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  1. 2012.06.20 무한 증식 암세포, 정상 세포와 다른 점은?(1)

암세포는 정상세포와 달리 성장에 필요한 적당한 환경이 주어질 경우 무한대로 증식하는 특징이 있습니다.
 
이 때 공간이 부족해지면 암세포는 기질금속단백질가수분해효소를 분비해 주변 조직을 제거해 공간을 확장합니다.

따라서 이 효소의 미세한 농도 차이를 감지하고 특성을 분석할 수 있는 기술이 개발되면 암세포와 정상세포를 쉽게 구분하여 암을 조기에 진단할 수 있게 됩니다.

또 왕성한 세포분열이 지속되면 혈관벽이나 조직을 파괴하여 내부로 침투하는데, 이 때 혈액 등을 타고 다른 장기나 조직으로 이동하는 '암 전이'가 발생합니다.

특히 이 효소는 암 전이에도 매우 밀접한 관련이 있어, 이 효소의 특성을 분자적 수준에서 규명하는 것이 매우 필요합니다.

연세대 윤대성 교수와 권태윤 교수 팀이 암 전이와 밀접한 관련이 있는 침습성 암세포의 표지단백질 효소를 정량적으로 검사하여 암세포와 정상세포를 구분하는 기술을 개발했습니다

연구팀은 원자힘현미경(AFM)으로 침습성 암세포 표면의 효소가 반응하는 현상, 특히 특정 펩타이드 서열이 가수분해되는 현상을 실시간 관측하는 방식으로 암세포와 정상세포를 구분했습니다.

연구팀은 AFM 캔틸레버가 공진하는 특성을 이용해 암세포 표면에 있는 효소에 의해 주변 조직을 구성하는 대표적인 펩타이드 서열이 가수분해되는 현상을 실시간으로 검지해냈습니다.

이 기술은 기존의 형광표지를 이용한 검지방법들과 달리 펩타이드가 가수분해된 양의 정량화가 가능하기 때문에 효소의 활성도를 쉽게 판단하는데 매우 효과적인 것이 특징입니다.

또한 암세포와 정상세포를 구분할 수 있을 뿐만 아니라 유전자 변형에 의해 돌연변이 효소를 발현하는 세포도 진단할 수 있습니다.
 
이번에 개발된 기술은 별도의 까다로운 MEMS(미세전자제어기술) 공정 없이 상용화된 장비(AFM)를 이용했고, 실험방법도 매우 간단하며 결과를 손쉽게 확인할 수 있는 점이 큰 특징입니다.

이 같은 센싱기술로 각 암세포의 특성과 세포 간의 신호전달 경로를 규명함으로써 암을 조기에 진단할 수 있을 뿐만 아니라 맞춤형 치료도 가능할 것으로 기대되고 있습니다.

이번 연구는  연세대 윤대성 교수와 권태윤 교수가 주도하고, 엄길호 교수와 이규도 박사과정생이 참여했습니다.

이번 연구결과는 화학분야의 권위 있는 학술지인 앙게반테 케미 6월 11일자에 속표지논문으로 게재되었습니다.
(논문명 : Real-Time Quantitative Monitoring of Specific Peptide Cleavage by a Proteinase for Cancer Diagnosis)

침습성 암세포의 표면에 막단백질 형태로 분포된 표지단백질(MMP)이 세포용해(Cell Lysis) 과정을 통해 구속에서 풀려나 자유롭게 이동하게 되면(미사일로 묘사), 캔틸레버 표면(인공위성 날개로 묘사)에 고정화된 펩타이드 서열의 일부를 단백질 가수분해 작용을 통해 절단시킨다. 시간이 지남에 따라, 절단되어지는 펩타이드의 양을 실시간으로 모니터링(신호를 전달 받는 우주비행사로 묘사)하게 됨으로써, 암세포와 정상세포와의 구분 및 암세포의 활성화 정도를 쉽게 진단할 수 있다.

<연 구 개 요>

세포로 구성된 생명의 출현과 함께 시작된 암세포와의 전쟁 역사는 지구상 가장 고등한 생명체인 인간에게 맡겨진 가장 큰 숙제 중 하나이다.
이 문제는 우리 인류 자신에게도 반드시 해결해야만 하는 숙원으로, 전 세계 의학·생명 분야의 연구자들이 해결책을 찾고자 주야불사(晝夜不舍)하고 있다. 

암세포 정복을 위해서는 암세포의 자체 특성 분석 및 암세포 기능에 중요한 역할을 하는 단백질의 특성을 규명하는 일이 필수적이다.
인체 내에 암이 발병했을 때 가장 위험한 요인 중 하나는 암 전이(metastasis) 여부이다. 암 전이에 밀접한 관련이 있는 표지 단백질 중 하나로 기질금속단백질가수분해효소 (matrix metalloprotease) 는 세포의 표면에 분포하거나 혹은 세포 밖으로 분비되어, 주변 조직을 분해시켜 암세포의 자가증식을 위한 공간 확보에 기여한다.
따라서 이 효소의 검지 및 특성 분석은 암세포의 조기진단 뿐만 아니라, 암 전이에 관련된 암세포의 활성도를 파악하는데 매우 중요한 역할을 할 것이다.
 
