바이오인

출처:생물학연구정보센터(BRIC)

지질체학의 기술적 진보 및 최신 연구동향

[요약문]

세포 내 지질체 대사를 연구하기 위해 2003년에 처음 등장한 지질체학(lipidomics)은 분석화학적 원리와 기술을 이용하여 지질체를 연구하는 대사체학의 한 분야이다. 특히, 크로마토그래피(chromatography)와 질량분석기(mass spectrometry, MS)가 개발된 이후 다양한 기술적 진보로 인하여 지질체학에서 가장 광범위하게 사용되고 있으며, MS의 뛰어난 분석력에 기인하여 의학 및 의생명과학을 포함한 다양한 응용 분야에서 상당한 기술적인 진보가 이뤄지고 있다. 더구나, 추출, 분리, 정제 기술, 통계학적 및 생물정보학(bioinformatics)적 기술들의 진보 그리고 다양한 데이터베이스에 대한 접근성 등이 현대 지질체학을 더욱 발전시키게 되었다. 지질체학은 미생물 연구에서부터 인체 질병에 대한 생체 지표(biomarkers) 발굴, 나아가 약물 치료 효과 평가 및 신약개발시 새로운 표적에 대한 정보 제공까지 응용 범위가 다양하며, 아울러 지질 기반한 생체 지표는 질병 예측 및 모니터링을 위한 민감도 높은 진단 도구로 사용되어 향후 정밀의학 분야에서도 직·간접적으로 응용될 잠재성이 높을 것으로 기대된다.

[목 차]

1. 서론
2. 본론
  2.1 전형적인 지질체학의 워크플로우
  2.2 시료 제조 및 지질 추출 기술
  2.3 지질체 분석 플랫폼
    2.3.1 Thin-layer chromatography (TLC)
     2.3.2 Mass spectrometry (MS)
     2.3.3 Gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS)
     2.3.4 Liquid chromatography-mass spectrometry (LC-MS)
       2.3.4.1 Ultra-performance liquid chromatography-mass spectrometry (UPLC-MS)
       2.3.4.2 Direct-infusion-MS (DI-MS)
       2.3.4.3 Ion mobility-MS (IM-MS)
     2.3.5 Mass spectrometry imaging (MSI)
     2.3.6 Nuclear magnetic resonance (NMR) spectros
   2.4 지질체 데이터 분석 및 생물정보학
    2.4.1 데이터 분석의 실용적 가이드라인
    2.4.2 생물정보학
  2.5 새로운 지질 신호 경로 발굴을 위한 역(reverse) 지질체학의 응용
  2.6 의학 및 의생명과학에서 지질체학의 응용
  2.7 국내-외 대학 및 연구기관들의 연구 동향
    2.7.1 국외
    2.7.2 국내
  2.8 국내·외 기업들의 연구 동향
    2.8.1 국외
    2.8.2 국내
3. 결론
4. 참고문헌

1. 서론

 지질(lipid)은 세포막 구조, 에너지 저장, 세포 신호 및 항상성 같은 다양한 생물학적 기능에 관련된 중요한 생체성분이며, 지질 대사에 관련된 효소의 결핍 또는 대사과정에 변화가 일어나면 알츠하이머, 동맥경화, 인슐린 저항성 당뇨, 암 또는 정신분열증과 같은 중요한 질병이 발병된다고 알려져 있다[1,2].

 2003년에 지질체학(lipidomics)이란 용어가 처음 보고되었고[3,4], 2003년 8월 미국 국립보건원(NIH)은 Lipid Metabolites And Pathways Strategy (Lipid MAPS) 컨소시엄(16개 대학의 30명 연구자들과 기업체로 Applied Biosystems와 Avanti Polar Lipids로 구성)에 5년간 총 3,500만 달러의 막대한 연구비를 제공하여 세포 지질체학 연구를 강화하고 완성시키기 위한 정부차원의 노력이 있었다[5]. 이러한 노력의 결과로 세포 내 다양한 지질 구조들이 8가지 카테고리로 분류되었고(그림 1), 그 특성들이 규명되어 Lipid MAPS DB (http://www.lipidmaps.org)에 구축되고 있고 질병과의 연관성 있는 데이터들이 속속 밝혀지고 있으며, 결국 병리학적으로 밀접한 연관성 때문에 지질체학이 하나의 독립적인 중요한 연구 분야로 주목을 받고 있다. 결국, 지질체학은 세포, 조직 및 생체액에 있는 지질 분자들과 지질 대사의 조절 메커니즘을 완전하게 규명하기 위한 대사체학(metabolomics)의 한 분야로 정의될 수 있다[6].

지질체학에서 지질을 분석하는 두 가지 방식으로 표적 지질 분석법과 비표적 지질 분석법이 있는데, 전자는 이미 기지의 지질류를 표적으로 하여 정성 및 정량분석하는 접근법이고 후자는 동시에 모든 지질류를 동정하는 접근법이다.

