▲사진 좌측부터 연세대 강남세브란스병원 신경외과 박정윤 교수, 연세의대 신경외과학교실 우지원 연구교수, 연세의대 의과학과 이미래 박사과정(신경과학). 

연세대 강남세브란스병원(병원장 송영구) 신경외과 박정윤 교수 연구팀이 세포 안에 존재하는 마이크로 RNA(miRNA)를 고해상도 이미지로 시각화하는 기술을 개발했다. 혈액과 같은 체액으로 암, 척수병증, 당뇨병성 신장질환, 알츠하이머 등 다양한 질환의 조기 진단과 예측에 활용할 수 있을 전망이다.  

현재 질병 진단과 모니터링에 사용하는 표준 검사방식은 조직생검이다. 수술이나 시술을 통해 조직을 떼어내 관찰하는 방식으로, 조직에 침습적으로 접근해야 하므로 환자에게 부담이 간다. 질환과 환자 상황에 따라 생검이 불가능한 경우도 있다. 또한. 같은 종양이더라도 채집 위치에 따라 생물학적 특성이 다르게 나타나는 이질성이 존재한다. 

이러한 조직생검의 한계를 보완할 대안으로 액체생검이 떠오르고 있다. 혈액이나 타액(침), 뇌척수액 등의 체액을 이용하는 방식으로, 간단한 체액 채취만으로 DNA의 변이를 확인할 수 있다. 

연구팀은 액체(증류수)를 흡수하며 커지는 특성을 지닌 하이드로겔 필름인‘Liquid View(LV) 필름’을 개발했다. 혈액, 척수액, 타액 등 체액이 담긴 액체 시료를 LV 필름에 흡수시켜 배양과 굳히기 과정을 반복하면, 필름은 9배까지 확장하면서도 두께는 1.25mm로 얇았다. 덕분에 항체 침투력이 높아 항체 확산 없이 세포핵과 세포골격 구조의 명확한 관찰이 가능하다.

(그림1) 액체를 흡수하며 커지는 하이드로겔 필름인 ‘Liquid View(LV) 필름'의 팽창과정. LV 필름은 처음(0-round) 체액을 흡수하여 팽창 후 굳혀지고, 다시 하이드로겔 조성액의 흡수와 굳히기를 2회 반복하여 체액에 존재하는 세포를 9배 확대할 수 있다.

연구팀은 LV 필름을 알츠하이머병(AD), 척수손상(SCI), 당뇨병성 신장질환(DN) 환자의 체액(혈액, 소변)에 적용하여 miRNA 초고해상도 이미징 분석을 시도했다. 그 결과 알츠하이머병 및 척수손상 환자의 말초혈액세포(Peripheral blood mononuclear cell, PBMC)에서 miR-206-3p의 초고해상도 이미징 검출과 정량이 가능했다.  

또한, LV 필름을 활용하여 척수병증(myelopathy) 환자의 수술 전과 후의 혈액 내 miRNA 발현 차이를 분석했다. 그 결과 수술 전 척수병증 환자의 혈액에서 특정 miRNA(miR-206-3p, miR-181b-5p, miR-26b, miR-27b-3p)의 발현이 증가하는 것을 발견했다. 수술 후 miR-206-3p의 감소와 miR-206-5p가 증가하는 사실을 확인했으며, 동물 모델 혈액에서도 동일한 양상을 확인했다. 

(그림2) 연구팀은 척수병증(myelopathy) 환자의 수술 전과 후를 LV 필름을 이용하여 액체생검(혈액)으로 분석했다. miRNA(miR-206-3p)를 9배 확장한 초고해상도 이미지로 비교 분석한 결과, miR-206-3p는 수술 전 약 638개의 spot으로 다량 관찰되었으나, 수술 후에는 약 130개의 spot으로 유의미하게 감소되는 것을 확인했다.  

LV필름을 활용한 실험 결과는 다른 선행 연구 결과와도 일치하여 LV 필름이 세포에 존재하는 소량의 miRNA를 검출하는 데 적합하다는 것을 증명했다. 특히 하이드로겔의 확장성 조절과 miRNA와 같은 소분자의 정밀 이미징 정량에 매우 유용하여, 대규모 스크리닝 연구를 통한 라이브러리 구축과 같은 장기 실험에 적합할 것으로 기대를 모으고 있다. 

박정윤 교수는 “이번 연구가 액체생검 기술의 실용화를 한발 앞당길 것으로 기대한다. LV필름을 이용하면 세포에 존자하는 miRNA의 고해상도 시각화가 가능하다. miRNA를 더 높은 정확도와 감도로 감지할 수 있어 미묘한 변화 감지는 물론, 질환의 진단과 예후, 예측에도 큰 도움이 될 것이다.”고 말했다.  

한편, 이번 논문은 ‘액체생검의 MicroRNA 초해상도 이미징을 위한 맞춤형 하이드로겔 필름(Customized Hydrogel Films for MicroRNA Super-Resolution Imaging in Liquid Biopsies)’의 제목으로 나노의학 및 생체재료 전문 국제학술지 Advanced Healthcare Materials에 게재됐다.