최근 줄기세포 연구가 활발히 이뤄지면서 줄기세포 기반의 재생의학과 조직공학 치료가 큰 주목을 받고 있다. 치료 성공률이 높은 획기적인 줄기세포 치료법을 개발하기 위해서는 줄기세포 특성을 효율적으로 평가하는 연구가 선행돼야 하는데, 국내 연구진이 줄기세포의 고유한 특성을 입체적이고 생생하게 확인할 수 있는 기술을 개발해냈다. 

김준기 서울아산병원 융합의학과 교수 ·백찬기 교수팀은 광학 회절 단층촬영(Optical Diffraction Tomography, ODT 기법)이라는 새로운 현미경 기술을 이용해 유래가 다른 줄기세포들의 소기관 특성을 3차원으로 실시간 분석하는데 성공했다고 최근 밝혔다.

ODT 기법은 투명한 세포에 빛을 조사하여 얻은 산란된 빛과 표준 광원을 이용해 홀로그램(3차원 영상이 가능한 입체 사진) 방식으로 영상을 재현해내는 기법이다. 세포와 세포 내 소기관의 굴절률(분자밀도)과 부피를 정량화할 수 있다는 장점이 크다.

특히 기존의 형광 현미경이나 전자 현미경으로 세포 특성을 관찰할 때와 달리 세포에 형광 염색이나 다른 침습적인 처리를 하지 않고도 일반 세포와 줄기세포를 구별할 수 있어 줄기세포 치료제 개발과 조직공학 연구에 큰 도움이 될 것으로 기대된다.

이번 연구는 분자세포생물학 분야 저명 학술지인 ‘한국 분자세포생물학회지(Molecules and Cells, 피인용지수 5.034)’ 최신호에 게재됨과 동시에, 줄기세포의 특징적 소기관을 3차원으로 영상화한 이미지가 표지로 선정되는 영예를 얻었다.

연구팀은 줄기세포 3종(간 유래 줄기세포, 탯줄 유래 중간엽 줄기세포, 유도만능 줄기세포)과 더불어 이들과 비교군이 될 섬유아세포를 샘플로 선정해 연구를 진행했다.

줄기세포 소기관 영상 표지. (서울아산병원 제공)

ODT 기법을 이용해 선정된 샘플 세포들의 굴절률을 파악했고 이를 기반으로 3차원 영상정보를 획득했다. 그 다음 추가적인 영상 분석을 통해 샘플 세포들의 소기관 즉 소포, 핵소체, 세포질, 지방소적 등의 굴절률과 부피 정보를 정량화했다.

분석 결과 줄기세포 3종은 비교군인 섬유아세포와 달리 부피가 크고 밀도가 매우 높은 소포(세포의 생산물, 부산물, 배설물 등을 저장·운송·소화하는 장소)를 갖고 있는 것으로 나타났다. 또한 줄기세포 종류에 따라서도 소포 개수 분포가 서로 다르거나 세포와 핵소체(세포 핵 가운데에서 빛을 강하게 굴절시키는 소체)의 부피가 각기 달랐다.

이는 서로 다른 유래의 줄기세포 소기관마다 물리적으로 고유한 특성을 갖고 있다는 사실을 시사하며, 전자 현미경을 통해 분석한 결과와도 일치하는 것으로 확인됐다.

김준기 서울아산병원 융합의학과 교수는 “비표지 방식과 3차원 홀로그램 영상에 기반한 이 기술은 생검이나 혈액 등 임상현장에서 얻어지는 다양한 세포 샘플에도 적용될 수 있다. 질환에 특이적인 소기관 특성을 정량화함으로써 질환 진단에까지 폭넓게 활용될 것으로 기대된다. 실제로 서울아산병원과 아산생명과학연구원의 지원에 힘입어 내년부터 서울아산병원 융합연구지원센터에서 분석 서비스가 운영될 예정이다”라고 말했다.

이번 연구는 보건복지부 보건의료기술 연구개발사업 및 과학기술정보통신부 지원사업으로 진행됐다.

김준기 서울아산병원 융합의학과 교수(왼쪽)와 백찬기 교수. (서울아산병원 제공)