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모든 종류의 순환종양세포 분리 가능한 초정밀 원천기술 개발, 암 조기치료에 한발짝 다가서다!
Bio통신원(DGIST)
- 등록2022.06.16
- 조회2077
DGIST 뉴바이올로지학과 김민석 교수팀은 연속원심미세유체 원천기술을 개발하여 세계 최초로 혈액 내 존재하는 모든 종류의 암세포들을 분리할 수 있는 자동화 장치를 개발하였다고 밝혔다. 해당 기술은 모든 종류의 암세포를 분리할 수 있고, 초정밀 암진단이 가능하며 이를 완전 자동화 형태로 구현하여 병원에서 바로 활용 가능할 정도로 완성도가 높다고 할 수 있다.
전 세계적으로 높아지는 암 발생률로 인해 다양한 항암제가 개발되어 치료 가능성이 증대하고 있으나, 변이 또는 전이가 잦은 암에 대한 정확한 정보를 얻는 것은 여전히 어려운 상황이다. 암 유전정보를 얻기 위한 방법으로 암 조직을 이용하여 진단하는 조직생검과 혈액 등을 이용한 액체생검이 존재하는데, 액체생검의 경우 인체에 고통을 주지 않는 비침습적 검사를 통해 암의 정보를 얻을 수 있고, 모든 암 유전정보를 가지고 있는 순환종양세포(Circulating tumor cell; CTC)를 이용할 경우 더욱 정확한 진단이 가능하다고 알려져 있다.
하지만 이러한 순환종양세포는 혈액 내 아주 희소하게 존재하여 분리가 어려우며, 현재 이용 중인 분리 기술들은 일부 CTC에 발현된다고 알려진 마커를 이용하거나, 기준 크기 이상의 암세포만을 분리할 수 있기에 모든 종류의 CTC 분리가 어려워, 순환종양세포들의 이질성(Heterogeneity)을 극복한 분리는 CTC 분야의 이상적인 기술로 여겨져 왔다.
연구팀에서 개발한 기술은 음성선택 타겟 세포 이외의 모든 세포를 선택하여 제거하는 방식
을 이용하여 암세포가 아닌 다른 세포들을 모두 제거하고 초정밀 유체 제어 기술을 통해서 세포의 스트레스와 손실율을 최소화하며 세포를 분리하는 것을 성공시켰다. 마커의 유무, 암세포의 크기와 관계없이 다양한 암세포주에서 90% 수준의 높은 회수율을 보였고, 연세대학교 김혜련 교수팀과의 공동연구를 통해 폐암 환자의 혈액으로 순환종양세포를 분리, 약물효과 추적관찰 등 임상적 유용성도 확인하였다. 또한 완전 자동화를 통해 기술적 완성도를 높여 분리 성능은 물론 의료현장에서 조기 상용화가 가능하다는 점에서 의학적 영향력이 클 것으로 보인다.
DGIST 뉴바이올로지학과 김민석 교수는 “본 연구 분야의 꿈인 CTC의 이질성을 극복하면서 완전 자동화로 모든 종류의 암세포를 분리할 수 있도록 기술 개발 및 상용화를 위해 지원해준 한국연구재단의 바이오의료기술개발사업단과 ㈜씨티셀즈 김승훈 이사, 연세대 김혜련 교수팀, 부산대 신용일, 이선민 교수팀에게 감사드린다.”며, “해당 기술이 암의 조기 진단, 맞춤형 치료제 처방 등 더욱 정밀한 진단과 맞춤 치료제 선정에 활용되어 암 환자들에게 도움이 되길 희망한다.”고 말했다.
한편, 이번 연구는 의료기관 창업캠퍼스 원천기술개발사업의 지원을 받아 수행되었으며, 연구결과는 Theranostics 12권 8호에 ‘Continuous centrifugal microfluidics (CCM) isolates heterogeneous circulating tumor cells via full automation’이라는 제목으로 2022년 5월 1일 게재되었다.
연 구 결 과 개 요
Continuous centrifugal microfluidics (CCM) isolates heterogeneous circulating tumor cells via full automation
Hyeong Jung Woo, Seung-Hoon Kim, Hyo Jung Kang, Soo-Hwan Lee,
Seung Joon Lee, Jong Man Kim, Ogan Gurel, Soo Yeol Kim, Hye Ran Roh, Jungmin Lee, Yeonsoo Park, Hyun Young Shin, Yong-Il Shin, Sun Min Lee,
So Yeon Oh, Young Zoon Kim, Jung-Il Chae, Seoyoung Lee, Min Hee Hong, Byoung Chul Cho, Eun Sook Lee, Klaus Pantel,
Hye Ryun Kim and Minseok S. Kim
(Theranostics, published on 1st May, 2022)
암의 이질성을 이해하는 것은 전이성 암에서 다양한 유전적 변이를 찾아내기 위하여 필수적이다. 따라서 정확한 암 정보를 확인하기 위해 모든 유형의 CTC를 분리하는 것이 중요하며, CTC의 전체 스펙트럼을 확인할 수 있도록 분리하고 완전 자동화하는 것은 의료 현장에서 정밀 암진단을 수행하기 위해 시급하다.
