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최진하
최진하(Jin-Ha Choi) 저자 이메일 보기
서강대학교, Rutgers University
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Nondestructive Characterization of Stem Cell Neurogenesis by a Magneto-Plasmonic Nanomaterial-Based Exosomal miRNA Detection

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

줄기세포를 응용하는 기술은 다양한 질병의 치료가 가능한 잠재력이 높은 연구 분야입니다. 특히 신경줄기세포는 인체에 치명적이며 삶의 질과 밀접하게 연관된 퇴행성 뇌질환 및 척추 손상과 같은 아직 치료법이 개발되지 않는 질병을 해결할 수 있는 강력한 치료법입니다. 신경줄기세포를 치료에 응용하기 위해서는 원하는 방향으로 신경세포분화를 제어하는 기술과, 분화 정도를 정확하게 측정하여 치료효과를 극대화하는 기술이 필수적이라고 할 수 있습니다. 신경줄기세포의 분화도를 측정하기 위해서는, 세포에서 방출되는 분화와 관련된 생체물질을 민감하고 정확하게 측정해야 하며, 세포를 비파괴 방법으로 측정하여 이를 바로 치료에 사용할 수 있어야 합니다.

본 연구에서는 신경줄기세포의 분화를 실시간, 비파괴 방법으로 민감하게 측정하기 위해 분화와 관련된 마이크로 RNA (miRNA)중 하나인 miR-124를 정량적으로 측정하였습니다. 마이크로 RNA는 세포의 다양한 변화나 유래 등과 같은 세포 특성을 확인할 수 있는 잠재성이 높은 바이오마커로써 최근 활발한 연구가 진행중에 있습니다. 그 중 miR-124는 신경줄기세포의 분화의 진행정도에 따라 세포에서 생성되고 방출되는 양이 비례하여 증가하고, 또한 이를 주변 세포에 전달하여 분화를 촉진하는 기능을 가지고 있습니다. 이와 같은 마이크로 RNA를 비롯한 mRNA, DNA, 단백질 등의 생체물질의 세포간 전달을 위해 세포에서는 주로 exosome을 이용하여 서로 주고받게 됩니다. 이에 착안하여, exosome 안에 있는 miR-124를 정량적으로 측정하여 신경줄기세포의 분화도를 안정적으로 민감하게 측정하는 나노 입자 기반 시스템을 제작하였습니다.

Exosomal miR-124를 측정하기 위해, 먼저 금-니켈-금으로 구성된 나노막대를 제작하였습니다. 두 성분으로 구성된 나노막대는 두 개의 서로 다른 기능을 가지게 되는데, 금 부분은 surface plasmon resonance 효과로 인해 형광신호를 소광하거나 증폭시키는 기능을 가지며, 니켈 부분은 exosome을 분리하여 concentration 하는 기능을 가지게 됩니다. 조금 더 구체적으로 기술하자면, 니켈 부분에 exosome과 선택적으로 반응할 수 있는 anti-CD63을 고정화하여 자성을 이용한 immune-separation을 진행하였고, 금 부분에 형광분자가 달려있는 molecular beacon을 고정화하여 miR-124 와 선택적으로 반응하여 형광이 발현되게 하였습니다. 특히, molecular beacon의 길이를 약 7 nm로 디자인하여, miR-124가 반응하였을 시 형광 신호가 증폭되는 효과를 확인하였습니다. 결과적으로, 나노막대를 이용하여 exosome을 손쉽게 분리하였고, exosome 안에 있는 miR-124를 매우 민감하게 측정할 수 있었습니다.

이를 기반으로 실제 신경줄기세포의 분화도에 따른 miR-124의 레벨을 민감하게 측정하였습니다. 또한, 분화 방향에 따른 miRNA의 발현 차이를 확인하고자 astrocyte와 differentiated neuron에서 방출되는 특정 miRNA (miR-449, miR-124)를 선택적으로 측정하였습니다. 마지막으로, 실제 생체 내 신경세포의 miRNA 발현정도를 확인하기 위해 쥐에서 추출한 신경세포에서 exosome을 분리하여 miR-124, miR-449 level을 측정하였습니다. 이를 통해 본 연구를 통해 제작된 다성분 나노막대가 exosomal miRNA를 측정하는데 매우 효과적으로 작동하는 것을 확인할 수 있었습니다.

