"비알콜성 지방간 진행 영상화 기술 개발" KAIST 연구팀 논문, SCI급 국제학술지 등재
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"비알콜성 지방간 진행 영상화 기술 개발" KAIST 연구팀 논문, SCI급 국제학술지 등재
  • 정 현 기자
  • 승인 2020.09.15 22:44
  • 댓글 0
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국제학술지 `Biomedical Optics Express' 8월 19일자 게재

[위즈뉴스] KAIST(총장 신성철)는 14일, 의과학대학원 김필한 교수 연구팀이 3차원 생체현미경 기술을 통해 비알콜성 지방간에서 간세포 내 지방구 형성과 미세혈관계를 동시에 고해상도의 영상으로 촬영하는 데 성공했다고 밝혔다. 

지방구(Lipid droplet)는 지방 방울이라고도 하며, 간세포의 세포질에 구 형태로 축적된 지방을 뜻한다.

이번 연구결과를 담은 논문은 미국광학회가 발간하는 SCI급 국제학술지 `바이오메디컬 옵틱스 익스프레스(Biomedical Optics Express, IF=3.921)' 8월 19일 자에 실리는 한편 편집장 선정(Editor's pick) 우수 논문으로 주목을 받았다.

논문명은 'Intravital longitudinal imaging of hepatic lipid droplet accumulation in a murine model for nonalcoholic fatty liver disease'이며, 나노과학기술대학원 문지은 박사과정생이 제1저자로 참여했다. 

김필한 교수(왼쪽)와 문지은 박사과정생 / 사진=KAIST
김필한 교수(왼쪽)와 문지은 박사과정생 / 사진=KAIST

김 교수 연구팀은 이에 앞서 살아있는 비알콜성 지방간 동물모델에서 질환이 진행될수록 간세포 내의 지방구가 축적되며 크기가 증가하는 과정에서 개개의 지방구를 3차원으로 정밀하게 분석할 수 있는 생체현미경 기술을 개발해, 이번 연구에 활용했다.

그림1. 초고속 레이저 주사 3차원 생체현미경 시스템 

그림1. 초고속 레이저 주사 3차원 생체현미경 시스템 / 자료이미지=KAIST
그림1. 초고속 레이저 주사 3차원 생체현미경 시스템 / 자료이미지=KAIST

비알콜성 지방간은 서구화된 식습관 및 비만율 증가로 국내에서 급속히 증가하고 있는데 단순 지방간부터 만성 지방간염 및 간경변증(간경화)에 이르는 넓은 범위의 간 질환을 포함한다.

정상인에게서도 최대 24%, 비만인에서는 최대 74%까지 높은 유병률이 보고되고 있어 심각한 간 질환으로 진행되지 않도록 적극적인 관리가 요구된다. 

그동안 비알콜성 지방간 질환 연구들은 대부분이 절제된 간 조직을 사용한 조직병리학적 분석을 통해 이뤄졌다.

하지만 이같은 방식으로는 질환이 장기간에 걸쳐 진행되는 동안 간 내부의 간세포와 주변 미세환경에서 일어나는 다양한 분자세포 수준의 변화를 3차원으로 정밀하게 분석하고 그 원리를 밝히는 것이 어려웠다. 글로벌 차원의 집중적인 연구개발 투자에도 불구하고 비알콜성 지방간 질환의 새로운 치료제의 개발이 지연되고 주된 이유다.

김필한 교수 연구팀은 독자적으로 개발한 초고속 레이저 공초점·이광자 생체현미경을 사용해 살아있는 비알콜성 지방간 질환 동물모델에서 질환 진행에 따른 간세포 내 지방구의 형성 및 축적과 주변 미세 간 혈관계를 동시에 고해상도를 지닌 3차원 영상으로 촬영하는 데 성공했다. 

