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칼슘 이미징과 홀로그램을 결합해 심장근육세포를 더 정밀하게 분석한다!

Bio통신원(DGIST)

등록2023.09.26
조회1027

DGIST(총장 국양) 로봇및기계전자공학 문인규 교수팀이 다중모드(홀로그램, 칼슘) 이미지를 통해 심장근육세포의 운동성을 분석하는 새로운 기법을 개발했다고 26일(화) 밝혔다. 이 시스템을 통해 환자 개개인이 다양한 약물에 어떻게 반응하는지에 대한 정밀한 분석이 가능해져, 환자 맞춤형 신약 개발의 핵심기술로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

칼슘 이미징 기술은 세포나 조직 내에서 칼슘 이온의 움직임과 농도를 시각적으로 관찰하고 분석하는 기술이다. 기존의 기술은 심장근육세포의 3차원 구조나 운동성 특성, 질량 등 여러 상태 변화를 정확하게 분석하는 데 한계가 있었다. 이를 극복하기 위해 문인규 교수 연구팀은 앞서 홀로그래피를 사용한 심장근육세포 분석 기술을 개발한 바 있다. 이 기술은 실시간 상태를 단일세포 단위로 보다 더 세밀하게 분석할 수 있으나, 동역학과 심장박동 관련 수축 및 이완 동역학 사이에서의 상관관계 분석이 어려웠다.

이러한 문제를 해결하기 위해 문인규 교수 연구팀은 칼슘 이미징과 홀로그래피를 결합한 다중모드 이미지 센서 기술을 개발했다. 이 기술은 세포 내 칼슘의 동역학과 수축 및 이완 과정을 동시에 측정 할 수 있다. 이 때문에 약물이 주입된 심장근육세포의 박동 속도, 약물 지속 시간, 약물효과 및 약물독성 조사 등을 보다 정확하게 정량적으로 분석할 수 있어 기존 두 기술의 한계를 모두 극복할 수 있다.

로봇및기계전자공학과 문인규 교수는 “이번 연구를 통해 개발한 기술은 약물이 투여된 심장근육세포가 약물에 반응하고 변화하는 과정을 심장근육세포들의 박동패턴과 세포 내 칼슘 동역학과의 상관관계 측정으로 규명한 원천기술”이라며 “환자의 심장근육세포 상태를 보다 정밀하게 확인하고 필요한 약물의 위험성을 사전에 시험해볼 수 있어 향후 환자 맞춤형 약물 스크리닝 플랫폼 개발에 많은 도움이 될 것으로 기대된다”고 말했다.

한편, 본 연구성과는 과학기술정보통신부의 ‘STEAM 연구사업’의 지원을 받아 도출된 연구 결과이며, 국제학술지 ‘ACS Sensors’ 7월호에 게재되었다.

연 구 결 과 개 요

Automated Dual-mode Cell Monitoring to Simultaneously Explore Calcium Dynamics and Contraction-relaxation Kinetics within Drug-treated Stem Cell-derived Cardiomyocytes
(Keyvan Jaferzadeh, Benjamin Rappaz, Youhyun Kim, Bo-Kyoung Kim, Inkyu Moon,* Pierre Marquet, and Gerardo Turcatti)
(ACS Sensors, published on August, 2023)

