KAIST, 기존보다 9배 이상 증폭한 형광 신호 기술 개발

▲형광 분자가 표지 된 상보적인 항체의 반복적인 라벨링을 통한 형광 신호 증폭 기술을 보여주는 모식도(위)와 프랙탈 기술 모식도(아래). (사진제공=한국과학기술원)

한국과학기술원(KAIST)은 신소재공학과 장재범 교수 연구팀이 암 진단에 필요한 새로운 형광 신호 증폭 기술을 개발했다고 17일 밝혔다.

최근 3D 전체 조직 영상화(이미징)를 가능하게 하는 생체조직 팽창 기술(ExM) 및 투명화 기술은 복잡한 세포 간 상호작용과 역할을 밝혀내는 핵심적인 역할을 한다. 큰 부피 내부의 세포 변화를 관찰하기 위해서는 약한 형광 신호를 증폭해 높은 이미지 처리량을 갖는 기술이 필요하다.

지금까지 신호 증폭 기술은 다양한 화학 반응으로 개발됐다. 하지만 단일 화학 반응을 이용하기 때문에 다중 표지 신호 증폭 영상화를 위해서는 단일 신호 증폭과 비활성화 과정을 채널별로 반복해야 하는 단점이 있다. 유전자(DNA) 기반의 신호 증폭 기법은 서로 다른 항체에 대한 유전 물질 분자 결합의 최적화 과정이 필요해 일반적인 생물 실험실에서 사용이 어렵다.

연구팀은 현재 상용화돼 있는 형광 분자가 표지된 항체를 사용해 추가적인 최적화 과정이 필요 없는 신호 증폭 기술에 주목했다. 그 결과 프랙탈(FRACTAL)이라는 새로운 신호 증폭 기술을 개발했다. 이 기술은 신호 증폭을 위해 특수한 화학 물질을 필요로 하지 않으며, 형광 분자가 표지된 2차 항체의 반복적인 염색을 통해 형광 신호를 증폭시킨다.

예를 들어 토끼의 1차 항체를 사용하고 당나귀의 항-토끼 2차 항체를 첫 번째 2차 항체로 사용했다면 토끼의 항-당나귀 2차 항체를 두 번째 2차 항체로 사용하게 된다. 두 번째 2차 항체에는 첫 번째 2차 항체가 결합하게 되고 그 반대의 경우로도 결합해 염색을 이어나가게 된다.

이 과정의 반복을 통해 연구팀은 기존 형광 신호를 9배 이상 증폭시켰으며, 이는 같은 밝기를 얻는 데 필요한 영상화 시간을 9배 이상 줄일 수 있다는 결과를 얻었다.

장재범 교수는 “이 기술이 환자 생체 검사 조직 내부에서 매우 중요하지만 낮은 수준으로 발현되는 바이오마커들을 정확하게 이미징 할 수 있게 해주기 때문에, 암 진단 및 면역 항암제 반응률 예측 등에 큰 도움이 될 것으로 기대한다”고 말했다.

연구 결과는 국제 학술지인 영국왕립화학회(Royal Society of Chemistry)의 나노스케일(Nanoscale) 11월 13일 자에 게재됐다.