앞서 기술하였듯이, miRNA는 줄기세포의 분화 외에도 질병 진단의 직접작인 biomarker로써 잠재력이 높은 생체 물질입니다. 따라서 miRNA를 신속, 정확, 민감하게 측정할 수 있는 기술은 매우 중요하다고 볼 수 있습니다. 또한 exosomal miRNA의 측정은 exosome 밖에 존재하거나 세포 내에 있는 miRNA 측정에 비해 안정성과 민감도가 우수하고, 세포 파괴가 필요하지 않은 장점이 있습니다. 이러한 관점에서, 본 연구에서 개발된 exosomal miRNA 측정기술은 확장성과 실용성이 매우 높은 기술로 앞으로 활용 가능성이 높을 것으로 생각됩니다.

2. 연구를 진행했던 소속기관 또는 연구소에 대해 소개 부탁 드립니다.

본 연구는 미국 Rutgers University의 Chemistry & Chemical biology의 이기범 교수님 연구실과 서강대학교 화공생명공학과 최정우 교수님 연구실의 공동연구로 진행했습니다. 이기범 교수님 연구실은 나노 패턴이나 나노 입자를 다양한 방법을 통해 제작하고, 이를 이용하여 줄기세포의 분화를 조절하거나, 분화를 측정하고, 이를 줄기세포 기반 치료에 응용하는 연구를 주로 진행하고 있습니다. 특히, 줄기세포의 분화를 실시간, 비파괴 방법으로 측정하는 기술 개발은 세계적 선도그룹으로 평가받고 있습니다. 최정우 교수님 연구실은 주로 나노입자를 이용한 바이오메모리 제작 및 극민감도의 전기화학 및 표면라만분광증강 기반의 바이오센서에 대한 기술개발을 진행해 왔으며, 최근에는 줄기세포 기반의 오가노이드 개발에 초점을 맞춰 관련 분야의 원천 기술 확보에 역량을 집중하고 있습니다. 두 연구실 간의 긴밀한 협업으로 인해 나노 기술과 줄기세포 기반의 바이오 기술이 융합된 본 연구결과를 도출할 수 있었습니다.

3. 연구활동 하시면서 평소 느끼신 점 또는 자부심, 보람

나노바이오분야는 제가 석사 학위과정 때부터 관심을 가지고 꾸준하게 연구를 진행한 분야입니다. 저는 학위과정동안 나노 기술을 의학 분야에 적용하여 질병 치료 가능성을 높여줄 수 있는 조기진단이 가능한 바이오센서 개발과 나노입자 기반의 암세포 치료가 가능한 나노약물시스템 개발에 대한 경험을 동시에 하게 되었으며, 또한 최근 연구 hot-topic중 하나인 organ-on-a-chip도 박사후연구원 과정동안 습득할 수 있었습니다. 이러한 모든 연구는 인간 질병 치료에 초점이 맞추어져 있으며, 질병 치료에 대한 다양한 분야를 경험했다는데 자부심을 느끼고 있습니다. 이를 활용하여, 앞으로 나노 기반 질병 치료에 관련된 다양한 연구를 진행하는데 유리할 것이라고 생각하고 있습니다.   

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

나노바이오분야는 아직 성숙된 기술이 아니라, 계속 성장하고 연구가 활발히 진행되는 분야입니다. 그래서 다른 분야보다 최근 트렌드를 끊임없이 파악하고, 아이디어를 실재화 시켜 실험을 통해 확인하는 것이 상당히 중요합니다. 그래서 다른 분야에 비해 노력한만큼 결과를 얻는 것이 좀 더 수월하다고 생각합니다. 그렇기 때문에, 끈기를 가지고 활발하게 연구를 진행하는 것이 학업을 진행하는데 가장 중요한 요소라고 생각합니다. 또한 융합 연구가 기반이 되기 때문에 주변 동료, 연구자들과 지속적인 커뮤니케이션 또한 중요합니다. 이 두가지를 유념하고 연구를 진행한다면 반드시 좋은 결과를 얻을 수 있을 것이라고 생각합니다. 지금 진학하려는 후배들, 유학준비생들이 사회에 나와 본격적으로 연구를 진행할 즈음에는 전반적인 연구 환경이나 연구 전망이 더 좋아질 것으로 예상되기에, 만약 고민하는 분이 있다면 이 분야를 적극적으로 추천하고 싶습니다.

