연세대학교 생명공학과 조승우 교수 연구팀은 고등과학원 천진우 원장(화학과, IBS 나노의학연구단장) 연구팀 및 캘리포니아공과대학(Caltech)의 미카엘 샤피로(Mikhail G. Shapiro) 교수 연구팀과 공동으로, 인체 조직의 경화도를 초음파로 정확하게 탐지해 질병 진단이 가능한 새로운 나노 기술을 개발하고 이에 대한 검증을 수행하였다.

현대 고령사회에서 빈번하게 발생하는 인체 조직의 섬유화증은 장기가 딱딱하게 굳는 질환이다. 폐 섬유화, 간경화증, 동맥경화, 암 등 다양한 질병에서 나타나며, 발견이 늦으면 생명을 위협하는 치명적인 질병이다. 무엇보다 근본적 치료제가 없어 조기진단이 매우 중요하다. 하지만 현재로서는 조직 검사 외에 조직의 경화도 측정 및 발병 여부를 정확히 확인하는 것은 쉽지 않다. 초음파는 체외에서 인체 조직 내부를 손쉽게 들여다볼 수 있는 대표적인 비침습적 의학 기술의 하나이지만, 조직 경화 상태를 정확히 볼 수가 없어, 새로운 기술 개발이 절실한 상태이다.

개발한 나노 자성-버블(magneto-gas vesicle, MGV)은 가스로 채워진 단백질에 자성나노입자가 결합된 나노 구조체로서 생체 조직과 상이한 물성에 의한 음파 산란을 통해 고성능 초음파 조영제로 작용한다. 특히, 나노 자성-버블은 적은 자기장에도 진동이 강한 음파 산란을 발생시켜 기존보다 최소 4~8배 더 밝고 정밀한 초음파 영상을 구현한다. 자기장에 의한 나노 자성-버블의 진동성은 주변 조직의 강도에 따라 변화한다. 따라서 기존의 초음파 기술로는 측정이 어려웠던 생체 조직의 경화도를 의학적으로 중요한 압력 범위(50Pa~5kPa)에서 뛰어난 민감도로 측정할 수 있다. 또한 나노 자성-버블 표면은 높은 생체적합성을 갖도록 개선돼 체내에서 부작용이 없이 생체 조직의 경화도 변화를 장기간 추적할 수 있다는 장점이 있다.

조승우 교수 연구팀은 오가노이드를 활용하여 개발된 물질의 생체 응용 가능성을 검증하는 실험을 진행하였다. ‘미니 장기’라고 불리는 오가노이드는 인체 장기의 세포 구성과 기능을 모사할 수 있어, 차세대 체외 모델로서 각광받는 기술이다. 이번 연구에서는 폐 및 간 오가노이드에 섬유화를 유도하였고, 이에 따른 조직 경화의 진행을 초음파로 실시간 측정할 수 있음을 검증하였다. 이 때, 나노 자성-버블은 폐 오가노이드 안쪽에 미세주입하는 방식을 통해 도입되었으며, 간 오가노이드는 오가노이드 제작용 하이드로겔에 섞어주는 식으로 도입되었다. 또한, 섬유증 치료제의 효과를 확인함으로써 나노 자성-버블로 처리된 오가노이드 모델이 약물 평가 플랫폼으로 활용될 수 있음을 확인하였다. 마지막으로, 나노 자성-버블을 활용해 살아있는 생쥐의 조직 경직화와 간 섬유화 발병을 비침습적으로 진단하는데 성공했다.

본 연구 결과는 세계적인 학술지 ‘네이처 머티리얼스(Nature Materials, IF 41.2)’에 10월 17일(한국시간) 게재되었으며, IBS 나노의학 연구단 연구원 김휘수 박사와 연세대학교 생명공학과 민성진 박사가 공동 제1저자로, 천진우 원장, 미카엘 샤피로 교수, 조승우 교수가 공동 교신저자로 참여했다.

논문제목: Magneto-acoustic protein nanostructures for non-invasive imaging of tissue mechanics in vivo

논문주소: https://doi.org/10.1038/s41563-023-01688-w

[연구자 사진; (왼쪽부터) 고등과학원 천진우 원장, 캘리포니아공과대학 미카엘 샤피로 교수, 생명공학과 조승우 교수]

 [논문의 주요 내용 그림; 나노 자성-버블 모식도 및 이를 적용한 비침습적 조직 검사 실험 예]