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[ 파이펫 ] 일정 체적의 액체 또는 기체를 측정하거나, 다른 용기에 추가하거나 할 수 있는 기구
김석영.류진숙
연구성과 (성명 ㄱ.ㄴ.ㄷ 순)
1. 논문관련 연구분야의 소개, 연구과정에서 생긴 에피소드
CAR (Chimeric Antigen Receptor) T 세포는 환자의 면역세포를 유전자 변형하여 특정 암세포를 공격하도록 설계된 혁신적인 치료법입니다. 이 방법은 암 치료의 새로운 가능성을 열었지만, 최적의 치료 효과를 위해서는 CAR T 세포의 체내 분포와 지속성을 확인하는 정밀한 시스템이 필요합니다. 본 연구에서는 방사성 동위원소를 세포에 직접 표지하는 방법과 리포터 유전자를 도입한 간접 표지 방법을 활용하여 세포 영상 연구를 수행하였습니다.
연구진은 anti-CD19 CAR와 인간 소마토스타틴 수용체 (hSSTr2) 리포터 유전자를 공동 발현하는 CAR T세포를 설계했습니다. 이 세포를 89Zr-DFO 화합물 (89Zr 반감기; 3.27일) 로 직접 표지하였고, 종양 이종이식 마우스모델에 주사 후 PET/MR 장비로 7일까지 세포 영상을 획득하였습니다. 초기 영상에서는 89Zr-표지 세포들이 주로 폐와 간에 집적되었습니다. 또한, 6일에서13일 사이에 68Ga-DOTATOC 리간드 (68Ga 반감기; 68분)를 이용한 간접 영상에서 증식된 CAR T 세포들이 타겟 종양으로 축적되는 것을 확인하였습니다. 치료 효과에 따른 종양 크기 변화와 관련된 CAR T 세포들의 축적을 영상으로 추적함으로써, CAR T 세포의 체내 이동과 종양 내 증식 정도를 성공적으로 추적할 수 있음을 입증하였습니다. 이 세포 영상법은 향후 CAR T 세포 치료의 개발과 최적화, 치료효과 모니터링 및 안전성 향상에 크게 기여할 것입니다.
이 연구는 식약처 용역 연구 과제로, 3개 기관이 함께 진행한 프로젝트였습니다. 벡터 디자인, CAR T 세포 생산, 방사성 의약품 합성, 세포 표지, 동물 모델 준비와 영상 획득, 조직 실험 등 다양한 팀의 협력이 필요했습니다. 특히, 종양 모델 준비와 살아있는 세포들의 89Zr 세포 표지 최적화와 짧은 반감기의 68Ga를 사용하는 실험 일정은 모든 팀의 긴밀하고 유기적 협력이 필수적이었습니다. 이러한 협력 덕분에 연구가 성공적으로 완료될 수 있었으며, 공동연구자들에게 깊은 감사를 드립니다.
2. 연구활동과 관련된 앞으로의 계획, 목표
최근 혈액암 연구팀 및 항체코어 연구팀과 협력하여 우리 기관내에서 CAR 벡터 및 바이러스 제작과 CAR T 세포 생산을 셋업하였습니다. 현재, 세포 영상을 통한 실시간 모니터링 시스템을 활용해 anti-CD19 CAR T 세포의 효능을 극대화하는 전임상 연구를 진행 중입니다. 또한, hSSTr2 외에도 PSMA를 이용한 추가적인 리포터 유전자 영상 플랫폼을 구축하고 있습니다. 향후, 세포 치료에서 방사성 동위원소를 이용한 직접 및 간접 표지 세포 영상의 효과성을 알리는 연구를 지속할 계획입니다.
3. 연구목표 달성을 위한 향후 공동연구 희망분야
CAR T 세포를 비롯한 세포 치료제와 항체 치료제 개발 연구자들과 전임상 및 임상 협력 연구를 통해, 혈액암 뿐만 아니라 고형암과 자가면역질환 등 다양한 난치성 질환에서 더 효과적인 치료법을 개발하는 연구로 확장되길 희망합니다. 이러한 협력을 통해 새로운 치료법을 개발하고, 환자들에게 보다 나은 치료 옵션을 제공할 수 있을 것입니다.
