전신 이미징에 사용하기 위해 적용된 현미경의 세포 라벨링 방법

일반적으로 눈에 보이지 않는 신체 내부의 과정과 구조를 의료 영상을 통해 볼 수 있습니다. 과학자들은 영상을 사용하여 세포와 기관의 복잡한 기능을 조사하고 질병을 더 잘 감지하고 치료할 수 있는 방법을 찾습니다. 일상적인 의료 행위에서 신체의 이미지는 의사가 질병을 진단하고 치료법이 효과가 있는지 모니터링하는 데 도움이 됩니다. 신체의 특정 과정을 묘사할 수 있도록 연구자들은 세포나 분자에 레이블을 지정하는 새로운 기술을 개발하여 신체 외부에서 감지되고 의미 있는 이미지로 변환할 수 있는 신호를 방출하도록 하고 있습니다. 뮌스터 대학(University of Münster)의 연구팀은 현재 현미경에 사용되는 세포 라벨링 전략(소위 SNAP 태그 기술)을 양전자 방출 단층촬영(PET)을 통한 전신 영상화에 적용했습니다.

이 방법은 종양 및 염증 세포와 같은 완전히 다른 세포 유형에 대해 작동하는 두 단계로 세포에 레이블을 지정합니다. 첫째, 세포는 표적 세포에 고유한 소위 SNAP 태그 효소를 표면에 생성하도록 유전적으로 변형됩니다. 그런 다음 효소는 적절한 SNAP 태그 기질과 접촉하게 됩니다. 기질은 신호 방출기로 표지되고 화학적으로 구조화되어 신호 방출기가 효소로 전달되도록 하는 효소에 의해 인식되고 분할됩니다. 이 과정에서 효소가 더 이상 활성화되지 않도록 변형되며 결과적으로 신호 방출기가 이에 단단히 결합된 상태로 유지됩니다. 연구원에 따르면 SNAP 태그 효소는 생물학적 활동을 통해 스스로를 표지합니다. 이것은 유기체의 자연적 과정을 방해하지 않고 매우 빠르게 발생합니다.

현미경에서 형광 염료는 세포를 표지하는 데 사용되지만 신호가 더 두꺼운 조직 층에 의해 산란되어 더 이상 측정할 수 없기 때문에 전신 이미징에는 대부분 적합하지 않습니다. 이 문제를 해결하기 위해 과학자들은 방사성 신호 방출체 플루오르-18을 사용하여 새로운 SNAP 태그 기판을 합성했습니다. 연구팀은 이 기질을 혈류를 통해 유기체에 주입하여 쥐의 종양 세포에 성공적으로 표지를 붙였습니다. 그런 다음 PET 영상을 사용하여 종양을 시각화할 수 있었습니다.

이 기술은 신체의 유전적으로 암호화된 세포를 다양한 이미징 방식과 다른 시간적 단계로 시각화할 수 있는 가능성을 열어줍니다. 연구자들은 이를 다중 스케일 이미징이라고 부릅니다. 불소-18의 방사성 신호는 짧은 시간 동안만 안정적으로 유지되지만 두 번째 라벨링 단계를 반복할 수 있으므로 동일한 세포를 며칠, 몇 주 동안 계속해서 시각화할 수 있습니다.

현미경으로 제공되는 높은 수준의 세부 사항을 통해 개별 세포가 서로 통신하는 방법을 연구할 수 있습니다. 전신 이미징이 제공하는 큰 그림을 통해 과학자들은 이러한 세포가 전체 장기 시스템의 일부로 기능하는 방식을 평가할 수 있습니다. 시간은 예를 들어 염증이 시작되고, 계속되고, 해결될 때 개별 세포 유형이 염증에서 어떤 역할을 하는지 밝힐 수 있습니다. 연구원들은 이 모든 정보를 결합하면 모든 것이 신체에서 어떻게 연결되어 있는지 이해할 수 있다고 말합니다.

