부처연구성과
암전이 환경을 그대로 구현할 수 있는 나노멤브레인 개발
- 등록일2015-03-23
- 조회수5604
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성과명
암전이 환경을 그대로 구현할 수 있는 나노멤브레인 개발
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연구자명
차국헌, 남좌민, 장영선, 이효진
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연구기관
서울대학교
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사업명
기초연구사업(리더연구자지원, 중견연구자지원), 글로벌프론티어사업
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지원기관
미래창조과학부
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보도자료발간일
2015-03-19
- 원문링크
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키워드
#암전이 #나노멤브레인
- 첨부파일
150319 조간 (보도) 암전이 환경 구현 나노멤브레인 개발.hwp
핵심내용
상세내용
연 구 결 과 개 요
1. 연구배경
암 전이기작에 대한 이해를 돕고 초기에 암 전이를 진단하거나 치료할 수 있는 새로운 표적물질을 찾고자 하는 노력은 전 세계적으로 주목받는 가장 중요한 관심사 중의 하나이다. 이를 위해 많은 연구진들은 세포 공배양을 통한 체외분석법*을 이용하여 암 전이기작에 관여하는 세포간 상호작용에 관한 문제를 끊임없이 연구해왔다. 본 연구에서는 이러한 연구에 가장 큰 걸림돌이었던 기존에 널리 사용되던 공배양 시스템의 세포간 분리문제 및 신호물질의 분석 효율성 증대 문제를 획기적으로 해결할 수 있는 새로운 형태의 다공성 나노멤브레인을 이용한 세포공배양법을 보고하였다. 또한, 현재까지 실현하기 어려웠던 3종류 이상의 세포계가 공존할 때 나타나는 신호체계에 대해서 분석할 수 있는 기틀을 마련하였고, 동일한 암 전이세포가 전이되는 동안 서로 다른 이웃세포로부터 연속적인 영향을 받을 때 나타나는 신호체계를 연구할 수 있는 새로운 실험적 방법을 구축하였다.
* 체외분석법: 세포를 멤브레인을 이용하여 실험실 환경에서 공배양한 후 배양액을 채취하여 여기에 존재하는 신호 단백질 물질을 분석하는 방법을 말한다. 주로 특정 단백질을 검지 할 수 있도록 각 단백질에 특이적인 항체가 부착되어 있는 입자를 사용하여 형광(fluorescence) 또는 발광(luminescence) 방법을 통해 소량의(수십 마이크로 리터, μL (10-6L) 시료만으로도 수십 가지의 신호물질을 동시에 분석하는 방법이 널리 쓰이고 있다.
2. 연구내용
본 연구에서는 비용매 기체유도 상분리 공정(VIPS)의 원리를 이용하여 멤브레인의 주 재료인 셀룰로즈 아세테이트를 용매인 아세톤에 녹이고, 비용매인 물(수증기 기체)이 많은 환경에 노출시켜 상분리를 유도한 후, 스핀공정을 통해 용매를 추출하여 멤브레인에 높은 밀도의 기공을 부여하였다. 셀룰로즈 아세테이트는 기계적 물성이 높고 안정성이 높아 세포 배양막으로써 활용도가 높다. 또한, 스핀공정을 통해 멤브레인의 두께를 500 나노미터(nm) 수준으로 구현함으로써, 공배양되는 세포간 거리를 최소화시켰다. 암 세포와 주변 세포 간 거리가 가까울수록 서로를 인지하고, 분비하는 신호물질이 실제 생체 내 환경과 비슷한 수준으로 얻을 수 있음을 단백질을 이용한 확산통과 실험*을 통해 증명하였으며, 이는 기존에 사용되던 세포 공배양용 멤브레인의 한계를 극복한 획기적인 결과라 할 수 있다. 이러한 세포 공배양 연구는 암 전이세포가 생체 내에서 증식 및 분화할 때 주변 기질세포(stromal cell)와 상호작용한다는 점에 착안하여 이를 모방하는 플랫폼 시스템을 구축하였다. 유방암 세포와 세가지 다른 기질세포(섬유아세포, 근육아세포, 및 인간 중간엽 줄기세포)를 다공성 멤브레인에 부착시킨 후, 멤브레인을 적층하는 방식으로 공배양 환경을 조성하였다. 또한, 본 연구팀이 개발한 다공성 멤브레인이 탈착/부착이 용이하다는 점에 착안하여 세포 공배양 후 각각의 세포를 분리하고 세포의 특이적 변화를 심도 있게 분석하였다. 이러한 분석을 통해 기질 세포의 종류에 따라 암 전이세포 증식 환경에서 다른 신호물질이 과발현됨을 확인하였다. 이 결과는 암세포의 발달, 전이과정, 증식과정에 사용되는 단백질 및 신호물질에 대한 새로운 정보를 제공하였고, 이는 향후 암 치료 및 암세포 성장억제를 위한 새로운 표적 물질을 찾는데 유용하게 활용될 수 있을 것으로 예상한다.