지질류의 정성 및 정량분석을 성공적으로 수행하기 위해 현대의 많은 분석기기들(thin-layer chromatography (TLC), gas chromatography (GC), nuclear magnetic resonance (NMR) spectros, fluorescence spectros, high-performance liquid chromatography (HPLC), mass spectrometry (MS) 그리고 microfluidic 장치)이 지질체학 연구에 사용되고 있지만, 그 중에서 MS가 지질체학 연구에서 가장 많이 사용되고 있으며, MS의 기술적 진보가 지질체학 연구를 상당히 가속화시켰다. 그럼에도 불구하고, 많은 연구자들이 지질 분자들을 부정확하게 또는 부적절하게 정량함으로써 질이 낮은 지질체학 데이터를 보고하고 있다는 것이 문제점으로 대두되고 있다. 따라서 고품질의 지질체학 데이터를 만들기 위해서 데이터의 표준화에 대한 필요성이 요구되고 있다.

최근에 지질체학은 크게 5가지 분야로 중점을 두고 있는데[7,8], 1) 새로운 지질 종류와 분자 종류의 동정, 2) 단백질(mg)당 10-18 ~ 10-15 몰 농도에서 세포, 조직 및 생물학적 체액에 존재하는 지질 분석을 위한 정량법의 개발, 3) 인체 건강 및 질병에서 대사적 경로 분석 및 치료 효과를 결정하고 질병 진단을 용이하게 하는 생체 표지자 분석, 4) 복잡한 기관 또는 조직 내 바뀐 지질 분포의 측정, 5) 그리고 지질체학 데이터를 자동화 고속 처리하고 분자 설계를 하기 위해 생물정보학적으로 접근하고 있다.

이 보고서에서는 지질체학의 최근 연구 동향에 대해서 전반적으로 살펴보고, 인류 건강과 질병을 극복하는데 지질체학의 역할 및 중요성 그리고 극복해야 할 도전 과제들에 대해서 알아보고자 한다.

2. 본론

2.1 전형적인 지질체학의 워크플로우

 생물학적 시료에서 지질체를 분석하는 전형적인 지질체학 워크플로우는 실험 디자인, 지질 추출 및 분리를 포함한 시료 제조, 기기적 분석, 생물정보학 및 통계학 기반한 데이터 처리 및 생물학적 해석으로 구성되어 있다.

2.2 시료 제조 및 지질 추출 기술

 대규모 지질체학 연구에서는 시료 제조와 추출 과정이 수동보다는 자동화된 방법이 권장되고 있는데, 자동화법이 오염률을 낮출 수 있을 뿐만 아니라 비용절감 효과도 있기 때문이다. 보통 5-10 μL 생체체액(혈청이나 혈장) 또는 1-100 mg 조직이 비표적화 지질체학 연구에 필요한 양이다. 지질 추출에 가장 많이 사용되는 방법이 액체 추출법인데, triacylglycerols (TGs)나 cholesteryl esters (CEs)은 hexane, toluene 또는 cyclohexane와 같은 비극성 용매에 녹여 제조하며, phospholipids(PLs)과 sphingolipids (SLs)와 같은 극성 지질류는 methanol이나 ethanol 같은 극성용매에 녹여 시료를 제조한다. 또한 pH도 지질류 추출에 중요한 요소인데, phosphatidic acid(PA)와 phosphatidylserine (PS) 같은 산성 지질은 산성 조건에서 더 효과적으로 추출된다.

현재 지질을 추출하기 위해 다양한 추출용매들이 사용되고 있지만, 가장 많이 사용되고 있는 방법이 개질된 Folch 추출법인데, chloroform:methanol = 2:1로 추출 또는 methyl tert-butyl ether (MTBE)-methanol-물의 일정 비율로 추출 또는 MTBE-methanol-chloroform의 일정 비율로 추출한다[9]. MTBE를 이용한 추출법은 현재 지질체학 분야에서 광범위하게 사용되는 방법이다[8]. 그리고 chloroform이나 methanol은 휘발성이 있기 때문에 작은 부피의 용매에 추출물이 녹아 있을 경우 시료의 증발이 문제가 될 수 있고, 96-well 판을 사용할 때는 알루미늄 호일로 밀봉해서 시료 증발을 최소화 시키는 방법이 권장되고 있다.

일반적인 지질류의 균일한 회수율을 얻기 위한 고선택성의 추출법이 개발되었는데[10], 예를 들어서 유리 지방산의 전-정제 및 농축을 위해 산성화된 methanol과 isooctane의 혼합 용매를 사용하였고, “Phos-tag”으로 불리는 금속 복합체가 lysophosphatidic acid (LPA)와 sphingosine-1-phosphate (S1P)를 추출하는데 사용될 수 있다[11]. 한편, 최근에 phosphor-monoester 지질류를 선택적으로 추출하기 위해 imidazolium 고분자를 사용한 사례가 있는데, 추출 후 trimethylsilyldiazomethane (TMS-diazomethane)으로 유도체화 하게 되면 S1P와 같은 지질류를 성공적으로 검출할 수 있다[12]. 더구나, 이 방법은 다른 용출제들을 사용하여 solid-phase extraction (SPE) 컬럼에서의 흡착능의 차이에 기인한 일부 지질류를 추출하는데 더 효과적이다.