4. 다른 하시고 싶은 이야기들
우리의 소동물 연구에서 적용한 방사성동위원소의 직접 및 간접 세포 표지 영상 기법은 임상 연구와 환자 치료에서도 PET/CT를 이용해 곧바로 쉽게 적용할 수 있습니다. 이는 체내 이동을 정량적으로 평가하여 세포 치료제 개발의 전임상 및 임상 단계에 결정적인 도움을 줄 것입니다. 따라서 CAR T 세포 치료 개발의 초기 설계 단계에서 종양 타겟 CAR 유전자와 함께 임상에 적합한 리포터 유전자 도입하는 것이 중요합니다. 이러한 협력을 통해 새로운 치료법을 개발하고, 환자들에게 보다 나은 치료 옵션을 제공할 수 있을 것입니다.
백인정.조유숙
1. 논문관련 연구분야의 소개, 연구과정에서 생긴 에피소드
태반은 임신기에만 존재한다는 특수성을 가진 기관으로서 임신초기부터 발달하여 성공적인 임신유지를 위해 필수적이다. 태반 형성부전은 임신초기 호발하는 습관성 유산 (recurrent miscarriage)을 포함한 다양한 임신성 질환과 깊은 연관이 있습니다. 배아형성기에 심혈관계는 가장 먼저 발달하는 기관으로 태반과 배아 심장은 밀접하게 연결되어 있어 임상적으로 두 기관의 결함은 공존하는 것으로 알려져 있습니다. 그간 PIBF1는 임신유지 호르몬에 의해 면역세포에서 분비되어 면역관용을 유도하는 임신유지의 필수 단백질로 알려져 있었습니다. 본 연구에서는 면역관용 단백질로서의 기능과 별도로 태반 내 PIBF1의 생리학적/기능적 측면에 주목하였습니다. 먼저 기능적으로 분화된 태반 영양막세포에서 PIBF1의 분비가 증가되며, 분비성의 PIBF1이 태반의 구조를 담당하는 세포들 (vascular endothelial cell, pericyte)의 신호전달 체계를 활성화하여 혈관의 형성 및 교통을 구조적으로 완성할 수 있음을 확인하였습니다. 또한, KO 마우스를 활용한 연구를 통해 PIBF1 결손은 합포체 영양막세포 (SynT)의 발달이상을 유도하고 결과적으로 배아발달 장애를 유도할 수 있음을 확인하고, 마우스 유전학적 툴을 활용하여 태반 영양막세포 특이적인 PIBF1의 genetic rescue로 SynT 분화 및 태반의 구조형성에 따른 배아 심혈관계의 발달을 확인하였습니다. 또한, SynT 유래 PIBF1이 배아 심혈관계 발달을 직접적으로 촉진할 수 있음을 사람 유도만능줄기세포 (human iPSC) 유래의 심장 세포 (2D) 및 오가노이드 (3D)에서 추가 검증하여 임신기 태반형성 부전에 따른 배아 이상에 관한 치료물질로서 PIBF1을 적용할 수 있음을 제시할 수 있었습니다. 해당 연구결과는 혈관-태반 장벽 (blood-placenta barrier)으로 작동하는 SynT 발달의 핵심인자를 새롭게 발굴하고 ‘태반-심장 축’ 의 조절자를 실험적으로 제시한 최초의 연구결과라 할 수 있습니다. 논문의 리비젼 과정에서 제목이 협의의 형태로 변경되었습니다. 관련 분야 주류 연구자들과 관점의 차이가 있기에 좁히는 것이 쉽지 않았던 것 같습니다. 당시는 기분이 썩 좋지않았지만, 다음 번 연구논문 타이틀 생각하는데 드는 시간을 세이브하게 되었다고 긍정적으로 생각하고 있습니다.
