들께도 진심 어린 고마움을 전하고 싶습니다. 이번 연구에 귀중한 도움을 주신 김성민 박사님, 이태훈 연구원님, 박종찬 교수님, 최진하 교수님께도 진심으로 감사드립니다. 특히 몇 년간 SIDNEY 프로젝트를 함께하며 실험을 주도적으로 이끌어 준 민지에게도 축하와 감사의 마음을 전합니다. 무엇보다 언제나 곁에서 묵묵히 지지하고 응원해 준 가족들에게 깊이 감사드립니다. 앞으로도 끊임없이 정진하여 사회에 의미 있게 기여할 수 있는 연구자가 되도록 최선을 다하겠습니다.