2.3 지질체 분석 플랫폼

 현재 존재하는 단일 MS 방법들은 완전한 지질체류의 대사적 네트워크 및 정량적인 결과를 제공할 수 없다. 그런 면에서 많은 지질류를 효과적이고 정확하게 정량하는데 다중 MS 플랫폼들이 사용되고 있다. 하지만 다중 MS 플랫폼을 사용하게 되면 시료 제조과정이 확장되어서 일별 시료 처리량이 떨어지는 단점이 있다. 이런 문제는 기본 지질체학 워크플로우에서 자동화된 시료 제조 및 지질 추출 시스템을 중앙 집중화시켜서 해결할 수 있다. 이 섹션에서는 지질체학 연구에서 사용되고 있는 다양한 분석 플랫폼들의 최신 연구 동향에 대해서 소개하고자 한다. 이와 관련하여 현재 지질체 분석에 사용되는 플랫폼들의 장·단점을 다음과 같이 요약할 수 있다(표 1)[8,16].
 
2.3.1 TLC

 TLC는 지질체 분석에서 흔하게 사용하는 방법은 아니지만, SPE 컬럼을 사용하여 원지질을 분리한 후에 분리된 지질류를 TLC 판에서 재분리하는 데 유용하다. 최근에, octadecylsilyl SPE 컬럼을 사용하여 생물학적 시료에서 arachidonic acid 대사체의 분리 후 또는, aminopropyl SPE 컬럼을 사용하여 지방산, PLs, CEs, diglycerides, monoglycerides, cholesterol 및 triglycerides의 분리 후에, TLC 판을 이용하여 재분리하여 표적 지질종만을 분리할 수 있다[13]. 분리된 지질종 시료는 MALDI-MS, electrospray ionization (ESI)-MS 또는 GC-MS로 분석하게 된다. TLC의 분해능은 LC 기반 방법에 비해서 낮지만 TLC-MALDI-MS 시스템을 이용하여 기관지 폐포 세척액에서 PLs을 분석하는데 유용한 방법이다[14].

2.3.2 MS

보통 해상도와 질량 정확도가 높으면 표적물질의 동정률과 질량 대 전하 비(m/z)로 분리될 수 있는 표적물질의 수를 증가시킬 수 있다. 그러나 해상도와 질량 정확도가 높은 MS는 상대적으로 고가여서, 현재는 다양한 MS 시스템들을 사용하고 있는 상태이며, 분해능과 질량 정확도가 낮은 단점은 MS/MS (tandem-MS)를 사용하면 극복할 수 있다. 아울러, MS 기반 지질체 연구를 수행함에 있어서 가장 많이 사용되는 이온화 방식이 ESI이고, 그 다음으로 MALDI와 atmospheric pressure chemical ionization (APCI)이며[15], 복잡한 시료 분석에 필요한 고분해능, 정확한 질량 및 MS/MS를 모두 갖춘 시스템 중에 orbitrap과 quadrupole time-of-flight (Q-TOF) MS가 지질체학 연구에서 가장 많이 사용되고 있으며[16,17], triple quadrupole (QQQ) 시스템도 selected-reaction monitoring (SRM) 또는 multiple-reaction monitoring (MRM) 모드에서 precursor 이온과 neutral loss scanning를 통한 특정 지질 검출 시에 효과적으로 사용되고 있다.

한편, 현재 숏건(shotgun) 지질체학도 다중 지질 추출물, 다양한 MS/MS 스캔 모드, 다양한 분획 및 화학적 개질을 포함한 다양한 변수를 가지고 있는 고도로 다차원화된 MS 기법으로 변화되고 있다[8]. 숏건 지질체학은 지질 샘플을 MS로 효과적으로 전달하기 위해 지질 시료를 직접 주입하는 방식인데, 대규모이면서 대량 분석이 가능하기 때문에 최근까지도 활용되고 있다.

2.3.3 GC-MS

 GC 기반 방법은 휘발성 물질 분석에 적합하지만, GC-MS는 유리 지방산(FFAs), esterified 지방산 및 steroids 분석에 가장 많이 사용되고 있는 방법이다. FFAs와 steroids는 특정 유도체화 또는 silylation이 필요하지만, esterified 지방산은 methyl esters 화합물 형태로 분석된다[13]. 유도체화를 시키는 주요한 이유는 흡착 효과를 줄일 수 있고, 극성 지질류의 휘발성을 증가시키며, 극성을 띄는 작용기를 제거할 수 있을 뿐만 아니라 표적 지질체 동정을 용이하게 할 수도 있다. 가장 흔히 사용되고 있는 silylation 반응용 유도체화 시약은 N-methyl-N-(trimethylsilyl) trifluoroacetamide (MSTFA)이고, 이 반응을 가속화시키기 위해 첨가하는 시약은 ammonium iodide(NH4I), dithioerythritol (DTE), trimethylchlorosilane (TMCS), trimethyliodosilane 또는 trimethylsilylimidazole (TMSIm)이다. 또한 FFAs와 steroids의 분석에 흔히 사용하는 컬럼은 methylsiloxane 또는 5% diphenylpolysiloxane으로 코팅된 컬럼이며, steroids의 지방산 esters와 cholesterol esters 같은 매우 휘발성이 낮은 성분을 분석할 경우, GC 오븐 온도를 증가시켜야 되는데 이런 경우 silicosteel로 처리된 스테인리스 스틸 모세관 컬럼(MXT-1)이 종종 사용되고 있다[18].