2. 연구활동과 관련된 앞으로의 계획
진료환자의 증가에 따른 사회적 비용이 늘어나고 있지만, 다양한 임신성질환, 특히 임신 초기유산에 대한 임상적 해결책을 제시해야 하는 분야는 관련 기초연구가 상대적으로 미흡하다고 판단됩니다. 또한, 모체 (엄마)의 상태에 따라 영향을 받는 수동적 중개기관이라는 관점에서 태반에 관한 연구가 주를 이뤘습니다. 본 연구를 통해 ‘태반이 임신유지/태아 장기발달에 능동적으로 관여할 수 있다’ 라는 가설을 세울 수 있게 되었습니다. 향후 ‘태반-배아 장기발달 축’ 이라는 가설을 다양한 발달 장기에서 증명하고자 하며, 중개연구 이후로 넘길 수 있는 씨앗을 틔워 임상적 해결책의 제시를 돕고자 합니다.
3. 연구목표 달성을 위한 향후 공동 연구 희망분야
연구 가설의 증명에 적용해야하는 실험적 방법론들이 다양해지며 점점 고도화되고 있습니다. 실험실에서 모두 수행가능하면 좋겠지만, 정교하게 세팅하는데는 시간과 재원의 제약이 따르기 마련입니다. 현재 융합연구지원센터는 16개의 코어랩과 동물실이 운영 중에 있습니다. 이번 연구 발표에서는 9개의 코어랩과 동물실을 이용하였지만, 향후에는 16개의 코어연구실을 모두 이용하여 이 분야 근본적 질문들에 대한 탐구에 도움을 받고자 합니다. 또한, 기초연구로 발굴한 표적의 약물가능성 (druggability)를 포함한 신약으로의 가능성에 대한 코칭을 받을 기회가 있다면, 향후 새로운 연구의 시작점에서 보다 현명한 선택을 할 수 있을 것 같습니다.
4. 다른 하시고 싶은 이야기들
공동 교신저자이신 조유숙 교수님은 진료하는 질환에서 해당 단백질의 새로운 기능을 연구 중에 있습니다. 앞서나가신 덕분에 본 연구의 가설을 증명하기 위한 기능연구를 할 수 있었습니다. 남은 연구를 잘 마무리하시어 환자에게 좋은 선택지가 될 수 있는 결과가 되길 기대해봅니다. 논문의 제 1저자들께서 논문투고 중에 이직을 하게되어 어렵사리 마무리 하게 되었습니다. 묵묵하게 백업을 해준 연구실에 정승아, 김글로빛나, 조재림 연구원에게 감사드립니다. 논문 작성에 도움을 주신 교수님들과 특히 임상의학연구소의 임준서 박사님께 감사의 말씀 올립니다.
백찬기.김준기
1. 논문관련 연구분야의 소개, 연구과정에서 생긴 에피소드
최근 나노입자의 합성기술과 의학적 응용은 비약적으로 발전하여 생체 내 약물전달과 면역치료 등 다양한 중개분야에 적용되고 있습니다. 개발된 약물전달체로써의 나노입자는 대부분 동물실험이나 세포독성실험을 통해 효능을 평가하게 되는데, 실제로 이러한 나노입자들이 타겟으로 하는 것은 특정 장기나 세포 소기관 혹은 단백질과 RNA 같은 생체분자 일 수 있습니다. 이러한 나노입자가 장기가 타겟인 경우는 in vivo 이미징을 통해 모델마우스의 장기를 이미징하여 효능을 평가하며, 추가로 장기와 관련된 세포에 어떠한 영향을 미치는지에 대해서는 고전적인 분자생물학적 기법이나 세포독성실험 그리고 기초적인 형광 세포이미징을 통해 추가 평가를 진행합니다. 하지만, 나노입자의 타겟이 소기관 혹은 생체분자의 경우는 개발된 나노입자가 실제 효과적으로 세포 안으로 유입되어 소기관이나 생체분자에 어떠한 효과를 미치는지에 대해서 평가하는 것은 매우 허들이 높습니다. 본 연구에서는 이러한 문제점을 해결하고 나노입자가 세포 내 유입되어 어떠한 운명을 맞이하는지 또 이러한 유입이 각 소기관에 어떤 영향을 미치는지를 명확하게 규명하기 위해서 3가지의 초해상도 세포이미징 및 고감도 형광검출기법을 통합한 세포분석법을 개발하였습니다. 상보적인 각 기법을 이용한 분석을 통해 단일 나노입자 수준에서 세포 내 거동을 포함해 자가포식유발과 분해과정, 소기관에 미치는 영향, 나노입자에 의한 세포사멸 유도방법 등 지금까지는 구체적으로 알 수 없었던 새로운 사실들을 발견하게 되었습니다. 해당 연구 자료는 논문으로 발표되었으며, 세포독성이 적은 나노입자 전달체를 디자인하고 개발하는데 필요한 새로운 접근법을 제시하였다고 생각합니다.
