극미량의 체액만으로도 간단하게 암을 진단할 수 있는 기술이 개발됐다. 기초과학연구원(IBS, 원장 김두철) 첨단연성물질 연구단(단장 스티브 그래닉) 조윤경 그룹리더(UNIST 생명과학부 교수) 팀은 혈장¹⁾에서 세포 정보가 담긴 나노소포체²⁾를 포획해 암을 진단하는‘혈소판 칩’을 개발했다.

우리 몸속 수많은 세포들은 나노소포체(Extracellular Vesicles, EVs)를 주고받으며 서로 소통한다. 세포에겐 나노소포체가 자신의 소식을 전하는 일종의 편지인 셈이다. 이 때문에 암세포가 배출한 나노소포체를 분석해 암의 발생 및 전이를 진단하기 위한 연구들이 이뤄졌지만, 수많은 나노소포체 가운데 암세포 유래 나노소포체만을 선택적으로 분리하는 데는 한계가 있었다.

연구진은 이 문제를 해결하기 위해 암세포의 긴밀한 조력자인 혈소판에 주목했다. 암세포는 정체를 숨기기 위해 혈소판에 둘러싸인 형태로 혈액을 통해 다른 곳으로 이동한다. 또한 전이될 곳에 달라붙는 과정에도 혈소판이 도움을 준다고 알려져 있다. 암세포 나노소포체와 혈소판이 특별한 상호작용을 한다는 점에 착안해, 연구진은 혈소판 막을 이용해 암세포 유래 나노소포체를 쉽게 포획할 수 있는 진단 시스템을 고안했다.

우선 연구진은 미세유체칩³⁾ 안에 혈소판 세포막을 바닥에 고정한 형태의 ‘혈소판 칩’을 제작했다. 체내에서 혈소판과 긴밀한 상호작용을 하던 암세포는 혈소판 칩의 표면에도 결합하기 때문에 암세포에서 유래한 나노소포체만을 선택적으로 검출해낼 수 있는 것이 원리다.

1저자인 수밋 쿠마르(Sumit Kumar) 연구위원은 “지금까지 개발된 대부분의 나노소포체 기반 암 진단 기술은 해당 암에 특이적인 항체⁴⁾를 반응시켜 나노소포체를 검출하는 원리였다”며 “하나의 질병에 하나씩 대응하는 항체 기반 진단 기술과 달리 혈소판 칩은 여러 종류의 암을 진단 가능하다는 장점이 있다”고 말했다.

이후 연구진은 개발한 혈소판 칩을 이용한 암 진단 실험을 진행했다. 암환자와 건강한 사람의 혈장 1µL(마이크로리터)를 혈소판 칩에 주입한 결과, 정상인에 비해 암환자의 혈장에서 다량의 나노소포체가 검출됨을 확인했다. 한편, 전이암세포 실험에서는 비전이암세포 실험보다도 더 많은 나노소포체가 검출됐다. 혈소판 칩에 검출된 나노소포체의 양을 토대로 암 발생 및 전이여부를 진단할 수 있음을 제안한 것이다.

이번 연구는 암세포의 거동에 대한 기초연구를 토대로 새로운 진단법을 개발했다는 의미가 있다. 채취한 시료에서 나노소포체를 분리·농축해야 했던 기존 기술과 달리 별도의 전처리 과정이 필요 없고, 항체 이용 방법보다 특이성, 민감성이 뛰어나 기존의 암 진단연구를 보완할 것으로 기대된다.

조윤경 그룹리더는 “체내의 혈소판-암세포 친화력을 모방해, 암세포에서 나온 나노소포체를 검출했다는 점에서 의미가 있다”며“이는 복잡한 처리 없이 혈장을 그대로 이용했음에도 불구하고 극소량 샘플로부터 암세포 유래 나노소포체를 검출했다”고 말했다.

이번 연구결과는 국제 학술지 어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional materials, IF 13.325)에 5월 27일자 표지 논문으로 게재됐다.

그림설명

▲ 그림 1. 나노소포체 검출 및 시각화 실험 개략도혈소판 막 표면(platelet membrane-cloaked surface, PMS)에는 암세포 유래 EVs에 강한 친화성을 갖는 인간 혈소판 유래 세포막 단백질을 포함 하고 있다. 항체가 결합된 플라즈모닉 암호화된 나노 프로브를 반응 챔버에 직접 주입하고 암시야 현미경(DFM)으로 모니터링 하였다.

▲ 그림 2. 혈소판 칩 성능과 암환자 대조군 비교이산화티타늄(TiO₂) (a) 혈소판 멤브레인에 전립선암세포 (LNCaP) 유래 나노소포체를 반응시킨 후 얻은 대표적인 주사전자현미경 이미지. (b) 혈소판칩이 검출한 나노소포체 농도. 왼쪽부터 유방 정상세포 (MCF 10A), 폐암 (A549), 방광암 (T24), 비전이성 유방암 (MCF-7) 및 전이성 유방암(MDA-MB-231) 순서다. (c) 혈소판 칩에 정상 세포 (CCD-1058Sk)로부터 유래된 나노소포체 이미지. (d) 혈소판 칩에 전립선암세포 (LNCaP) 유래 나노소포체 이미지.

▲ 그림 3. 혈소판 칩을 활용한 나노소포체 분석(a) 암세포가 커질수록 혈액 내 나노소포체 수가 증가함을 보여주는 모식도. (d) 혈소판 칩을 활용한 전립선 암 환자 (PC) 및 건강한 대조군 (HC) 유래 혈장 샘플의 플라즈모닉 반응 비교.

▲ 그림 4. 실험에 사용된 혈소판 칩 사진통로가 넓고 얇은 칩 바닥에 혈소판 막을 고정시키고, 그 위에 색소 섞인 물을 흘려보냈다.