우리는 연속원심미세유체(continuous centrifugal microfluidics; CCM) 기술이라는 원천기술을 개발하여 음성선택 방식을 기반한 다양한 종류의 CTC 분리를 완전 자동화하였다. 이러한 CCM 기술은 다양한 표현형(EpCAM(+), EpCAM(-), small-, large-sized, cluster)과 암종(폐, 유방, 방광, 등)에 관계없이 90% 이상의 회수율 및 WBC 99.9% 이상의 제거율로 높은 성능을 보였다. 게다가 표피생장인자수용체(epidermal growth factor receptor; EGFR) 돌연변이를 갖고 있는 폐암 환자 30명의 샘플을 이용하여 다양한 표현형의 CTC를 분리하였고, 마커 발현 및 크기의 다양성을 확인하여 비편향 CTC 분리 기술임을 증명하였다. 환자에서 확보한 cell-free DNA와 CTC를 이용하여 유전자 분석을 실시, 결과가 동일함을 확인하였으며, CTC를 계수하여 EGFR 억제제의 반응성과 함께 임상적 진행성과의 유의미한 상관관계를 관찰하였다.
이를 통해 본 시스템은 신속하고 신뢰할 수 있으며 재현 가능한 결과를 제공함으로써 임상적인 활용에서 더욱 유용한 CTC 분석이 가능함을 확인하였다.
연 구 결 과 문 답
이번 성과 무엇이 다른가
기존의 혈중암세포 분리 기술은 마커, 사이즈 등에 의존적으로 분리 가능하다는 한계가 있었으나 본 연구에서는 모든 종류의 순환종양세포를 분리해낼 수 있었으며 이를 세계 최초로 완전 자동화를 구현하였음
어디에 쓸 수 있나
혈액 내 극소량 존재하는 순환종양세포를 손실없이 분리함으로서 암 진단, 약물 반응성, 전이 등 경과 관찰, 맞춤 항암제 선정 등에 폭넓게 즉시 활용 가능하며 분리된 암세포의 유전정보를 확인하여 마커 개발 등 기초연구에도 유용하게 이용 가능함
실용화까지 필요한 시간과 과제는
혈중암세포의 임상적 유용성은 이미 많이 알려진 바이나 현재까지도 널리 상용화되지 못한 이유 중 하나는 병원 현장에서 쓸 수 있을 정도의 기술적 완성도가 높은 분리장치가 없었음. 본 기술은 분리 성능은 물론이고 완전 자동화를 구현하여 즉시 실용화가 가능함. 본 연구과제의 세부기관인 ㈜씨티셀즈에서 상용화를 진행하고 있음
연구를 시작한 계기는
액체 생검의 중요도가 커지면서 혈중암세포 분리 기술은 실용적으로 암환자에게 도움이되고 임상에서 활용 가능한 기술로 의미가 있을 것이라고 판단하였는데, 의료기관 창업캠퍼스 원천기술개발사업을 수주하면서 ㈜씨티셀즈를 창업하게 되었고 이를 통해 기술 상용화를 목표로 연구하게 되었음
어떤 의미가 있는가
CTC 연구분야에서 가장 큰 세계적 난제중 하나가 모든 종류의 CTC를 분리하는 것이었으며, 이를 구현함과 동시에 병원에서 활용 가능하기 위해서는 완전자동화를 동시에 구현해야 하는 것이 무엇보다 중요하였음. 지금까지 이런 꿈을 구현한 사례가 없었는데, 12년간의 연구를 통해 이를 구현하였다는 것이 큰 의미가 있음. 본 연구분야의 세계적 석학인 Klaus Pantel 그룹과 공동연구를 시작하였고, 글로벌 선도제품과 성능비교를 한 결과, 최고의 성능을 확보해 독보적인 기술을 확보하였다는 것을 세계적 석학 연구실에서 확인하였다는 것이 큰 의의가 있음
꼭 이루고 싶은 목표는
본 원천기술을 잘 상용화하여 많은 암환자에게 실질적으로 도움을 주는 것을 직접 보고 뿌듯함을 느끼고 싶음. 또한 글로벌 의료시장으로 진출하여 성능을 인정받아 자랑스런 대한민국의 의료기술 중 하나가 될 수 있기를 희망함
(그림설명) DGIST 김민석 교수 연구팀의 CCM기술을 이용한 CTC 분리 모식도
(그림설명) (위) 암종, 마커와 관계없이 높은 회수율 확인 (아래) 환자 혈액에서 분리한 CTC의 크기, 사이즈 다양성 확인
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