2. 연구활동과 관련된 앞으로의 계획
형광표지를 이용한 나노입자나 엑소좀 (exosome) 과 세포간 상호작용 연구는 앞으로도 매우 중요한 분야이기 때문에 지속적으로 다양한 형태와 물리화학 및 생물학적 특성을 가진 나노입자에 대한 추가연구를 진행할 예정입니다. 또한 형광표지 없이 나노입자 전달체가 세포 혹은 소기관에 미치는 영향에 대해서 종합적으로 평가할 수 있는 새로운 무표지 3차원 홀로토모그래피 이미징기법을 개발 중에 있습니다. 이 기법은 위에서 언급한 3가지 이미징기법에 더해져 보다 많은 정보를 제공하기 때문에 앞으로 나노입자 전달체의 유효성평가에 중요한 플랫폼 기술로 자리매김할 것으로 예상됩니다.
3. 연구목표 달성을 위한 향후 공동 연구 희망분야
위에서 언급한 4가지 이미징기술은 초해상도 공초점현미경 (super-resolution confocal microscopy: Airyscan), 형광분광상관분석법 (fluorescence correlation spectroscopy), 전자현미경분석법, 광학 회절 홀로토모그래피 기법 (optical diffraction holotomography: ODT)으로 현재 융합연구지원센터 세포이미징 코어에서 구현 가능한 기법입니다. 국내외 유일하게 4가지 최신 기술을 통합적으로 이용가능 함에도 불구하고 아직 원내 연구자에 의한 사용은 많지 않습니다. 세포소기관을 특성을 이해하고 분자 및 소기관 수준에서 특정 생리현상을 규명하는데 매우 유용하기 때문에 많은 원내 연구자가 해당 기술들을 활용하여 수준 높은 연구를 진행할 수 있도록 모든 기술적 노하우를 제공하고자 합니다. 세포분석에 관련된 모든 의문점과 실험제안을 환영합니다.
4. 다른 하시고 싶은 이야기들
국내외 타 기관에서는 쉽게 할 수 없는 세포분석기법을 개발하기 위해 투자해주시고 격려해주신 아산생명과학연구원과 서울아산병원에 깊은 감사를 드립니다. 또한, 진료와 연구에 매진하시는 병원 내 모든 연구자분들께도 항상 감사드리는 바입니다.
이준엽
1. 논문관련 연구분야의 소개, 연구과정에서 생긴 에피소드
튜링 패턴은 영국의 수학자 앨런 튜링(Alan Turing)이 1952년 "형태 형성의 화학적 기초"라는 제목의 논문에서 줄무늬나 반점과 같은 자연의 패턴이 균질하고 균일한 상태에서 자연적으로 자율적으로 발생할 수 있는 방법을 설명하는 개념입니다. 모세혈관의 한 종류인 창문형 모세혈관의 세포막에는 작은 창문들이 뚫려 있고 이들은 가림막(diaphragm)으로 일부 닫혀 있는 구조인데, 이러한 혈관의 창문이 일정한 크기와 간격으로 규칙성과 패턴을 이룹니다. 이번 연구는. 고분해능 현미경을 이용하여 혈관창을 구성하는 PLVAP 단백질의 단분자 이미징과, 영상 데이터의 머신러닝 분석 기술을 통하여 모세혈관 창문이 어떠한 기전으로 형성되는지 최초로 규명하였습니다.