2.3.4 LC-MS

 LC-MS를 통한 지질체학은 유도체화가 필요 없기 때문에 GC-MS보다 유용하다. 일반적으로 C8/C18와 같은 역상 컬럼 또는 hydrophilic interaction liquid chromatography (HILIC) 컬럼 같은 역상 컬럼이 지질 분석에 많이 사용되고 있는데, 특히 역상-LC가 순상-LC나 HILIC에 비해서 지질의 분리 효율을 상당히 증가시킨다. 지질의 분리효율을 향상시키기 위해서 개질제를 이동상에 첨가하여 사용하고 있는데, 주로 ethylamine, formic acid, ammonium acetate 및 ammonium formate가 사용되고 있다[19]. 또한 지질의 정량분석을 위해서는 SRM 모드가 사용되고, precursor 이온 스캐닝 또는 neutral loss scanning은 특정 지질 프로파일링에 사용되고 있다.

다음은 LC-MS 중에서 UPLC-MS, DI-MS, IM-MS에 대해서 최근 연구 동향을 소개하고자 한다.

2.3.4.1 UPLC-MS

최근에 피크 용량을 향상시키고 복잡한 지질 샘플의 분리를 상당히 향상시키는데 UPLC-MS가 사용되고 있는데, 예를 들어, 지질류의 전장 프로파일링(비표적화 지질체 분석)을 위해 UPLC-Q-TOF/MS 또는 tandem IM-TOF/MS가 흔히 사용되고 있다[20]. 그런데 비표적화 지질체학에서 많은 생물학적 시료가 UPLC-MS에 의해서 분리될 수 있지만, 매질 효과(matrix effect)가 전장 프로파일링에 영향을 주는 주요한 인자이다. 또한 민감도도 표적화 지질체학 만큼 높지 않은데, 이를 해결하기 위한 방법으로 다중 내부표준물질을 첨가하여 측정값을 보정하고 있다.

2.3.4.2 DI-MS

 DI-MS는 분석시간이 짧다는 것이 장점이지만, 같은 m/z를 갖는 지질종은 분리할 수 없다는 것이 단점이다. 이런 문제를 해결하기 위해서 고분해능 MS와 특정 지질종에 대한 검출 방법(neutral loss scanning 또는 precursor ion scanning)이 DI-MS에 사용되고 있다[15]. 또한 시료 중에 있는 미량의 지질을 검출하기 위한 새로운 방법이 최근에 개발되었는데, N,N-dimethylglycine과 diacylglycerol (DG)의 반응 생성물, 그리고 fluorenylmethyloxycarbonyl chloride와 phosphatidylethanolamine (PE)의 반응 생성물을 분석하였고, 이온 생성을 향상시키기 위해 lithium hydroxide, lithium chloride 그리고 ammonium acetate 같은 개질제를 첨가하여 사용하고 있다[21].

2.3.4.3 IM-MS

 IM-MS는 지질체학 연구에 유용한 정보를 제공하는 중요한 분석법 중에 하나인데, 현재 IM-MS의 검출은 3가지 주요한 ion mobility spectrometry (IMS) 분리 기법((i) drift-time IMS (DT-IMS), (ii) traveling-wave IMS (TW-IMS) 및 (iii) field-asymmetric IMS (FAIMS)) 중에 하나를 사용하고 있다[22].

최근에 하드웨어 및 소프트웨어의 기술적 진보로 인하여 지질체 분석과정에서 주요한 4가지 장점을 가지고 IM-MS를 사용하고 있는데[23], 첫째, IM-MS가 생물학적 시료에서 동중량체의 분리능을 향상시키며, 둘째, 분획화를 통해 만들어진 산물 이온들의 스펙트럼상에서의 해석을 향상시키며, 셋째, 이성질체 지질의 분리를 향상시키며, 넷째, IM-MS에서 얻어진 충돌단면(collion cross-section, CCS) 값이 지질 동정에서 신뢰도를 향상시킬 수 있다. 하지만 CCS 값의 검증이 상업적으로 이용 가능한 지질 표준품의 수로 제한되기 때문에, in silico CCS 예측 기술이 지질체학에서 동정 효율성을 향상시키는데 중요한 방법이다.

2.3.5 MSI

다른 분석기술과는 다르게 MSI는 시료의 추출과정 없이 현장에서 표적 지질체들을 측정할 수 있다는 장점을 가지고 있다. MSI 중에서 MALDI-MSI가 생물학적 시료의 분자 영상화에 사용되고 있는 중요한 분석 기술이며, 표지(labeling)없이 기지 및 미지 분자의 위치를 조사할 수 있고 생체 표지 발굴 및 검증에 유용하게 사용하고 있다[24]. 특히 시료 종류 중에, 포르말린 고정된 파라핀 포매(formalin-fixed paraffin-embedded tissue)는 기존의 연구실 또는 상업화된 검사실에 대량으로 보관되어 있기 때문에 MALDI-MSI를 이용하여 질병의 분자 수준에서의 분류를 통한 지질체 분석에 활용될 가능성이 높다.

