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

줄기세포 기반의 in vitro 모델은 질병 치료제 개발을 위한 약물 스크리닝 및 질환 모델링 분야에서 핵심적인 플랫폼으로 자리 잡고 있습니다. 특히, 동물실험을 대체하고자 하는 움직임과 함께, 생체 내 환경을 정밀하게 모사할 수 있는 체외 시스템에 대한 관심이 커지면서, 초기의 2D 배양 모델에서 나아가 최근에는 보다 정교한 조직 구조와 생리적 기능을 재현할 수 있는 3차원 오가노이드 기술까지 활발히 개발되고 있습니다. 그러나 이러한 in vitro 모델이 실제 임상이나 전임상 단계에서 신뢰성 있게 활용되기 위해서는, 줄기세포로부터 유도된 세포들이 목표한 세포 유형으로 분화되었는지, 그리고 기능적으로 성숙했는지를 정량적으로 평가할 수 있는 분석 기술이 필수적입니다. 예를 들어, 대표적인 기능성 세포인 도파민성 뉴런(Dopaminergic neurons)의 경우, TH나 MAP2와 같은 전형적인 마커의 발현만으로는 실제 도파민 분비 여부를 판단하기 어려우며, 단순한 형태학적 변화나 분자 지표만으로 기능성을 판별하기엔 한계가 존재합니다. 도파민 분비 능력이 부족한 기능적 미성숙 세포가 높은 마커 발현을 보일 수도 있어, 모델링이나 스크리닝 결과에 오류를 유발할 수 있습니다. 이에 따라, 실시간으로, 살아있는 세포에서 비파괴적 방식으로 도파민 분비를 직접 측정할 수 있는 기술의 필요성이 커지고 있습니다.

현재까지는 RT-PCR, 면역염색, HPLC, ELISA등의 분석법이 주로 사용되고 있으나, 이들은 대부분 세포의 고정이나 용해, 형광 라벨링이 필요한 endpoint 방식으로, 실시간 모니터링이 어렵고 분석 후에는 세포를 재사용할 수 없다는 근본적인 한계를 가집니다. 또한, 분석 시간과 비용이 높아 고속·고효율 스크리닝 플랫폼으로 활용되기에도 어려움이 있습니다. 이러한 문제를 해결하기 위한 대안으로 전기화학 기반 센싱 기술이 주목받고 있으며, 도파민이 산화-환원 활성을 가진 전기활성 분자라는 점에서 라벨링 없이 실시간 측정이 가능한 유망한 접근법으로 떠오르고 있습니다. 이 방식은 빠른 반응 속도, 저비용 등의 장점을 지니지만, 나노몰 수준의 낮은 농도, 간섭 물질 존재, 전극 오염(fouling) 등의 기술적 도전 과제가 여전히 존재합니다.

이러한 한계를 극복하기 위해, 본 연구에서는 도파민성 뉴런 및 중뇌 오가노이드에서의 도파민 방출을 실시간, 비파괴, 고감도·고선택적으로 측정할 수 있는 전기화학 센서 플랫폼 SIDNEY(Smart Interfacial Dopamine-sensing platform for NEurons and organoid physiologY)를 개발하였습니다. 이 플랫폼은 금 나노필라(Gold nanopillar) 기반의 3차원 전극 위에 금 나노입자(GNPs)와 그래핀옥사이드(GO)를 계층적으로 조합하여, 전기화학 활성 표면적 확대, 전자 전달 향상, 분자 선택성 확보를 동시에 달성한 것이 특징입니다. 플랫폼 상에서 SH-SY5Y, iPSC 유래 뉴런, 그리고 중뇌 오가노이드에서의 도파민 분비를 민감하고 선택적으로 검출하였고, 세포 및 오가노이드의 기능적 성숙도를 실시간으로 평가할 수 있음을 확인하였습니다. 특히 단일 오가노이드 수준에서도 미성숙기와 성숙기 간 도파민 방출 차이를 정량적으로 구분할 수 있었습니다. SIDNEY는 파킨슨병과 같은 도파민 관련 질환 모델링, 약물 스크리닝, 치료제 평가 등 다양한 줄기세포 기반 정밀의료 및 재생의학 분야에서 활용될 수 있으며, 향후에는 환자 유래 세포 기반의 맞춤형 분석 플랫폼으로 확장될 수 있는 잠재력을 지니고 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

제가 연구하고 있는 줄기세포 분야가 점차 임상에 활용되고 있고, 특히 동물실험을 대체하려는 움직임 속에서 in vitro 모델이 중요한 대안으로 주목받고 있다는 점에서 연구자로서 매우 뿌듯합니다. 단순히 실험을 넘어, 제가 수행하는 연구가 실제 대체 기술의 한 가능성으로 인정받아 저널에 출판되는 순간에는 큰 자부심과 보람을 느낍니다. 이러한 경험들이 앞으로도 의미 있는 연구를 이어가고 싶게 하며, 저에게는 계속해서 연구를 지속할 수 있는 강한 동기부여가 되고 있습니다.

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

실험과 연구 과정에서 가장 중요한 것은 계획을 세우고 차근차근 실행하는 것이라고 생각합니다. 하나의 논문을 완성하기까지는 오랜 시간이 걸리고, 방대한 양의 데이터와 실험이 필요하기 때문에 시간을 얼마나 효율적으로 쓰느냐가 큰 차이를 만드는 것 같습니다. 그래서 하루하루를 계획적으로 보내는 습관을 만들면 긴 여정 속에서도 흔들리지 않고 꾸준히 나아갈 수 있다고 생각합니다. 처음에는 계획을 세우는 게 번거롭고 어렵게 느껴질 수 있지만, 점차 나에게 맞는 루틴이 만들어지면서 오히려 마음이 더 편해지는 것 같습니다. 저는 특히 연구가 잘 풀리지 않을 때도, 계획표를 기반으로 다시 흐름을 잡을 수 있어 많은 도움이 되었습니다.

5. 연구 활동과 관련된 앞으로의 계획이 있으시다면?

앞으로는 SIDNEY 플랫폼을 더욱 다양하게 활용하여, 오가노이드 내 신호를 공간적으로 정밀하게 측정할 수 있는 방향으로 발전시킬 계획입니다. 또한, 신경세포뿐만 아니라 다른 장기 오가노이드에도 적용해, 다양한 성숙 지표들을 실시간으로 모니터링할 수 있도록 확장하고자 합니다. 궁극적으로는 이 플랫폼을 통해 in vitro 줄기세포 모델을 빠르고 정확하게 평가할 수 있는 시스템으로 발전시키는 것이 목표입니다.

6. 다른 하시고 싶은 이야기들.....

먼저, 프로젝트를 진행하는 동안 아낌없는 조언과 지도로 이끌어 주신 성균관대학교 김태형 교수님께 깊은 감사의 말씀을 드립니다. 또한, 연구생활을 함께하는 BEST 랩원들에게도 진심으로 고마움을 전합니다. 또한, 이번 연구에 귀중한 도움을 주신 김성민 박사님, 이태훈 연구원님, 박종찬 교수님, 최진하 교수님께도 진심으로 감사드립니다. 장기간 이어진 SIDNEY 프로젝트 동안 서로를 응원하며 지치지 않도록 함께해준 연우오빠에게도 고마운 마음을 전합니다. 무엇보다도, 가장 가까운 곳에서 언제나 저의 꿈을 응원하고 지지해주는 가족들에게도 고마운 마음을 전합니다. 앞으로 더 노력해서 한국을 빛내는 연구자가 되겠습니다.