다음으로 중요한 단계는 충분히 강한 신호를 얻기 위해 얼마나 많은 세포가 필요한지, 그리고 이 방법이 유기체 내에서 움직이는 세포, 특히 면역계 세포를 시각화하는 데에도 사용할 수 있는지 여부를 테스트하는 것입니다. 이 접근 방식이 계속해서 성공하면 이 기술은 실험실에서 신체의 면역 세포가 특정 질병과 싸울 수 있도록 유전적으로 변형되는 면역 요법에 대한 향후 연구에 중요해질 수 있습니다. 이러한 치료법은 이미 암 치료에 사용되고 있으며 염증성 질환 치료에도 도움이 될 가능성이 있습니다. 이미징은 이러한 치료법을 개발하고 개선하는 데 도움이 될 수 있습니다.

과학자들이 과학 심포지엄에서 처음으로 결과를 발표했을 때 그들은 깜짝 놀랐습니다. Tübingen의 동료들이 동시에 비슷한 연구를 발표했습니다. 서로 독립적으로 두 연구팀은 불소-18로 표시된 SNAP 태그 기질이라는 동일한 기본 아이디어를 가지고 있었습니다. 화학적으로 말하자면, 그들은 아이디어를 다르게 구현했지만 동일한 생물학적 모델 시스템을 사용하여 결과 기질을 테스트하고 유사한 결과에 도달했습니다. Tübingen 팀은 암의 면역 세포를 연구하기 위한 새로운 라벨링 방법을 개발하고 있는 반면 Münster의 팀은 염증성 질환에 중점을 두고 있으므로 연구가 서로를 매우 잘 보완합니다.

모든 SNAP 태그 기질과 마찬가지로 새로 개발된 분자는 벤질구아닌을 기반으로 하며, 여기에 과학자들이 방사성 동위원소 플루오르-18을 부착했으며, 이는 PET 이미징에 이상적으로 적합합니다. 목표는 가능한 한 강한 신호를 얻기 위해 몇 가지 빠른 단계로 합성을 설계하는 것이었습니다. 불소-18은 반감기가 짧기 때문에 110분마다 방사능이 반으로 줄어듭니다. 처음에 과학자들은 불소-18이 분자의 원하는 위치에 부착되지 않는다는 것을 발견했습니다. 벤질구아닌은 불소-18로 직접 표지하기에는 너무 민감했습니다. 그래서 연구원들은 먼저 필요한 화학 반응에 둔감한 작은 분자인 플루오로에틸아지드(fluoroethylazide)에 라벨을 붙인 다음 클릭 반응을 사용하여 이를 벤질구아닌에 부착했습니다. 이 반응은 매우 빠르고 선택적입니다.

과학자들은 먼저 합성된 기질이 시험관에서 혈액과 접촉했을 때 안정적으로 유지되는지 확인한 다음 세포 배양의 첫 번째 실제 테스트에서 세포가 기질과 어떻게 상호 작용하는지 조사했습니다. 그렇게 함으로써 그들은 SNAP 태그 효소를 유전적으로 통합한 인간 종양 세포와 효소를 생산하지 않는 종양 세포를 비교했습니다. 그들은 방사능이 SNAP-태그 효소를 생산하는 세포에 의해서만 흡수된다는 것을 매우 명확하게 볼 수 있었습니다. 마지막으로, 연구팀은 세포 배양이나 인공적으로 생산된 기관에서 살아있는 유기체의 복잡한 생물학적 환경에서 분자가 어떻게 행동하는지 완전히 시뮬레이션할 수 없기 때문에 개별 마우스에 대한 표적 연구를 수행했습니다. 과학자들은 기질이 혈류에 주입되면 매우 빠르게 몸을 통해 분포된다는 것을 보여줄 수 있었습니다. 또한, 그들은 그것이 배설되는 경로를 확인했습니다. 그런 다음 그들은 SNAP 태그 효소가 있거나 없는 종양 세포가 살아있는 유기체의 기질에 어떻게 반응하는지 비교했습니다. 이를 위해 종양 세포를 마우스의 피부 아래에 주입하고 검사 후 자가방사선 촬영으로 결과를 확인하기 위해 다시 제거했습니다.