2.3.6 NMR spectros

현재 지질체학 연구에서 지질과 단백질 간 상호작용 연구 및 지질막의 구조를 확인하는데 NMR spectros가 주로 사용되고 있으며, 지질막 구조는 1H, 2H, 31P 고분해능 및 고체상 NMR spectros를 주로 사용하고 있다[25]. 그런데 NMR은 MS에 비해서 감도가 낮기 때문에 복잡한 혼합물이나 낮은 농도로 존재하는 지질류의 스펙트럼을 분석하는 것이 쉽지 않다. 그럼에도 불구하고 PLs의 머리 부분 구조에 해당되는 스펙트럼 분석을 통해 부분적으로 지질류를 동정할 수 있다.

2.4 지질체 데이터 분석 및 생물정보학

2.4.1 데이터 분석의 실용적 가이드라인

 지질체 데이터를 분석하는 방법들이 크게 두 가지로 분류될 수 있는데, 첫째, 다양한 조건하에서 지질 양의 차이를 통계적으로 확인하는 방법과, 둘째, 시료들을 그룹으로 분류하기 위해 데이터 검색을 수행하는 방법이다[26]. 지질체 데이터 분석과정에서 가장 흔히 사용되는 방법이 시료의 특성에 따른 그룹간의 평균값에 대한 통계적인 유의성을 평가하는 것이다. 두 그룹 또는 더 많은 그룹간의 평균의 차이를 검증하는 워크플로우가 다음과 같이 요약될 수 있다(그림 3). 이 워크플로우는 통계적인 검정 전에 정규성(normality) 및 등분산(equal variance)의 추정 단계를 거쳐야 한다는 것을 의미한다.

그런데, 지질체 데이터를 분석하기 위해서는 몇 가지 해결해야 될 문제점들이 있는데, 첫째, 실험적으로 생성된 데이터는 점점 복잡해지지만, MS로 검출하는 다차원 기술(GC x GC 또는 LC x LC)은 단일 시료 분석을 통해 더 많은 정보를 제공한다. 하지만 이런 종류의 데이터는 데이터 분석 전에 특별한 전처리 단계가 필요하다. 둘째, 비표적화 MS 기반하여 대량의 시료를 분석하는 연구의 경우에는 MS 스펙트럼 상에서 피할 수 없는 간섭효과가 일어난다. 원래 지질체학에서 이런 간섭효과는 동위원소로 표지된 내부표준물질(internal standards)을 사용하여 해결할 수 있지만, 비표적화 지질체학에서는 표적 지질을 미리 알지 못하기 때문에 실제로는 실행하기 불가능해서 통계 분석 전에 대사체들의 신호를 조절 또는 교정하기 위해 적절한 품질관리 물질(quality controls)을 사용하여야 한다. 마지막으로, 지질체 데이터 분석 시에 손실되는 데이터도 주요한 고려 사항인데, 일반적으로 GC-MS와 LC-MS의 경우에는 스펙트럼 상에서의 지질에 해당하는 피크 검출 및 정량 같은 데이터 전처리 후에 원래 데이터의 약 10-20%가 손실된다. 더욱이 이러한 손실 데이터를 어떻게 대체를 하느냐에 따라서 분석 결과에 상당한 영향을 준다. 현재 손실 값을 대체하기 위해 가장 많이 사용되는 방법이 평균 값으로 대체하는 것이다.

2.4.2 생물정보학

 지질체학 연구를 수행함에 있어서 거대한 양의 데이터가 생성되는데, 각 시료에 포함된 수많은 지질의 동정 및 정량이 필요하므로, 생성된 데이터 처리가 매우 중요하다. 현재 생물정보학 기반한 데이터 분석에 필수적인 여러 과정들을 용이하게 해주는 많은 도구와 알고리즘들이 공개 또는 비공개 형태로 존재한다(표 2). 예를 들어, MZmine, LipidBlast, Progenesis QI 같은 데이터 처리 소프트웨어나, Lipid MAPS (www.lipidmaps.org/resources/tutorials/bioinformaticstools.html), human metabolome database (HMDB, www.hmdb.ca/) 및 Chemspider (www.chemspider.com)는 지질 대사체 및 대사경로에 대한 정보를 제공하고 있고, lipidlibrary (lipidlibrary.aocs.org)와 lipidhome (www.lipidhome.co.uk) 같은 웹사이트는 지질체학 연구에 MS 방법을 이용하는 리뷰 논문을 포함한 다양한 학술적 논문들을 지속적으로 업데이트하고 있으며, 그리고 Lipid Bank(http://lipidbank.jp), Cyberlipids (www.cyberlipid.org) 및 Lipidomics Expertise Platform 같은 웹사이트 기반의 DB는 지질 구조 및 기능, 그리고 지질을 추출하고 분리하기 위한 종합적인 프로토콜에 대한 정보를 제공하고 있다[25].