본 연구는 집단연구과제인 공학분야 선도연구센터(ERC)의 출범과 함께 시작되었습니다. 2018년 DGIST물리, 화학, 재료, 기계분야 연구자들과 아이디어를 공유하면서 시작된 연구가 6년만에 결실을 이룬 것이라 더욱 의미가 있습니다. 당시 PLVAP 의 생물학적 기능에 관심을 가지고 연구를 진행하던 본인이 예고없이 스타벅스 커피 10잔을 들고 DGIST 서대하 교수님을 찾아가 공동연구를 제안하여 시작된 연구로, 커피의 물량 공세로 서대하 교수님이 제안을 거절하기 어려웠지만, 연구를 같이 진행하다 보니 연구가 워낙 흥미로워 오히려 주도권을 가져가 이번 연구 내용을 먼저 보고하게 된 에피소드가 있습니다.
2. 연구활동과 관련된 앞으로의 계획
본 연구의 배경이 되었던 PLVAP 의 생물학적 및 의학적 중요성에 대한 연구를 마무리 하기 위해 노력하고 있습니다. 창문형 모세혈관의 구조와 기능 이상이 나이관련 황반변성과 퇴행성 뇌질환의 발생에 관여하고, 이를 조절하는 혁신적인 치료를 제안하는 연구를 정리하여 투고할 예정입니다. 그 외 신장, 폐, 림프관, 소장, 암혈관 등 다양한 장기와 질병에서도 창문형 모세혈관의 기능이 중요하여 원내 집단 연구팀을 만들어 국책과제도 지원하려 합니다. 또한 이번 연구로 혈관의 창문형성은 가역적인 현상이며, 다른 종류의 모세혈관에서도 유도할 수 있음을 증명하였으므로, 향후 관련된 추가 연구는 예상치 못하였던 전혀 새로운 내용으로, 앞으로 흥미를 가지고 진행하려고 합니다.
3. 연구목표 달성을 위한 향후 공동 연구 희망분야
본 연구팀은 혈관을 구성하는 내피/주위세포, fenestration의 구조와 역학에 대한 기초 연구에 충실하면서도, 엑소좀, 단일전사체분석 등을 이용하여 혈관정상화 기전을 규명하고 신약 표적을 발굴 및 검증하는 연구를 진행하고 있습니다. 최근에는 Blood-CSF barrier 연구로의 확장도 시도하고 있습니다. 임상환자의 샘플을 이용하고, 환자의 치료에 적용하기 위한 실질적인 중개연구를 수행하고 있으므로, 이러한 서로의 장점을 이용하여 시너지를 이룰 수 있는 연구 파트너라면 분야에 상관없이 협력 연구를 수행하여 좋은 결과를 얻기를 기대해 봅니다.
4. 다른 하시고 싶은 이야기들
최근 의정갈등으로 병원이 어렵고 연구소 분위기도 좋지 않습니다. 상황이 어려울수록 기본에 충실하는 것이 필요합니다. 연구에 대한 열정과 진리 추구에 대한 의지에 부정적인 영향이 없길 바랍니다. 아산생명과학연구원에 소속된 연구원들 그리고 AMIST 대학원생들이 연구에 대한 순수한 열정을 응원하고 지속적인 발전을 유도할 수 있는 환경이 조성되면 좋겠습니다.
최은영
1. 논문관련 연구분야의 소개, 연구과정에서 생긴 에피소드
선천면역계가 이전 자극에 대한 반응성을 기억해서 새로운 자극에 대해서도 면역력을 발휘한다는 신개념 면역기억 (훈련면역) 에 관한 연구입니다. 균류 세포벽 성분인 베타-글루칸을 마우스에 주사함으로써 폐 손상에 의한 섬유화를 완화시킬 수 있다는 것을 보여주었습니다. 베타-글루칸이 골수성 세포 (myeloid cells) 수를 늘리고 이 중에 성숙한 호중구 (neutrophils) 가 말초조직으로 이동해서 조직 내에서 자연사멸하면 이것이 조직내 대식세포 (macrophages) 의 식세포 작용 (efferocytosis) 을 자극합니다. 폐 상주 폐포 대식세포 (tissue-resident alveolar macrophages) 내 대사체 변화, 히스톤 변형 및 유전자 발현 변화가 일어나고, 식세포작용이 강화됩니다. 이어 대식세포에서 조직재생 핵심분자인 resolvin D1(오메가-3 불포화지방산 유래 지질대사산물) 생산이 증대되고, 이는 결국 주변 폐 상피세포에 히스톤 변형을 일으켜 세포생존신호 (Sirt1) 를 유도합니다. 즉, 베타-글루칸으로 자극 이후 일련의 과정에서 호중구-폐포 대식세포-폐 상피세포간의 릴레이 상호작용이 결국 조직손상에 대한 저항성을 주어, 마우스의 폐 섬유화 진행을 약화시키고, 생존율을 높여준다는 것을 보여주었습니다.
