첨단 현미경 기반 세포 라벨링 기술, 전신 영상화 구현

눈에 보이지 않는 체내 과정과 구조를 의료 영상으로 가시화할 수 있다. 과학자들은 영상을 이용해 세포와 장기의 복잡한 기능을 조사하고 질병을 더 잘 감지하고 치료하는 방법을 찾는다. 일상 진료에서 체내 영상은 의사들이 질병을 진단하고 치료 효과를 모니터링하는 데 도움을 준다. 체내 특정 과정을 묘사하기 위해 연구자들은 세포나 분자에 라벨을 붙여 체외에서 감지 가능한 신호를 방출하게 하고 이를 의미 있는 영상으로 변환하는 새로운 기술을 개발하고 있다. 뮌스터 대학교 연구팀은 현미경에서 사용되는 세포 라벨링 전략인 소위 SNAP-태그 기술을 양전자방출단층촬영(PET)을 이용한 전신 영상화에 맞게 개조했다.

이 방법은 종양 세포와 염증 세포 같이 완전히 다른 세포 유형에도 작동하는 두 단계로 세포에 라벨을 붙인다. 첫째, 표적 세포에 고유한 SNAP-태그 효소가 세포 표면에 생성되도록 세포를 유전자 변형한다. 그런 다음 이 효소를 적절한 SNAP-태그 기질과 접촉시킨다. 기질은 신호 방출체로 표지되고 화학적으로 구조화되어 효소에 의해 인식되고 분해되며, 신호 방출체가 효소로 전이된다. 이 과정에서 효소는 변형되어 더 이상 활성화되지 않으며, 결과적으로 신호 방출체가 단단히 결합된 상태로 남는다. 연구자들에 따르면 SNAP-태그 효소가 자신의 생물학적 활성을 통해 스스로 라벨링하며, 이는 매우 빠르게 일어나고 생체 내 자연 과정을 방해하지 않는다.

현미경에서는 형광 염료로 세포에 라벨을 붙이지만, 두꺼운 조직층에서 신호가 산란되어 더 이상 측정할 수 없기 때문에 전신 영상화에는 대부분 적합하지 않다. 이 문제를 해결하기 위해 과학자들은 방사성 신호 방출체인 플루오린-18을 사용한 새로운 SNAP-태그 기질을 합성했다. 팀은 이 기질을 혈류를 통해 생체 내에 주입해 쥐의 종양 세포를 성공적으로 라벨링했다. 그런 다음 PET 영상으로 종양을 가시화할 수 있었다.

이 기술은 유전자 인코딩된 세포를 다양한 영상 모달리티와 시간 단계에서 가시화할 전망을 연다. 연구자들은 이를 다중 규모 영상(multi-scale imaging)이라고 부른다. 플루오린-18의 방사성 신호는 짧은 시간만 안정적이지만, 두 번째 라벨링 단계를 반복할 수 있어 같은 세포를 며칠 혹은 몇 주에 걸쳐 반복 가시화할 수 있다.

현미경이 제공하는 높은 디테일 수준으로 개별 세포 간 소통을 연구할 수 있다. 전신 영상이 제공하는 큰 그림 관점으로는 이 세포들이 전체 장기 시스템의 일부로서 어떻게 기능하는지 평가할 수 있다. 시간이 지나면 개별 세포 유형이 염증의 시작, 지속, 해소에서 어떤 역할을 하는지 밝혀질 수 있다. 연구자들은 이 모든 정보를 결합하면 신체에서 모든 것이 어떻게 연결되어 있는지 이해할 수 있다고 말한다.

다음 중요한 단계는 충분히 강한 신호를 얻기 위해 얼마나 많은 세포가 필요한지, 생체 내에서 움직이는 세포(특히 면역 세포)도 가시화할 수 있는지 테스트하는 것이다. 접근법이 계속 성공적이라면 이 기술은 면역요법 미래 연구에 중요해질 수 있다. 면역요법에서는 신체 자신의 면역 세포를 실험실에서 유전자 변형해 특정 질병과 싸우게 한다. 이런 요법은 이미 암 치료에 쓰이고 있으며 염증성 질환 치료 잠재력도 있다. 영상화는 그런 치료법 개발과 개선에 도움을 줄 수 있다.

과학자들이 처음으로 과학 심포지엄에서 결과를 발표했을 때 놀랐다. 튀빙겐 동료들이 동시에 유사한 연구를 발표했기 때문이다. 두 연구팀은 독립적으로 같은 근본적 아이디어, 플루오린-18으로 표지된 SNAP-태그 기질을 생각했다. 화학적으로는 아이디어를 다르게 구현했지만, 같은 생물학적 모델 시스템으로 테스트해 유사한 결과를 얻었다. 튀빙겐 팀은 암에서 면역 세포 연구를 위한 새로운 라벨링 방법을 개발 중이고, 뮌스터 팀은 염증성 질환에 초점을 맞추고 있어 연구가 매우 잘 보완된다.

모든 SNAP-태그 기질처럼 새로 개발된 분자도 벤질구아닌 기반이며, 여기에 방사성 동위원소 플루오린-18을 부착했다. 이는 PET 영상에 이상적이다. 목표는 몇 번의 빠른 단계로 합성을 설계해 가능한 가장 강한 신호를 얻는 것이었다. 플루오린-18은 반감기가 짧아 110분마다 방사능이 절반으로 줄어든다. 처음에 과학자들은 플루오린-18이 분자 원하는 위치에 붙지 않는다는 것을 발견했다. 벤질구아닌이 플루오린-18로 직접 라벨링하기에는 너무 민감했던 것이다. 그래서 연구자들은 필요한 화학 반응에 둔감한 작은 분자(플루오로에틸아지드)에 먼저 라벨링한 뒤 클릭 반응(매우 빠르고 선택적)으로 벤질구아닌에 부착했다.

과학자들은 합성된 기질이 시험관에서 혈액과 접촉했을 때 안정적인지 먼저 확인했고, 세포 배양에서 세포가 기질과 어떻게 상호작용하는지 첫 실용 테스트에서 조사했다. 이때 SNAP-태그 효소를 유전적으로 도입한 인간 종양 세포와 그렇지 않은 세포를 비교했다. SNAP-태그 효소를 생성하는 세포에서만 방사능이 흡수됨을 매우 명확히 볼 수 있었다. 마지막으로 개별 쥐를 대상으로 표적 연구를 수행했다. 분자가 살아있는 생물의 복잡한 생물학적 환경에서 어떻게 행동하는지는 세포 배양이나 인공 장기로 완전히 시뮬레이션할 수 없기 때문이다. 과학자들은 기질이 혈류에 주입되면 신체 전체에 매우 빠르게 분포됨을 보였다. 또한 배설 경로도 확인했다. 그런 다음 살아있는 생물에서 SNAP-태그 효소가 있거나 없는 종양 세포가 기질에 어떻게 반응하는지 비교했다. 이를 위해 종양 세포를 쥐 피하에 주입하고 검사 후 다시 제거해 자가방사선촬영으로 결과를 확인했다.