IBS 연구팀, 나노입자 활용한 ‘엠큐브 센서’ 개발
압력 급등하면 암세포 산화스트레스·이동성 증가

압력이 가해지는 속도가 암세포의 전이성에 미치는 영향을 나타낸 모식도. 기초과학연구원

암 조직 내부에 쌓이는 압력의 변화를 자기공명영상(MRI)으로 측정해 암세포의 전이와 관련된 변화를 추적하는 기술이 개발됐다. 

종양 내부의 압력이 급격히 높아질 때 암세포의 이동성과 침습성이 커질 수 있다는 사실도 확인돼 암 전이 과정을 이해하는 데 새로운 단서가 될 것으로 기대된다.

기초과학연구원(IBS)은 나노의학 연구단의 천진우 단장(연세대 언더우드 특훈교수)과 전영욱 교수(미국 캘리포니아대 샌프란시스코캠퍼스·UCSF) 연구팀이 MRI로 종양 내부의 압력을 측정하는 ‘엠큐브(M3·mechanoMR microparticle) 센서’를 개발했다고 13일 밝혔다.

연구팀은 이 센서를 이용해 암세포에 가해지는 압력의 변화 속도가 암세포의 전이 관련 특성에 영향을 줄 수 있음을 밝혀냈다.

기존에는 암 조직의 압력을 측정할 때 빛을 이용한 센서나 현미경을 주로 활용했다. 하지만 빛이 깊숙이 도달하기 어려운 조직이나 살아 있는 동물의 종양을 장기간 관찰하는 데 한계가 있었다. 연구팀은 MRI를 활용해 종양 내부의 특정 부위에서 일어나는 압력 변화를 추적하는 방식으로 이러한 한계를 보완했다.

엠큐브 센서. 기초과학연구원

엠큐브 센서는 생체에 사용할 수 있는 알지네이트 하이드로젤에 자성 나노입자를 넣은 구조다. 외부 압력으로 하이드로젤이 수축하면 주변 물 분자의 환경이 달라지고, 이에 따라 MRI 신호가 변한다.

 연구팀은 이 신호 변화를 분석해 암 생물학적으로 중요한 압력 범위인 1~15킬로파스칼(kPa)에서 종양 내부의 압력 스트레스를 측정했다.

연구팀은 종양의 특성을 모사한 3차원 세포 배양체인 종양 오가노이드와 동물 모델을 이용해 압력 변화에 따른 암세포의 반응을 관찰했다.

그 결과 압력이 서서히 증가할 때는 암세포에서 뚜렷한 변화가 나타나지 않았지만, 압력이 급격히 높아지면 암세포의 반응이 달라지는 것으로 나타났다.

급격한 압력 증가에 노출된 암세포에서는 산화스트레스가 강하게 발생하고, 물리적 자극에 반응하는 신호 전달 경로인 YAP/TAZ의 활성이 증가했다.

엠큐브 센서로 추적한 종양 내부의 압력 스트레스와 암세포 전이 성향 변화. 기초과학연구원

이와 함께 세포 간 연결이 느슨해지고 세포의 이동성과 주변 조직을 침범하는 능력이 높아지는 상피-간엽 전이(EMT) 과정도 촉진됐다. 

이는 종양 내부에 압력이 빠르게 축적되는 환경이 암세포를 전이에 유리한 상태로 변화시킬 수 있음을 보여준다고 연구팀은 설명했다.

천 단장은 “이번 연구는 살아 있는 종양의 ‘보이지 않는 힘’을 MRI로 추적하고, 암세포에 작용하는 압력 스트레스의 변화가 전이 성향과 밀접하게 연결돼 있음을 밝혀낸 연구”라고 밝혔다.

그러면서 “향후 엠큐브 센서는 암 전이뿐 아니라 조직 재생, 염증, 섬유화 등 다양한 생명현상에서 물리적 힘의 역할을 밝히는 데 활용될 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.

이번 연구 결과는 국제학술지 ‘네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology)’에 9월 28일 게재됐다.

이승구 온라인뉴스 기자 [e-mail]