* 비용매 기체유도 상분리 공정: 기공을 갖는 멤브레인 제조방법 중 하나로서 고분자 용액이 비용매에서 상분리가 일어나는 현상을 이용하여, 비용매 기체를 함침시켜 상분리를 유도한 후 용매를 추출하여 멤브레인 내에 다공성을 부여하는 방식이다.
* 단백질 확산통과 실험: 나노멤브레인을 사이에 두고 용액 내에서 단백질의 농도가 균일해 질 때까지 단백질이 농도가 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동하는 확산현상을 이용한 실험.
3. 기대효과
본 연구는 체외 세포 공배양 실험에 있어서 체내와 비슷한 수준의 신호물질을 분비하도록 세포환경을 설계할 수 있어 분석의 효율성을 상당 수준 높였을 뿐만 아니라, 다양한 세포 공배양 환경을 자유자재로 조절하여 암전이 과정에 있는 다양한 과정을 체계적으로 분석하였고, 이는 암 전이현상을 이해하고 암을 치료하는데 큰 의의가 있다.
이처럼 다양한 환경에서의 세포 간 상호작용에 대한 깊은 이해를 제공할 수 있는 본 플랫폼 기술은 암 전이세포뿐만 아니라 줄기세포, 신경세포와 같은 다른 중요한 세포계에도 적용될 수 있어, 다양한 생체 실험연구 분야에 중요한 실마리와 유용한 도구를 제공할 수 있을 것으로 기대한다.
연 구 결 과 문 답
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이번 성과 뭐가 다른가 |
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기존의 세포공배양 시스템으로는 구현하지 못했던 생체 내 조건과 흡사한 세포-세포 상호작용 환경을 나노두께의 다공성 멤브레인을 이용하여 구현할 수 있는 돌파구를 제시하였다. 세포간 거리를 최소화하여 높은 수준의 생체 신호물질 신호를 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 흡/탈착이 용이하여 3가지 이상의 다른 세포주 간 연속적인 상호작용에 대해서도 연구할 수 있다는 점이 가장 특징적인 성과라 할 수 있다. |
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어디에 쓸 수 있나 |
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기존의 세포공배양용 멤브레인을 대체 할 수 있어, 암세포 연구, 줄기세포, 신경 세포 연구와 같이 다양한 바이오 방면에 활용될 수 있을 것으로 기대한다. |
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실용화까지 필요한 시간은 |
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2-3 년 |
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실용화를 위한 과제는 |
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연구적인 측면에서는 본 연구에서 개발된 플랫폼이 세포주의 종류에 관계없이 다 적용가능하며, 기공 크기를 조절하여 본 연구에서 확인한 신호물질의 전달을 통한 상호작용 외에도 세포간 직접 접촉에 의한 상호작용 역시 조절할 수 있음을 확인하였다. 이를 기반으로, 줄기세포 분화 및 암세포 치료와 같은 의료분야로의 실용화를 위해서는 생물학적 및 화학적 안정성 테스트가 추가적으로 필요할 것으로 보인다. 또한, 이를 위해서는 멤브레인의 대량생산이 가능한 추가적인 가공공정의 개발이 필수적으로 뒷받침되어야 할 것이다. |
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연구를 시작한 계기는 |
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효과적으로 세포간의 상호작용을 이해하는 것이 질병 및 신체 발달과정을 이해하는 데 필수적이라는 점에서 착안하여 연구를 시작하였으나, 기존의 방법으로는 이를 해결하기가 쉽지 않았다. 따라서 기존의 공배양 시스템이 갖고 있던 단점을 극복하고자 다공성 나노멤브레인을 본 실험에 도입하게 되었고, 이를 이용해 기존의 방법으로는 구현하지 못했던 다양한 세포간 생체내 상호작용 환경을 마련하고자 하였으며, 그 과정에서 나오는 신호를 보다 쉽고, 빠르게 분석하고자 하는 방향으로 연구를 진행하였다. |
...................(계속)
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