홀로그래피·인공지능으로 질환 연구한다
홀로그래피·인공지능으로 질환 연구한다
  • 함예솔
  • 승인 2020.03.07 16:50
  • 조회수 954
  • 댓글 0
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요약

 

홀로그래피ㆍ인공지능 기술로 질환 연구의 새로운 길이 열렸습니다. 인공지능(AI) 기반 3차원 홀로그래피 기술로 특정 세포를 인식하고 세포의 굴절률을 측정해 세포 내 특정물질의 양을 분석할 수 있는 기술을 개발했습니다. 이는 향후 현대인의 과도한 지방섭취 식습관과 운동부족으로 과다 축적되는 지방이 야기하는 퇴행성 질환들을 더 깊게 이해하고 신규 치료제 및 표적 나노약물 개발을 위한 새로운 전략을 세우는 데 이번 연구가 도움이 될 것으로 기대됩니다.

홀로그래피와 인공지능 기술로 질환 연구! 출처: AdobeStock
홀로그래피와 인공지능 기술로 질환 연구! 출처: AdobeStock

한국기초과학지원연구원(KBSI) 광주센터 이성수 박사 연구팀과 중앙대학교 시스템생명공학과 박경순 교수 연구팀은 인공지능(AI) 기반 3차원 홀로그래피 기술로 특정 세포를 인식하고 세포의 굴절률을 측정해 세포 내 특정물질의 양을 분석할 수 있는 기술을 개발했습니다. 또한, 기술의 적용 사례로써 거품세포(Foam Cell)의 분화 과정에 따른 지질방울(Lipid droplet)의 변화를 정량적으로 분석했습니다. 새로 개발된 분석기술은 3D 홀로그래피 현미경 장비를 활용했습니다. 

ACS Nano (2020.2) 속표지(Supplementary Journal Cover) 이미지.  출처: KBSI
ACS Nano (2020.2) 속표지(Supplementary Journal Cover) 이미지. 출처: KBSI

염색 등 전처리 과정 없이 생체와 유사한 상태의 세포를 관찰하며 실시간으로 내부 물질의 양적 변화도 측정할 수 있는 분석 기술로 향후 질환에 대한 이해와 치료제 개발 등 관련 분야에서의 연구에 폭넓게 활용될 것으로 기대됩니다. 해당 연구는 <ACS Nano>에 게재됐습니다. 

  •  거품세포(Foam Cell) 

동맥 내에 있는 대식세포(침입한 세균 등을 포식하는 면역세포의 일종으로 혈관 내 지방성 침전물을 제거하는 역할도 함)내에 과도하게 지방이 쌓이면 거품세포로 분화하게 되는데 이렇게 만들어진 거품세포는 혈관 내에서 만성염증을 유발하는 등 동맥경화의 원인이 됩니다.

인공지능과 3차원 홀로그래피 기술을 응용해 세포 분석

 

세포 내 물질을 정량적으로 분석하는 기존 방법은 세포 내에 침투하는 염색약을 이용하는 것으로 화학물질인 염색약이 세포에 미치는 각종 영향과 유해성이 분석의 정확성을 떨어뜨릴 수 있다는 이슈가 지속적으로 제기돼 왔습니다. 이번에 공동 연구팀이 개발한 인공지능(AI) 기반 3차원 홀로그래피 기술을 응용하면 별도의 전처리 과정 없이 살아있는 세포 내부 물질을 정량화 할 수 있었습니다. 이를 통해 생체 내에서와 유사한 상태의 세포를 분석하게되므로 보다 정확한 정보를 얻을 수 있었습니다. 참고로 홀로그래피는 분석시료에서 빛의 진폭, 위상(phase), 간섭 등의 정보를 취합해 컴퓨터 연산을 통해 영상의 형태로 빛의 분포를 재구성·재현해내는 기술을 말합니다. 

굴절률 분석을 통한 대식세포 및 거품세포의 2차원, 3차원 구조. 출처: KBSI
굴절률 분석을 통한 대식세포 및 거품세포의 2차원, 3차원 구조. 출처: KBSI

KBSI 이성수 박사 연구팀은 이번에 개발한 분석기술을 활용해 인공지능으로 세포를 식별하고 24시간 동안 관찰했습니다. 단일 세포 수준에서 대식세포(Macrophage)와 거품세포의 빛에 대한 굴절률, 부피, 세포 내 지질방울 개수 등을 분석했습니다. 특히, 대식세포가 과도하게 쌓인 지방에 의해 거품세포로 분화하는 과정을 3D 홀로그래피 현미경으로 관찰하며 대식세포 내의 지질방울(Lipid droplet)의 양적 변화를 분석했습니다.

거품세포 및 살아있는 세포(대조군)에 대한 약물 처리 후 지질방울의 24시간 정량적 변화를 통한 약물 효과 검증. 출처: KBSI
거품세포 및 살아있는 세포(대조군)에 대한 약물 처리 후 지질방울의 24시간 정량적 변화를 통한 약물 효과 검증. 출처: KBSI

중앙대학교 박경순 교수팀은 거품세포에 특이적으로 결합해 세포 내에 직접 작용하는 표적 나노 약물을 개발했습니다. 이 약물은 거품세포에 작용해 콜레스테롤을 세포 밖으로 배출시키는 역할을 함으로써 지질방울이 과다하게 축적되지 못하게 합니다.

상단 오른쪽부터 제1저자 KBSI 박상우 박사후연구원, 중앙대 안재원 박사과정 대학원생, KAIST 조영주 학부생. 하단 오른쪽이 (교신저자) KBSI 이성수 책임연구원, 왼쪽이 중앙대 박경순 교수. 출처: KBSI
상단 오른쪽부터 제1저자 KBSI 박상우 박사후연구원, 중앙대 안재원 박사과정 대학원생, KAIST 조영주 학부생. 하단 오른쪽이 (교신저자) KBSI 이성수 책임연구원, 왼쪽이 중앙대 박경순 교수. 출처: KBSI

공동 교신저자인 KBSI 이성수 박사와 중앙대 박경순 교수는 "현대인의 과도한 지방섭취 식습관과 운동부족으로 과다 축적되는 지방이 야기하는 퇴행성 질환들을 더 깊게 이해하고 신규 치료제 및 표적 나노약물 개발을 위한 새로운 전략을 세우는 데 이번 연구가 도움이 될 것"이라고 밝혔습니다.


##참고자료##

 

 


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