코로나 이전에 연구 주제를 설정해서 진행하는 동안 코로나가 만연하고 개인적으로 왜 어린아이들이 COVID19에 더 저항적인가에 대한 답을 어쩌면 훈련면역 (다양한 예방접종) 에서 찾을 수 있겠다는 생각을 했었고, 마침 훈련면역 분야 선두그룹이 코로나가 출몰하면서 이를 주장하는 논문을 발표했습니다. 사실 이 훈련면역은 BCG 백신으로도 가능합니다. 다만 질환 종류나 중증도에서 효과가 달라질 수 있습니다. 오랜 연구 끝에 점점 조급함이 생겨 서둘러 논문을 투고했는데, 리비젼 하는 동안 제 1저자인 강윤영 박사가 입원, 수술, 또 다리 깁스를 해야 했고, 마우스 core facility의 바이러스 감염 발생으로 동물실 접근이 제한적인 상황 등 어려움이 있었습니다. 리비젼 연장을 2번이나 요청했고, 2번째 요청할 때는 에디터가 거절을 주는 대신에 새롭게 투고 절차를 밟고 리비젼 한 내용들을 올리고 본인 이름을 인용하라고 했습니다. 마침내 할 수 있는 거의 모든 실험들을 했고 (리뷰어들이 리젝션 하기가 미안할 정도로) 결과를 정리해 새롭게 투고했습니다. 소식을 기다리는 동안 우리에게 호의적인 에디터가 in house 에디터 리스트에서 사라진 걸 확인하고서 걱정이 컸는데, 다른 에디터가 단번에 accept 축하 메일을 줘서 기뻤습니다.
2. 연구활동과 관련된 앞으로의 계획
선천면역 기억 기반 다양한 질환 제어 가능성을 탐색할 계획입니다. 선천면역을 유도하는 유도체가 다양하고 그 효과는 질환에 따라 다릅니다. 유리하게 작용할 수 있게 튜닝 단계가 필요하고, 작용점이 다양해서 이들을 더 깊게 연구할 계획입니다
3. 연구목표 달성을 위한 향후 공동 연구 희망분야
노화, 흡연, 외상, 또는 감염 시 대식세포의 포식기능 (식세포 작용 포함) 이 약해진 상태에서 훈련면역으로 세포 기능을 향상시킬 수 있습니다. 또한 노화, 당뇨로 인한 조직회복 장애나 유전자 독성 스트레스 (방사능 및 흡연이 원인) 에 의한 상피세포 손상에도 훈련면역이 적용 가능합니다. 한편, 거의 모든 포유류 장기에는 조직 상주 대식세포가 있고 필요한 경우 호중구가 침투하기 때문에 우리의 연구 결과가 폐에만 국한되지 않고, 훈련면역 효과가 다른 기관에서도 발생할 수 있습니다. 이에, 다양한 질환에서 훈련면역 효과를 시험할 수 있기에, 선천면역 세포가 중심으로 관여하는 질환들을 우선 타겟하고 싶습니다.
4. 다른 하시고 싶은 이야기들
기전 규명 연구는 시간이 많이 걸리고 마우스 질환모델을 이용하는 것은 돈이 많이 듭니다. 시간과 비용이 제한된 상황에서 성과를 내는 것이 부담이 되지 않게 방법을 찾을 수 있기를 기대해 봅니다. 한편으로는, 언제든 빠르게 접근할 수 있는 여러 core facility가 우리 기관에 구축되어 있어, 연구자로서 운이 좋다고 생각하고, 또 감사한 마음이 큽니다.
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