3D 현미경으로 재생의료·맞춤치료 새 지평 연다

KAIST·IBS·KBSI, 홀로토모그래피 원리·응용·전망 망라
광학과 AI의 결합으로 오가노이드, 재생의료 분야 개척

박용근 한국과학기술원(KAIST) 물리학과 교수. 박용근 교수 연구진은 지난 10여년 간 홀로토모그래피 분야를 선도하고 있다./KAIST

첨단 바이오, 의학 분야에서 살아있는 세포와 조직뿐만 아니라 미니 장기 ‘오가노이드(organoid)’의 3차원 영상을 측정하고 정밀하게 분석하는 기술에 대한 중요도가 커지고 있다. 그중 차세대 3차원 현미경 기술인 홀로토모그래피(HT)는 세포와 조직의 내부를 고해상도로 관찰할 수 있어 재생의료, 맞춤형 의료, 난임 치료와 같은 연구에서 잠재력이 높다. 국내 연구진이 의생명과학 분야에서 홀로토모그래피의 응용 가능성을 정리해 발표했다.

박용근 한국과학기술원(KAIST) 물리학과 교수 연구진은 김건 KAIST 자연과학연구소 연구원, 윤기준 KAIST 생명과학과 교수, 구본경 기초과학연구원(IBS) 유전체교정연구단장, 이성수 한국기초과학지원연구원(KBSI) 책임연구원 연구진과 공동으로 홀로토모그래피의 원리와 응용 현황, 한계점, 향후 방향성을 망라한 논문을 발표했다고 30일 밝혔다. 이 논문은 국제 학술지 ‘네이처 리뷰스 메소드 프라이머스(Nature Reviews Methods Primers)‘에 지난 25일 게재됐다.

살아있는 세포와 조직, 더 나아가 장기를 모사하는 3차원 구조체인 오가노이드는 신약 개발 과정에서 동물 실험을 대체하거나 환자 맞춤형 치료법의 효율을 확인하는 데 쓰인다. 궁극적으로는 장기를 대체하는 치료 목적으로 활용될 전망이다. 따라서 오가노이드와 같은 시편을 염색이나 전처리 없이 살아있는 상태 그대로 관찰하는 기술이 필수다.

홀로토모그래피를 이용해 살아있는 장 오가노이드를 구성하는 다양한 종류의 세포와 소기관을 관찰할 수 있다./KAIST

홀로토모그래피는 염색이나 표지(label)와 같은 화학적, 유전적 처리 없이도 세포 소기관 수준의 해상도로 세포, 조직을 3차원으로 관찰할 수 있는 기술이다. 엑스레이(X-ray)를 사용하는 컴퓨터 단층촬영(CT)과 물리적인 원리가 동일하지만, 홀로토모그래피는 X선 대신 빛을 이용해 세포와 조직의 내부를 고해상도로 관찰할 수 있다.

연구진은 세포와 조직을 3차원으로 관찰하고 연구하는 ‘3차원 생물학’과 재생의료, 암 연구에서 홀로토모그래피 기술을 폭넓게 적용할 수 있을 것으로 봤다. 연구진은 이번 논문에서 홀로토모그래피 기술을 유형화하고, 각 기술의 원리, 한계점, 극복 방안을 자세히 설명했다. 특히 인공지능(AI)과 홀로토모그래피를 결합해 적용 범위를 넓힐 전략을 심도 있게 다뤘다.

연구진은 “홀로토모그래피 기술은 첨단 바이오산업을 견인할 잠재력이 있다”며 “전 세계 주요 대학 연구진, 기업들이 관심을 두고 연구개발에 투자하고 있는 분야”라고 설명했다.

참고 자료

Nature Reviews Methods Primers(2024), DOI: https://doi.org/10.1038/s43586-024-00327-1

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