본 연구에서는 인간-유도 만능 줄기세포 기술로부터 얻은 심장근육세포의 수축 과정과 칼슘 역학 사이의 관계 측정에 사용할 수 있는 홀로그래피와 형광표지 기반의 칼슘 이미징을 기반으로 한 새로운 다중모드 세포 이미징 시스템을 제시함. 제시된 다중모드 바이오 이미징 및 분석 시스템은 살아있는 세포에 대한 칼슘 이미징과 홀로그램을 기반으로 하는 정량적 위상 이미지를 동시에 제공할 수 있는 장점을 가짐. 특히, 제안하는 자동분석 알고리즘의 개발로 여기-수축 결합의 핵심 요소인 세포내 칼슘의 동역학과 유효 수축력 즉, 수축 및 이완 과정을 반영하는 건조 질량 값을 동시에 측정 가능함을 입증하였음. 칼슘 동역학에 정확하게 영향을 미치는 것으로 알려진 두 가지 약물, 즉 이소프레날린과 E-4031을 사용하여 칼슘 동역학과 수축-이완 동역학 사이의 관계를 조사하였으며, 또한 칼슘 조절은 두 단계 즉, 이완 과정의 발생에 영향을 미치는 초기 단계와 이완 과정에 큰 영향을 미치지 않지만 비트 주파수에 상당한 영향을 미치는 후기 단계로 나눌 수 있음을 제시된 이중 모드 세포 이미징 시스템을 통해 확인하였음. 제시된 다중모드 심장근육세포 자동분석법은 심장근육세포 수축성을 구성하는 특정한 단계에서 선택적으로 동작할 수 있는 화합물을 식별해야 하는 약물 개발 및 환자 맞춤형 의학 분야에서의 약물 스크리닝에 활용될 수 있을 것으로 기대.

연 구 결 과 문 답

이번 성과 무엇이 다른가

본 연구에서는 홀로그래피 홀로그래피와 칼슘 이미징을 결합하여 다중모드 이미지 센서 기술을 기반으로 세포 내 칼슘의 동역학과 수축 및 이완 과정을 동시에 측정하는 기술을 개발함

어디에 쓸 수 있나

환자의 심장근육세포 상태를 보다 정밀하게 확인하고 필요한 약물의 위험성을 사전에 시험해볼 수 있어 향후 환자 맞춤형 약물 스크리닝 플랫폼 개발에 많은 도움이 될 것으로 기대

실용화까지 필요한 시간과 과제는

병원과 연계하여 실제로 환자 맞춤형으로 임상연구를 할 수 있는 후속 단계가 필요하며, 본 연구에서 사용한 약물 이외의 다양한 약물에 대한 약물 효과 및 지속성 분석을 위한 추가적인 연구가 진행되어야 함

연구를 시작한 계기는

기존 형광표지 기반의 칼슘 이미징 기술로는 심장근육세포의 3차원구조나 운동성 특성, 질량 등 다양한 상태 변화 정보를 정량적으로 자동 분석하는 데에 기술적인 한계가 있으며, 또한 홀로그래피 기반의 심장근육세포 운동성 분석 기술은 세포 내 칼슘 동역학과 심장박동 관련 수축 및 이완 동역학 사이에서의 상관관계 분석 등에서 어려움이 있어 이를 극복하기 위한 연구를 수행함

어떤 의미가 있는가

이번 연구를 통해 개발한 기술은 약물이 투여된 심장근육세포가 약물에 반응하고 변화하는 과정을 심장근육세포들의 박동패턴과 세포 내 칼슘 동역학과의 상관관계 측정으로 규명한 원천기술이며, 또한 환자의 심장근육세포 상태를 보다 정밀하게 확인하고 필요한 약물의 위험성을 사전에 시험해볼 수 있어 향후 환자 맞춤형 약물 스크리닝 플랫폼 개발에 많은 도움이 될 것으로 기대

꼭 이루고 싶은 목표는

앞으로 다양한 약물들에 대해 환자 맞춤형으로 유도만능줄기세포로부터 얻어진 심장근육세포의 박동패턴의 변화, 약물효과, 독성조사 등을 대규모 단위로 고속으로 자동분석할 수 있는 AI 플랫폼 개발 연구를 수행할 것임

[그림 1] 홀로그래피 이미징 기술과 칼슘 이미징 기술 결합 기반 심장근육세포 수축 운동 및 칼슘 동역학 동시 측정 시스템 개요도

[그림 2] 심근세포 운동성과 세포 내 칼슘 동역학과의 상관관계 분석 실험결과

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