본 연구에서는 침습성 암세포의 표면에 발현된 기질금속단백질가수분해효소를 정량적으로 검지하고, 약물 반응성 테스트를 시행하여 암세포 조기 진단 및 맞춤형 치료를 위한 새로운 패러다임을 제시한다.
구체적으로, 나노역학적 방법으로 매우 높은 민감도로 센싱이 가능한 원자힘현미경(Atomic Force Microscopy)의 마이크로 캔틸레버의 공진특성을 이용하여, 해당 효소의 작용(단백질 가수분해)에 의해 특정 펩타이드 서열이 가수분해되는 현상을 실시간으로 검지하는데 성공하였다.
기존의 형광표지를 이용한 검지방법들과는 달리, 마이크로 캔틸레버의 공진특성을 이용하게 되면 펩타이드가 가수분해된 양의 정량화가 가능하고, 이를 통해 효소의 활성도를 판단하는데 매우 효과적임을 밝혔다.
또한 실제 암세포를 대상으로 수행된 실험을 통해 정상세포와 구별이 됨뿐만 아니라, 유전자 변형에 의해 돌연변이 효소를 발현하는 세포의 경우도 진단이 가능함을 확인하였다.
이번 연구를 통해 암세포의 조기 암 진단 기술에 새로운 방법을 제시하고, 다양한 암세포간 신호전달 체계 파악 및 암세포 맞춤형 치료의 목적에 있어 혁신적인 기술이 될 것으로 기대한다.



 용  어  설  명

원자힘현미경 (atomic force microscopy)
나노크기의 탐침이 있는 마이크로 캔틸레버를 이용하여, 나노 단위의 샘플 표면을 이미징할 수 있는 장비이다. 캔틸레버를 기본으로 구성된 장비이기 때문에, 단순히 이미징 뿐만 아니라, 캔틸레버를 이용한 생체분자 센싱, 분자간 상호작용 분석 등의 연구에 매우 유용하다.

암세포 전이 (metastasis)
암세포가 일정 수준이상 성장하게 되면, 주변 조직(혈관)을 궤사시키거나 분해하여, 림프액 또는 혈액을 타고 다른 조직 및 장기로 이동하게 된다. 이는 암세포가 정상세포에 비해 주변조직을 와해시키는 능력이 뛰어남을 의미한다.

단백질 가수 분해 (proteolysis)
단백질의 펩티드 결합을 분해하여 아미노산 또는 펩티드를 생성하는 화학반응을 의미한다. 일반적으로 산, 알칼리에 의해, 생리적으로는 단백질가수분해효소에 의해 반응이 촉매된다.

기질금속단백질가수분해효소 (matrix metalloproteinase, MMP)
금속이온에 의해 활성화되는 단백질가수분해효소의 한 종류로서, 세포에서 분비되거나, 세포막에 막단백질 형태로 분포하여 주변조직을 와해시킨다. 따라서 암세포의 경우 표지단백질로 인식되어진다.

캔틸레버(Cantilever)
길이가 100μm(마이크로미터), 폭 10μm, 두께 1μm로 아주 작아 미세한 힘에 의해서도 아래위로 쉽게 휘어지도록 만들어짐

공진(resonance)
특정 진동수를 가진 물체가 같은 진동수의 힘이 외부에서 가해질 때 진폭이 커지면서 에너지가 증가하는 현상

침습(浸濕)성 암세포
스며들 듯 퍼져나가는 암세포

<윤대성 교수>(교신저자)

1. 인적사항
 ○ 소 속 : 연세대학교 의공학부
 
2. 학력
○ 1996     한국과학기술원 재료공학과 공학박사
○ 1991     연세대학교 세라믹공학과 공학사
 
3. 경력사항
- 2010.03 - 현 재 : 연세대학교 보건과학대학 의공학부 교수
- 2009.03 - 현 재 : BK21 의료공학신기술사업단 사업단장
- 2008.08 - 현 재 : 연세대학교 의료공학교육센터 센터장
- 2009.01 - 현 재 : 한국바이오칩학회 홍보이사
- 2006.04 - 2009.12 : 한국바이오칩학회 학술/교육, 기획이사
- 2003.08 - 현 재 : 산업자원부 전자부품개발사업 평가위원
- 2003.08 - 2007.02 : 한국과학기술연구원 선임연구원
- 1995.09 - 2003.08 : 삼성전자 종합기술원 책임연구원
- 1999.06 - 2000.08 : 펜실베니아 대학교 박사후 연구원

<권태윤 교수>(교신저자)

1. 인적사항
 ○ 소 속 : 연세대학교 의공학부

2. 학력 및 경력
 - 2009-현재 : 연세대학교 의공학부 연구교수
 - 2008-2009 : 매사추세츠 공과 대학 (MIT) 박사후 연구원
 - 2007-2008 : 고려대학교 기계공학과 박사후 연구원
 - 2002-2007 : 한국과학기술연구원 (KIST) 연수생
 - 2001-2007 : 연세대학교 신소재공학과 박사

<엄길호 교수>(공동 제1저자)

1. 인적사항

 ○ 소 속 : 연세대학교 의공학부

2. 학력
 ○ 2005    Univ. of Texas at Austin 응용역학 박사
 ○ 2003    Univ. of Texas at Austin 응용역학 석사
 ○ 2000    한국항공대학교 항공우주공학 학사
                  
3. 경력사항
 - 2011.12 - 현 재 : 프라운호퍼·연세대 공동연구센터, 연구교수
 - 2011.07 - 현 재 : ISRN Computational Mathematics 저널 편집위원  
 - 2008.11 - 2011.11 : 고려대학교 기계공학과 연구교수
 - 2008.03 - 2008.10 : 한국과학기술연구원(KIST) 선임연구원
 - 2005.09 - 2008.02 : 한국과학기술연구원(KIST) 연구원

<이규도 박사과정>(공동 제1저자)

1. 인적사항
 ○ 소 속 : 연세대학교 의공학부
 
2. 학력
 ○ 2008 ? 현재    연세대학교 의공학과 석·박사 통합과정
 ○ 2004 ? 2008    연세대학교 의공학과 학사

 

posted by 글쓴이 과학이야기

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  1. 이런 분야 연구하시는 분들 신기신기! 대단합니다.^^

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