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[ 파이펫 ] 일정 체적의 액체 또는 기체를 측정하거나, 다른 용기에 추가하거나 할 수 있는 기구
무표지 홀로토모그래피 3차원 세포이미징 기술 / 백찬기 교수 : 세포영상분석실
최근 아무런 표지없이도 세포나 조직을 고속으로 3차원영상화할 수 있는 기술이 세간의 주목을 받고 있다. 그 중에서도 optical diffraction holotomography (광학 회절 홀로토모그래피, ODT)현미경기술은 사용자 편이성이 좋고 정량성이 보장되어 의생명연구의 다양한 분야에서 응용이 가능하다. 현재 세포영상분석실에서도 서비스를 제공하고 있고, 원내 연구자들에게 도움이 되고자 기술적 내용과 응용에 대해 소개하고자 한다.
● 광학 회절 홀로토모그래피 (Optical Diffraction holoTomography, ODT)
세포는 투명하여 다양한 가시광선(빛)을 모두 투과하는 성질을 가지고 있다. 따라서 일반 광학현미경으로 관찰하면 세포의 모양만 관찰되고 자세한 구조는 알 수 없지만, 빛의 굴절현상으로 인해 어느 정도 윤곽 등 음영의 대비는 발생하고 이러한 대비를 극대화 시키기 위해 특수한 필터나 프리즘을 넣어 만든 것이 잘 알려진 phase contrast 현미경 혹은 differential interference contrast현미경이다. 이러한 현미경들에 의해 세포내 소기관 등 특수한 구조가 육안으로도 잘 보이게 된 것이다. 한편, ODT는 이보다 한단계 더 발전하여 가시광선을 다양한 각도로 조사하는 기술에 더하여 투과된 광선과 reference 광선을 이용한 홀로그램기술을 결합함으로써 3차원 영상구축을 실현하였다.
<가시광선을 다양한 방향으로 조사하는 ODT현미경 기술>
이러한 두가지 기술의 구현을 통해 무표지로 3차원 세포영상이 고해상도 얻어질 뿐 만 아니라, 세포구조에 따른 체적과 굴절률(refractive index, RI)값이 얻어지기도 한다. 굴절률은 분자밀도와 비례관계에 있기 때문에 각 종 세포나 세포소기관의 영상화와 함께 각 소기관별 분자밀도가 절대값으로 얻어질 수 있다. 이러한 무표지 이미징과 정량특성을 잘 이용하면 기초생물학과 임상연구 뿐만 아니라 진단이나 치료 등 다양한 중개연구에도 응용이 가능할 것으로 보인다.
● 무표지 ODT를 이용한 응용사례
.무표지이기 때문에 기존에 형광이나 전자현미경 분석과는다르게, 아무런 사전조작이 없이 세포만 준비하여 분석이 가능하고 세포독성이 없어 몇 주 혹은 몇 달이나 되는 장시간관찰에 용이하다. 실제로 대장균을 비롯하여 효모, 흡착세로, 부유세포, 신경세포, 조직, 생검 등 많은 경우에 간편하게 이미징과 정량분석이 가능하다. 현재 세포이미징분석코어에서는 해당 현미경을 이용한 분석서비스를 제공하고 있는데, 현재 까지 발굴한 각 종 응용사례를 아래 소개하고자 한다.
<각 종 줄기세포의 핵, 세포질, 고밀도 vesicle분류 (왼쪽),
호산구의 고밀도 과립구조의 동적특성 검출(중앙), 위액 생검내 암세포의 검출(오른쪽)사례>
일반적으로 줄기세포의 특성은 특정 바이오마커를 형광염색을 통해 확인하는데, ODT를 이용하여도 각 줄기세포의 종류별로 특정 소기관의 개수, 체적, 밀도에 차이를 보여 무표지임에도 각 줄기세포를 특정할 수 있는 결과가 시사된바 있다. 또한 호산구나 호중구 같은 백혈구도 염색하거나 화학적으로 고정하는 전처리 없이 특정 소기관에 따라 이미지화 할 수 있고, 진단에 이용할 수 있다는 결과가 나오고 있다. 원내에서 발생하는 각 종 생검을 이용한 암세포의 분석도 유의미한 결과가 얻어짐에 따라 추후 응용이 기대된다.
<특정 약물에 반응하여 세포내 생성된 고밀도 vesicle의 생성, 발달, 소멸과정의 정량화 기법>
형광을 이용하여 세포에 대한 약물유효성을 평가하는 기술 중에 high-content screening (HCS)기법이 있다. 약물을 처리하여 각 조건별 세포군에 형광변화를 정량화하는 기술로 많은 발전을 이루었고 현재는 일반적으로 적용되는 분석기술이다. 하지만, 형광염색과 강한 레이저여기에 의한 광독성(세포독성) 발생이나 세포의 형질(성질)변화 유발 등 단점도 있다. 이러한 점을 보완할 수 있는 것이 ODT를 이용한 약물 유효성 평가일 것이다. 실제로 원내에서는 특정 자가포식 작용을 유발하는 약물처리가 세포내 고밀도의 새로운 소기관(마이크로 오토파지)을 발생시키고 발달, 소멸되는 일련의 전 과정을 실시간으로 분석하는데 성공하였다. 이 같은 분석 기술은 앞으로 약물 유효성 평가를 세포에 대한 사전처리 없이 간단하게 할 수 있는 기반기술로 발전할 것으로 기대된다. 특히 줄기세포와 같은 사전처리에 민감한 경우에 더욱 유효한 분석기술이 될 것으로 예측된다.
ODT현미경과 분석소프트는 국내 벤처기업의 자체기술로 개발된 것으로, 국내외 보급된지 얼마되지 않았기 때문에 원내 각종 임상샘플이 잘 활용된다면 많은 응용가능성과 분야별 경쟁력극대화를 기대할 수 있는 특징이 있다. 특히, 원내 사용이 많은 공초점현미경기술이 ODT와 함께 잘 이용된다면 보다 high-quality의 연구와 응용이 가능할 것이다. 아산 정주영 설립자의 말씀처럼 한번 해보심을 적극 추천하는 바이다.
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