5. 연구활동과 관련된 앞으로의 계획이 있으시다면?

본 연구는 exosomal miRNA를 효과적으로 측정하는 것에 대한 기술로써, 그 확장성이 높다고 생각됩니다. 대표적으로 신경줄기세포의 분화를 측정하는 것이 가능하였으며, 이를 암과 같은 질병 조기 진단에 응용이 가능할 것으로 보입니다. 또한, multi-miRNA의 측정이 가능한 형태로 제작하게 되면, 그 활용성이 더 우수해질 것으로 생각됩니다. 본 연구와 관련해서는 이 두 가지 방향으로 연구를 계속 진행해 나갈 생각입니다.
이 연구 이외에도, 나노 구조체 혹은 나노 입자를 이용해서 생체물질을 좀 더 민감하고 신속하게 측정하는 시스템 개발에 대해 꾸준히 연구를 진행할 계획입니다. 여태까지 다양한 형태의 나노 기반의 바이오센서에 대한 개발은 활발하게 진행되어왔지만, 실제 상용화까지는 민감도, 선택도, multi-detection 등의 아직 해결되어야 할 문제점들이 있습니다. 이 문제점들을 해결하게 된다면 질병 조기 진단 및 예방 분야에 다양하게 사용될 수 있을 것으로 보이며, 무엇보다도 질병 치료에 필요한 비용을 줄일 수 있고, 질병 완치율을 높일 수 있을 것이라고 생각하고 있습니다.   

6. 다른 하시고 싶은 이야기들....

그 동안 연구를 진행하면서 운 좋게도 훌륭한 교수님들의 헌신적인 도움이 있었습니다. 박사과정 지도교수였던 오병근 교수님으로부터 연구주제, 연구방법 등의 전반적인 부분에서 큰 도움을 받았고, 연구 이외의 모든 부분에서 아낌없는 도움을 받아서 지금까지도 연구를 계속 진행할 수 있었습니다. 성균관대학교 엄숭호 교수님께도 박사 주제 관련 연구에 대해 큰 도움을 받아서 박사 학위를 무사히 잘 받을 수 있었습니다. 미국 Rutgers University 이기범 교수님 또한 미국 박사후 과정때부터 지금까지도 연구부분에서 활발한 토의를 진행 중에 있으며 항상 끊임없이 격려해 주셔서 지속적으로 연구를 진행할 수 있었습니다. 마지막으로 현재 연구실의 지도교수인 최정우 교수님께서도 학부때부터 지금까지 오랜 시간동안 항상 관심을 가져 주시고 아낌없는 조언과 지원을 해주셔서 지금까지 연구에 큰 도움이 되었습니다. 이 자리를 빌어 네 분의 지도교수님께 정말 진심으로 감사하다는 말씀을 전하고 싶습니다. 또한 지금까지 저를 믿어주시고 지원해주신 저의 아버지, 어머니. 옆에서 묵묵하게 도와주고 아이들을 잘 키워주는 제 와이프, 여태까지 같이 연구를 진행했던 연구실의 수많은 동료, 선후배 분들에게도 항상 감사하다는 말씀드립니다. 마지막으로, 지금까지 제가 살 수 있게 해 주신 하나님 정말 감사드립니다. 제게 그동안 주셨던 많은 분들의 사랑이 너무 커서, 앞으로 맡은 분야에서 좀 더 활발하게 연구해서 보답하도록 하겠습니다. 

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 등록일 2019-09-02
Category: Nanobio, Neuroscience, Biotechnology
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