2.5 새로운 지질 신호 경로 발굴을 위한 역(reverse) 지질체학의 응용

 크로마토그래피 또는 MS 기반으로 극히 낮은 농도의 지질체를 동정 또는 정량 하기 위해서는 대사체 네트워크에 포함되어 있는 미지 분자들의 크로마토그래피상에서의 용출 시간(지체 시간), 전구체 이온(precursor ion) 그리고 산물 이온(product ion)의 각각 m/z에 대한 사전 정보가 필요하다. 이런 목적을 위해, 정제된 효소를 사용하여 기질을 산물로 전환시켜서, 결국 기존에 알려지지 않은 지질 산물로 만드는 방식이 최근에 개발되었고, 산물로 만들어진 지질체를 확인하기 위한 방법으로 역 지질체학 기법이 사용되고 있다. 이런 기법의 대표적인 사례가, 정제된 효소(cyclooxygenase (COX)-2 또는 lipoxygenase)와 lysolipids 기질의 현장 반응을 통해 확인된 MS 지표를 사용하여 산화된 arachidonoyl-lysolipids의 효소 촉매된 산물을 확인할 수 있다(그림 4)[28]. 따라서, 역 지질체학은 미지의 지질체 신호 경로를 탐색하는데 매우 유용한 분야로써 주목을 받을 것이다.

2.6 의학 및 의생명과학에서 지질체학의 응용

 현재까지 현대인의 호발성 질환인 대사증후군 및 이와 관련된 심혈관 질환, 염증 질환, 비만 및 당뇨, 알츠하이머병과 다발성 경화증을 포함하는 신경 질환, 암 및 안구 질환, 영양학적인 측면에서 식이(유제품 또는 오메가-3 지방산)에 따른 인체 영향, 약물 발굴 및 선별 검사, 그리고 다중 오믹스와 개인 맞춤 의학 등을 포함한 의학 및 의생명과학 분야에서 지질체학이 응용된 최근 연구 결과들을 다음과 같이 요약할 수 있다[8,27].

2.7 국내·외 대학 및 연구기관들의 연구 동향

2.7.1 국외

? Washington University School of Medicine (미국)
- Dr. Richard W. Gross

지질체학 분야의 선도 연구자중에 핵심 연구자로서, 역 지질체학(reverse lipidomics) 기반한 새로운 신호 경로 발굴 연구를 수행하고 있다.

? Sanford Burnham Prebys Medical Discovery Institute, Center for Metabolic Origins of Disease (미국)
- Dr. Xianlin Han

 Shotgun 지질체학 기반한 정밀의학 및 대사 연구, 인체 질병과 관련된 지질 생체 지표 발굴 및 임상적 응용 연구를 진행하고 있다.

? University of Southern Denmark (덴마크)
- Dr. Christer S. Ejsing

 MS 기반한 지질 대사의 시스템 생물학적 연구 및 인체 질병에서의 연관성 연구를 수행 중이며, shotgun 지질체학 연구용 ALEX 소프트웨어를 개발하여 무료 사용이 가능하도록 되어 있다.

? Washington University School of Medicine/MS Research Resource (미국)
- Dr. John Turk

 ESI-MS 데이터를 사용하는 소프트웨어인 LipidQA를 개발하였고, 복잡한 지질의 정성 및 정량 분석에 활용되고 있으며, 전세계 연구자들이 무료 사용이 가능하도록 되어 있다.

? Graz University of Technology (오스트리아)
- Dr. Gerhard Thallinger LC 기반 지질체학 소프트웨어인 LDA를 개발하여 연구자들이 무료로 사용할 수 있다.

? Duke University School of Medicine (미국)
- Dr. Xianlin Han

 MS 기반 지질체학 연구용 소프트웨어인 AMDMS-SL를 개발하여 정량 및 구조 분석에 무료로 사용할 수 있다.

? The University of Tokyo, Faculty of Medicine (일본)
- Dr. Shimizu Takao

 2011년부터 의학부내에 Lipidomics 학과가 개설되었고, MS 기반한 지질 대사 및 질병 메커니즘을 집중적으로 연구하고 있다.

? RIKEN, Laboratory for Metabolomics (일본)
- Dr. Makoto Arita

지질체학 기반한 오메가-3 지방산의 항-염증 작용과 관련된 새로운 대사 경로를 규명하는 연구를 진행하고 있다.

? National University of Singapore (싱가포르)
- Dr. Markus R Wenk

지질체 규명에 필수적인 새로운 방식의 통합 워크플로우 개발 및 생물학적 시스템에서 지질체학 기반의 표적 및 비표적화 지질체 프로파일링 연구를 진행하고 있다.

? Northwest University, Key Laboratory of Resource Biology and Biotechnology (중국)
- Dr. Ying-YongZhao

지질체학 기반한 다양한 질병 관련된 지질 생체 지표의 발굴 연구를 진행하고 있다.

