저강도 초음파, 세포질 물리적 성질 변화 세계 최초 발견

경희대 생체의공학과 박기주 교수

경희대학교(총장 한균태) 생체의공학과 박기주 교수와 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 화학생명융합연구센터 김소연 박사 공동 연구팀이 공초점 현미경(Confocal Microscopy) 기반의 살아있는 세포 이미징 실험을 통해 저강도 초음파가 세포질의 물리적 성질(Physical Property)을 변화키는 현상을 세계 최초로 발견했다. 연구팀은 이를 초음파에 의해 생성되는 음향 방사력(Acoustic Radiation Force), 음향 유동(Acoustic Streaming), 산란(Scattering)에 의한 것으로 예측했다. 박기주 교수와 KIST 김소연 박사의 연구 성과는 국제학술지인 〈Ultrasonics Sonochemistry〉(IF=8.4, JCR 상위 1.6%)에 게재됐다.

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다양한 치료 분야 활용되는 저강도 초음파, 살아있는 세포 이미징 실험에서 기전 검증

초음파 자극 메커니즘의 개념도

저강도 펄스형 초음파(Low Intensity Pulsed Ultrasound)나 저강도 집속 초음파(Low Intensity Focused Ultrasound)는 낮은 강도의 초음파 에너지를 활용해 세포를 비침습적으로 자극하는 초음파 기술이다. 골절 치료나 연조직의 재생, 염증 반응 억제, 신경 조절 등을 일으켜 치료 효과를 얻는 방법으로 다양한 분야에서 활용된다. 이 방법은 여러 전임상 동물 및 임상 실험에서 그 효과가 보고됐다. 하지만 그 정확한 작용 원리는 규명되지 않았다. 세포막(Cell Membrane)은 세포의 신호전달(Signal Transduction)에서 핵심 역할을 한다. 저강도 초음파 세포 자극 메커니즘에 관련된 대부분의 연구는 초음파가 세포막에 국부적으로 미치는 간접적 영향에 관한 연구이다.

박기주 교수, 김소연 박사 공동 연구팀은 초음파가 점탄성 유체의 성질을 갖는 세포질(Cytoplasm) 속에서 전파되며 생화학 반응을 일으키는 생체고분자들의 확산에 직접 영향을 미칠 것이란 새로운 가설을 세웠고, 이를 살아있는 세포 이미징 실험을 통해 검증했다. 골육종(SaOS-2)과 자궁경부암(HeLa) 세포를 이용해 다양한 초음파 자극에 따른 세포질 내부의 생체고분자의 확산 변화와 핵세포질간 수송 계수(Nucleocytoplasmic Transport Coefficient)를 광퇴색후형광측정(Fluorescence Recovery After Photobleaching, FRAP)을 통해 초음파 자극 전·중·후 시점마다 측정했다.

그 결과 초음파에 의해 세포질에 존재하는 생체고분자들의 확산이 증가함을 확인했다. 초음파 압력이 높으면 높을수록, 고분자 크기가 크면 클수록 그 확산이 빨라졌다. 이에 더해 핵세포질간수송 또한 초음파에 의해 증가했다. 이 결과는 초음파가 세포질 환경에 직접적 영향을 미침을 학계 최초로 보여준 결과이다. 또한 초음파 조사 조건을 달리함에 따라 특정 생체고분자 확산 속도의 의존하는 특정 생화학 반응의 제어도 가능함을 의미하는 결과이다.

박기주 교수는 “초음파 조건에 따라 생체고분자의 운동성 제어가 가능하며, 더 나아가 비침습적으로 특정 세포 과정(Cellular Processes)을 활성화하거나 특정 세포 신호 경로를 유발할 수 있는 새로운 비침습 세포 자극 기술로 개발할 수 있다”라며 활용 방안을 밝혔다. 김소연 박사는 “이러한 기술을 보다 정교하게 조절할 수 있다면 줄기세포나 노화세포 같은 특정 세포의 운명이나 기능을 제어하는 기술로 응용 가능할 것”이라고 말했다.

이번 연구는 한국연구재단의 우수신진연구사업과 중견연구자지원사업, 범부처전주기의료기기연구개발사업단 범부처전주기의료기기연구개발사업 및 KIST 기관고유사업의 지원으로 수행됐다.

온라인 중앙일보