장재범 교수팀, 기존 대비 5배 이상 많은 바이오마커 탐지기술 개발
가장 낮은 비용, 가장 많은 수, 가장 빠르게 단백질 바이오마커 확인
생명현상 규명 및 암 정밀 진단·면역항암제 개발 분야 활용 기대
암을 비롯 뇌졸중·치매 등 각종 난치병 진단 표지자로 유용한 바이오마커를 기존 대비 5배 이상 탐지할 수 있는 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다. 하나의 조직에서 최대 45개의 바이오마커를 탐지했다.
장재범(신소재공학과)·윤영규(전기및전자공학과) KAIST 교수 연구팀(공동 제1저자: 서준영·심연보·김지원 신소재공학과 연구원)이 기존 기술 대비 5배 이상 더 많은 단백질 바이오마커를 동시에 탐지할 수 있는 멀티 마커 동시 탐지 기술 개발을 했다고 5월 23일 밝혔다.
바이오마커는 단백질·DNA·RNA·대사물질 등 생체 분자로서 이를 통해 몸 안의 변화를 알아낼 수 있어 암을 비롯 뇌졸중·치매 등 각종 난치병을 정밀하게 진단하는 표지자로 쓰인다.
최근 환자별로 암 조직 내부에 발현되는 단백질 마커가 서로 다르다는 사실이 밝혀지고 있으며, 이런 차이에 따라서 암의 예후 및 항암제 반응성 등이 결정된다는 연구 결과가 발표되고 있다. 이에 따라 암 조직에서 여러 단백질 마커를 동시에 탐지하는 기술이 반드시 요구되는 상황이다.
장재범 교수팀이 개발한 멀티 마커 동시 탐지기술은 기존 대비 5배 이상 많은 단백질 마커를 동시에 관찰할 수 있으며, 특수 시약이나 고가 장비 등도 필요치 않아 암의 정확한 진단 및 항암제 개발, 새 단백질 마커 발굴 등에 폭넓게 활용될 수 있다.
이 연구는 국제 학술지 <네이처 커뮤니케이션스> 5월 13권에 출판됐다. 논문명 'PICASSO allows ultra-multiplexed fluorescence imaging of spatially overlapping proteins without reference spectra measurements'.
그동안 정밀 암 연구는 암 환자 조직 내부의 유전자를 분석하는 유전체 연구를 중심으로 진행돼왔다. 하지만 유전자 분석으로는 유전자로부터 단백질 마커가 얼마나 많이 발현되는지, 혹은 어떤 공간적 분포로 발현되는지는 알 수 없다. 이에 따라서 최근 연구는 유전체 및 단백체를 동시에 분석하는 경향을 띄고 있다.
최근 기존 유전체 분석을 통해 유방암으로 진단받은 수백 명의 유방암 환자의 암 조직 내부 단백질 마커를 분석한 결과, 환자들을 생존율 및 약물 반응성이 서로 다른 여러 서브 타입으로 나눌 수 있다는 연구 결과가 발표됐다. 또 암을 정복할 신약으로 주목받고 있는 3세대 항암제인 면역항암제의 경우 암 조직 내부의 면역세포를 활성화해 암을 치료한다.
암 조직 내부에 어떤 면역 단백질 마커가 발현돼 있는지에 따라서 그 약물 반응성에 큰 차이가 나타난다. 이처럼 암 조직 내부에서 여러 단백질 마커를 동시에 탐지하는 기술은 새로운 암 서브 타입의 발굴, 각 서브 타입을 표적으로 하는 신약 개발, 적합한 항암제 추천 등을 위해 필수적이다.
그동안 암 조직 내부에서 여러 단백질 마커를 동시에 탐지하기 위해 질량 분석 이미지 처리법 혹은 형광염색법이 사용돼왔다.
질량 분석 이미지 처리법은 하나의 조직에서 다수의 단백질 마커를 동시에 탐지할 수 있지만, 고가의 특수 장비가 필요하고 분석 과정에서 조직이 파괴되며 전체 과정이 오래 걸린다. 형광염색법은 이와 같은 단점은 없으나, 한 번에 3개의 단백질 마커만 관찰할 수 있다.
장재범 교수팀은 형광염색법의 한계를 해결하기 위해 한 번에 15개 이상, 최대 20개까지의 단백질 마커를 동시에 탐지할 수 있는 기술인 '피카소(PICASSO)' 기술을 개발했다.
PICASSO는 'Process of ultra-multiplexed Imaging of biomoleCules viA the unmixing of the Signals of Spectrally Overlapping fluorophores'의 약자로, 이 기술을 통해 다양한 생체분자들의 이미지를 형형색색으로 얻어낼 수 있다는 의미에서 친숙한 화가 피카소의 이름을 기술명으로 정했다.
연구팀은 이를 위해 발광 스펙트럼이 유사한 형광 분자들을 동시에 사용하고, 이런 형광 분자들의 신호를 정확하게 분리할 수 있는 기술을 개발했다.
연구팀은 이 기술을 이용해 하나의 조직에서 15개의 단백질 마커를 탐지하는 과정을 세 번 반복해 총 45개의 단백질 마커를 탐지하는 데 성공했다.
장재범 교수팀이 개발한 '피카소(PICASSO)' 기술은 기존 멀티 마커 동시 탐지 기술 중 가장 낮은 비용으로, 가장 많은 수의 단백질 마커를, 가장 빠르게 탐지할 수 있는 기술로 향후 암 진단 및 제약 등에 활용될 가능성이 매우 크다.
연구팀은 이 기술 개발 과정에서 4건의 국내 특허, 3건의 미국 특허, 2건의 EPO(유럽 특허) 및 PCT(국제 특허)를 출원해 지적재산권을 확보했다.
서준영 연구원은 "피카소 기술을 통해 그동안 관찰하기 어려웠던 조직 내 수많은 단백질 마커의 발현 정도 및 분포 관찰에 성공했다"라며 "특수 시약이나 고가 장비 없이 연구자들에게 친숙한 형광현미경만으로 기술 구현이 가능해 접근성이 매우 높다. 새로운 생명현상 규명, 암 바이오마커 발굴, 정밀진단 및 치료제 개발 등에 활발히 사용될 수 있을 것"이라고 말했다.