? Nanjing University of Chinese Medicine, National Center of Colorectal Disease (중국)
- Dr. Youping Deng

폐암이나 유방암을 포함한 다양한 암의 조기 진단 지표로 사용될 수 있는 지질체 발굴 및 임상적 검증 연구를 진행하고 있다.

2.7.2 국내

? 한국기초과학지원연구원/Dr. 황금숙

LC-MS 기반한 인체 동맥경화성 플라그의 프로파일링 분석 연구에 지질체학을 적용하여 동맥경화 발생의 메커니즘 규명 및 생체 지표 발굴 연구를 수행하고 있다.

? 부산대학교 약학대학/Dr. 임은옥

 장내 특정 내인성 지질 및 외인성 특정 지질들에 의한 염증성 bowel 병 같은 장 상처 치료 연구를 LC-MS/MS로 진행중이며, 이를 위해 지질체학을 적용하고 있다.

? DGIST 뇌대사체학 연구소/Dr. 김은경

 뇌질환과 관련된 지질체을 포함한 뇌 대사체학을 국내 최초 및 최대 규모로 연구하고 있으며, 뇌 질환을 조기에 진단할 수 있는 생체 지표 발굴 연구를 진행하고 있다.

? 한국과학기술연구원/Dr. 정병화

Statin 약물 치료후의 지질체 프로파일링 분석 연구 수행 중이다.

? 서울대학교 약학대학/Dr. 권성원

 세포, 동물 및 인체에서 지질체학 기반한 질병 치료 표적 발굴 및 질병 조기 진단용 생체 표지자 발굴 연구 수행 중이다.

? 서울대학교 약학대학/Dr. 김상희

 역-지질체학을 기반으로 sphingolipid bank를 구축하여 암, 다발성 경화증 또는 면역질환에 대한 치료제 개발 연구를 진행 중이다.

2.8 국내·외 기업들의 연구 동향

2.8.1 국외

? SCIEX (미국)

LC-MS 또는 LC-MS/MS 기반한 지질 프로파일링을 통해 당뇨, 뇌졸증, 죽상동맥경화증 같은 인체 질병에서 지질류의 변화를 알 수 있으며 질병과 관련된 지질류를 동정하고 정량할 수 있는 솔루션을 개발하여 상업화하고 있는데, 발굴 지질체학 및 표적 지질체학에 적합한 솔루션들이 개발되어 제공되고 있다. 특히 전자를 위해 개발된 솔루션은 수 천 종의 세포 지질을 수집 및 분석하여 지질 생체 지표를 동정할 수 있으며 세포내 지질 대사체 연구에 적합하도록 구성되어 있고, 지질 데이터를 쉽게 동정하고 특성 분석할 수 있도록 개발된 LipidView™ Software(지질 머리 부분, 지방산 및 긴 사슬 별로 25,000개 이상의 지질류로 구성된 기준 라이브러리를 포함)도 제공하고 있다. 그리고 후자 연구에 적합하도록 미국의 Metabolon사와 공동으로 개발한 LipidyzerTM 플랫폼은 간편한 워크플로우로 수천 종의 지질류를 높은 신뢰도로 정량 분석할 수 있다. 하지만 현재까지 진단용이 아닌 연구 목적으로만 판매되고 있기 때문에 질병 진단을 위한 임상검증 연구가 필요하다.

? ThermoFisher Scientific (미국)

비표적 및 표적 지질체학 연구에 적합한 HRAM Orbitrap MS를 개발하여 상용화시켰으며, 특히 지질 이성질체의 동정 및 구조 규명에 적합하도록 Orbitrap Fusion™ Lumos™ Tribrid™ MS를 개발하였다. 아울러, 이러한 MS를 통해 분석된 지질류를 신뢰도 높고 정확하게 해석하기 위해 LipidSearch™ (150만 개의 지질 이온과 예측된 단편 이온이 등록된 지질 DB로써 일본 도쿄대학의 Ryo Taguchi 교수와 도쿄에 있는 Mitsui Knowledge Industry사가 공동 개발한 소프트웨어)도 함께 상업적으로 제공하고 있다.

? Agilent (미국)

GC-MS, LC-MS 및 supercritical fluid chromatography (SFC)-MS에서 분석된 지질체 데이터를 통합 분석할 수 있는 지질체학 솔루션을 제공하고 있는데, 다양한 MS를 이용하여 분석된 데이터는 MassHunterTM 소프트웨어를 통해 피크를 추출하고, Mass Profiler ProfessionalTM 소프트웨어를 통해 배열, 통계분석, 지질 동정 및 대사경로를 분석할 수 있는 통합 데이터 분석 플랫폼을 제공하고 있다. 또한 자체적으로 Agilent-METLIN DB를 구축하여 DB 매칭 서비스를 하고 있으며, 이 DB에는 LIPID MAPS의 약 36,600개의 지질 항목이 포함되어 있으며, 이 중 640여개의 항목은 표준물질 MS/MS 스펙트럼을 가지고 있다.