그림2. 지방간의 3차원 생체현미경 영상 결과 

그림2. 지방간의 3차원 생체현미경 영상 결과 / 자료이미지=KAIST
그림2. 지방간의 3차원 생체현미경 영상 결과 / 자료이미지=KAIST

연구팀이 개발한 생체현미경 시스템은 시속 380Km 이상의 초고속으로 회전하는 다각 거울을 이용해 살아있는 생체 내부 간 조직의 움직임을 실시간으로 추적하고 보정이 가능해 크기가 마이크로미터(μm·100만분의 1미터) 이하인 극히 작은 지방구까지 고해상도로 영상화가 가능하다.

연구팀은 또 비알콜성 간 질환에서 질환 진행으로 간세포 내 지방구의 축적률이 증가하고 개개의 지방구 크기가 증가하는 현상을 영상화하는 데 성공했다. 이와 함께 지방구의 크기 증가가 간세포 핵의 위치변화를 일으키고 결국 간세포 모양의 변화를 일으키는 현상을 고해상도 영상화를 통해 확인했다. 

그림 3. 비알콜성지방간(Nonalcoholic fatty liver)단계에서 지방구(Lipid droplet, 황색)축적을 보여주는 3차원 생체현미경 영상 결과

그림 3. 비알콜성지방간(Nonalcoholic fatty liver)단계에서 지방구(Lipid droplet, 황색)축적을 보여주는 3차원 생체현미경 영상 결과 / 자료이미지=KAIST
그림 3. 비알콜성지방간(Nonalcoholic fatty liver)단계에서 지방구(Lipid droplet, 황색)축적을 보여주는 3차원 생체현미경 영상 결과 / 자료이미지=KAIST

그림 4. 간세포 내 크기가 큰 지방구(Lipid droplet,황색) 형성으로 인한 간세포 핵의 위치변화 및 간세포의 모양 변화(점선)를 보여주는 생체현미경 영상 결과

그림 4. 간세포 내 크기가 큰 지방구(Lipid droplet,황색) 형성으로 인한 간세포 핵의 위치변화 및 간세포의 모양 변화(점선)를 보여주는 생체현미경 영상 결과 / 자료이미지=KAIST
그림 4. 간세포 내 크기가 큰 지방구(Lipid droplet,황색) 형성으로 인한 간세포 핵의 위치변화 및 간세포의 모양 변화(점선)를 보여주는 생체현미경 영상 결과 / 자료이미지=KAIST

연구팀이 독자적으로 개발한 최첨단 고해상도 3차원 생체현미경 기술은 살아있는 생체 내부 간의 미세환경을 이루는 다양한 구성성분(세포, 혈관, 지질, 콜라겐 외 생체분자)들을 동시에 실시간으로 영상촬영이 가능해 비알콜성 지방간 질환을 비롯한 다양한 간 질환 연구와 치료제 개발과정에 다양하게 활용될 것으로 기대된다.

특히 이 3차원 생체현미경 기술은 KAIST 교원창업기업인 아이빔테크놀로지(IVIM Technology, Inc)를 통해 상용화돼 올 인원 생체현미경 모델명인  `IVM-CM'과 `IVM-MS'로 2019년 10월부터 출시되고 있는데 기초 의ㆍ생명 연구의 차세대 첨단 영상장비로서 미래 글로벌 바이오헬스 시장의 핵심 장비로 벌써부터 주목받고 있다. 

연구팀의 김필한 교수는 "비알콜성 지방간을 포함한 다양한 질환의 3차원 생체현미경을 이용한 실시간 고해상도 영상기술은 질환의 진행에 따른 세포 수준의 다양한 변화의 정밀한 관찰이 가능하다ˮ라며 "3차원 생체현미경은 미래 바이오헬스 산업에서 여러 인간 질환의 진단 및 치료제 개발에 획기적인 도움을 줄 것ˮ이라고 말했다. 

이번 연구는 과학기술정보통신부의 이공분야기초연구사업의 지원을 받아 이뤄졌다.

 


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