? Waters (미국)

Waters사의 Nonlinear Dynamics사에 의해서 개발된, LC-MS 데이터 분석 소프트웨어인 Progenesis® QI을 개발하여 지질체 데이터를 정성 및 정량 분석하는데 사용하고 있다.

? PREMIER Biosoft (미국)

종합적인 지질체 데이터 분석 소프트웨어인 SimLipidTM을 개발하여, LC-MS/LC-MS/MS, MALDI-TOF MS/MALDI-TOF/TOF MS 와 같은 다양한 MS 시스템에서 분석된 지질체 데이터를 고속 및 대용량으로 동정하고 정량하는데 사용하고 있으며, Agilent사 같은 회사에서는 DB 매칭을 위해 사용하고 있다. 이 DB에는 Lipid MAPS 컨소시엄에서 정의한 8개의 지질 범주(sphingolipids, glycerophospholipids, polyketides, fatty acyls, glycerolipids, sterol lipids, prenol lipids, saccharolipids)와 36,224개의 지질 종목이 포함되어 있다.

? Biocrates Life Sciences AG (오스트리아)

MS/MS 또는 LC-MS/MS를 이용하여 10 μL의 인체 시료(혈청 및 혈장 등)만으로 90종의 GPs와 15종의 SLs을 동시에 정량 분석할 수 있는 AbsoluteIDQ® p180 kit을 개발하여 상용화 시켰다.

2.8.2 국내

 현재까지 국내에서 지질체학에 관련된 분석용 소프트웨어를 개발하거나, 특정 소프트웨어가 탑재된 분석플랫폼을 개발하고 있는 기업은 없는 상태이며, 국외에서 개발된 지질체학 분석용 소프트웨어를 유료로 사용하고 있는 실정이다.

3. 결론 및 향후 전망

 시스템 생물학과 대사체학이 포함된 오믹스 과학의 발전 및 새로운 분석 기술들의 진보로 인하여, 생물학적 시스템에서 지질의 구조적 및 기능적 특성들이 속속들이 밝혀지고 있다. 이러한 사실에 근거하여 지질체학을 통해 밝혀진 특정 생체 지표 및 분석 소프트웨어의 개발이 인체 질병의 조기 진단에 응용되기도 하고, 약물 활성 및 약물 치료 효과의 평가에도 제한적으로 사용되고 있다는 점은 매우 고무적이다.

하지만, 최근 몇 년 동안 지질체학 연구가 상당한 진보를 이루고 있지만, 기술적 측면에서 몇 가지 부족한 면이 있는 것이 사실이다. 이 중에서 생물학적 시스템에 있는 지질체를 온전하게 100% 정확도로 정량할 수 있는 분석기술은 현재로서는 없는 상태이기 때문에 이 부분에서 지속적인 기술 개발이 필요할 것이다[29]. 특히, eicosanoids의 광학이성질체들, 개질된 지방산을 꼬리 부분에 가지고 있는 PLs, 다양한 SLs, 그리고 다양한 지질 중간 산물들은 기존의 분석 플랫폼으로는 정확하게 정량하기 어렵다. 결국, 현재의 기술 수준으로는 생물학적 시스템에 존재하는 지질체군을 완전하게 정성 또는 정량 분석 할 수 없다는 것이 한계로 지적되고 있다. 한편, 지질체학 기반으로 어떤 질병에 대한 생화학적 메커니즘이 완전히 규명된 경우가 많지 않은 것도 지속적인 연구가 필요한 부분이며, 더욱이 현대 지질체학에서의 생물정보학은 명백히 분류된 지질종에 대해서 대부분 DB화 되어 있기 때문에 비표적화 지질체학 연구나 미지의 지질종을 발굴하는 연구를 수행하는데 있어서는 상당 부분 제한되어 있는 것도 사실이다.

현대 지질체학에서 가장 시급히 해결해야 될 문제 중에 하나가, 정확하고 정밀한 분석적 허용범위 내에서 보다 많은 지질 종류와 지질 분자 종류의 범주를 넓히는 것이며, 이를 통해 생물학적 시스템 내에서 대사 경로 및 대사적 네트워크에 관련된 가능한 모든 지질체를 동정하고 정량할 수 있을 것이다. 나아가 인체 질병이나 기타 의생명과학 분야에서 지질체학이 중요하면서도 필수적인 역할을 하기 위해서는, 지질체학의 전형적인 워크플로우를 구성하는 시료 추출의 첫 단계부터 생물정보학 기반한 최종 데이터 해석까지 전 분야에 걸쳐 관련 분야의 전문가들 간의 상호연계 연구가 필요할 것이다.

무엇보다 중요한 것은, 지질체학의 지속적인 기술 발전으로 인하여 머지않은 미래에 인체 질병을 조기에 진단하거나 질병의 예후를 효과적으로 관리할 수 있는 유용한 도구로서 활용되기 위해서는, 현재 임상에서 진단에 활용되는 각종 검사방법들과의 일치도 평가가 수행되어야 할 것이며, 대규모 코호트 연구를 통해 지질체 생체 지표들의 임상적인 유용성을 명확하게 검증해야 될 것이다.

4. 참고문헌

==> PDF 참조 
 

...................(계속)

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