살아있는 B세포만 골라내는 형광분자 개발-세포 식별의 새 도구… 세포막 차이로 혈액 속 원하는 세포만 선별

살아있는 B세포만 골라내는 형광분자 개발-세포 식별의 새 도구… 세포막 차이로 혈액 속 원하는 세포만 선별

보도일 2021-04-19 09:27 연구단명 복잡계 자기조립 연구단

 

 

살아있는 B세포만 골라내는 형광분자 개발

- 세포 식별의 새 도구… 세포막 차이로 혈액 속 원하는 세포만 선별 -

 

기초과학연구원(IBS) 복잡계 자기조립 연구단 장영태 부연구단장(POSTECH 화학과 교수) 연구팀은 세포막 지질의 특성만을 이용해 살아있는 B세포를 식별할 수 있는 새로운 형광분자 ‘CDgB’를 개발했다.

혈액은 혈장, 적혈구, 백혈구, 혈소판으로 이루어지며, 여기에는 독특한 기능과 특성을 가진 세포들이 모여 있다. 혈액에 존재하는 각 세포를 식별하는 것은 인체 기능 이해에 필수적이다. 특히 백혈구의 25%를 차지하는 림프구에는 T세포, B세포, NK세포 등 면역을 담당하는 세포들이 있어 더욱 중요하다. 

혈액 세포 식별에는 항체가 주로 사용된다. 세포가 가진 고유의 바이오마커(생체표지자) 단백질이나 DNA, RNA, 대사 물질 등을 이용해 몸 안의 변화를 알아낼 수 있는 지표.

와 항체의 결합을 통해 세포를 식별한다. 하지만 세포를 고정하거나 죽인 후 항체를 도입하므로 살아있는 상태에서 세포를 식별하기 어렵다는 한계가 있었다. 이 때문에 최근에는 세포를 투과할 수 있는 작은 크기의 형광 분자들을 이용해 세포를 식별하는 방식이 주로 사용되고 있다.

면역세포 중 B세포 B세포는 바이러스, 세균 등 외부 항원이 들어왔을 때 항체를 분비하여 항원의 활성을 저해한다.

와 T세포 T세포는 항원이 들어왔을 때 사이토카인(cytokine)과 같은 특정 물질을 분비하거나 병원체에 감염된 세포들을 죽이는 역할을 한다. 

는 체내에서 서로 다른 역할을 한다. 특히 면역치료 및 세포의 이상을 조기에 파악하려면 두 세포의 구분이 필수적이다. 그런데 두 세포는 크기와 모양 등의 물리적 특성이 유사하여, 지금까지는 항체의 도움 없이 형광 분자만으로 구별이 어려웠다. 

IBS 복잡계 자기조립 연구단은 단백질, 탄수화물 등 기존 바이오마커가 아닌 세포 자체의 차이를 이용해 세포를 식별하자는 아이디어를 냈다. 우선, 생쥐의 비장에서 B세포와 T세포를 분리한 뒤, 1만 개의 형광분자를 도입했다. 그중, 세포막에서 B세포만을 선택적으로 염색하는 형광분자를 발견하고, 이를 CDgB라 명명했다.

공동 제1저자인 권화영 선임연구원은 “소수성인 CDgB는 체내와 같은 수성 매체에서 100nm 이하 크기의 나노 응집체를 형성한다”며 “나노 응집체 상태에서는 형광을 밝히지 않지만, 세포막에 융합되어 B세포와 결합하면 형광이 켜지는 원리”라고 설명했다.

연구진은 CDgB가 세포막 지질의 길이 차이를 통해 B세포와 T세포를 구분할 것으로 예측하고, 이를 실험으로 증명했다. B세포의 세포막은 T세포보다 지질의 길이가 상대적으로 짧고, 콜레스테롤의 함량이 낮아 더 유연하다. 실제로 골수세포에 CDgB를 적용하자, 세포막의 유연성에 따라 형광의 세기가 다르게 나타나는 것을 확인했다. 세포막이 부드러운 분화 초기 단계인 B세포에 CDgB를 적용하면 강한 형광 빛을 내지만, 상대적으로 덜 유연한 성숙한 B세포에서는 약한 형광 빛을 낸 것이다. 요컨대 CDgB가 형광 세기를 토대로 세포를 식별하고, 세포막의 변화를 추적할 수 있는 도구임을 확인했다.

이후 연구진은 더 강한 형광을 통해 명확히 B세포를 구분할 수 있도록 CDgB를 개선했다. CDgB는 탄소분자가 길게 연결된 ‘탄소꼬리’를 가지는데, 이 꼬리의 길이에 따라 형광의 세기가 달라진다. 분석결과, 탄소 16~18개가 연결된 CDgB 유사체가 높은 B세포 선별성을 가짐을 확인했다.

공동 교신저자인 장영태 부연구단장은 “이번 연구로 항체 기반 식별 기술을 대체하여 살아있는 상태에서 세포를 식별할 수 있는 새로운 도구를 개발했다”며 “향후 CDgB는 형광 세기를 토대로 세포의 이상을 파악하고 질병을 조기에 예측하는 도구로 발전할 수 있을 것”이라고 말했다.

연구결과는 4월 9일(한국시간) 화학분야 권위지인 미국화학회지(JACS‧Journal of American Chemical Society, IF 14.612) 온라인 판에 게재됐다.

 

[붙임] 1. 연구추가설명 2. 그림설명  3. 연구진 이력사항

 

연 구 추 가 설 명

 

 

 

논문명/저널

Lipid Oriented Live-Cell Distinction of B and T Lymphocytes / JACS

저자정보

Haw-Young Kwon, Raj Kumar Das, Gun Tae Jung, Hong-Guen Lee, Sun Hyeok Lee, Stuart N. Berry, Justin Kok Soon Tan, Solip Park, Jae-Seong Yang, Soohyun Park, Kangkyun Baek, Kyeng Min Park, Jae Won Lee, Yun-Kyu Choi, Ki Hean KIM, Sangho Kim, Kwang Pyo Kim, Nam-Young Kang, Kimoon Kim and Young-Tae Chang

연구이야기

[연구배경] 우리 몸은 다양한 세포 유형으로 구성돼 있으며, 각 세포간의 조직적인 협력은 전체 유기체가 건강한 상태를 유지하는 데 필수적이다. 인체를 완전히 이해하기 위해서는 다양한 세포 유형을 각각 식별하고, 상호 작용을 파악하는 것이 중요하다. 일반적으로 다양한 세포가 고유한 바이오 마커를 발현할 수 있다는 가정 하에, 이를 기반으로 항체를 사용하여 다양한 세포 유형을 구별하고 있다. 하지만 항체가 투과되도록 전처리가 필요하기 때문에 살아있는 세포를 식별하기는 어려웠다. 대안으로 세포 투과성을 갖는 작은 크기의 형광 분자를 이용하는 방식이 대두됐다. 하지만 물리적 특징이 매우 유사한 T세포와 B세포의 경우 항체 없이 형광 분자만을 이용해 구분하기 어려웠다. 이 때문에 우리 연구진은 T세포와 B세포를 살아있는 상태에서 구분할 수 있는 형광물질 개발을 위한 연구를 시작했다.

 

[연구과정] 우리 연구진은 생쥐의 비장으로부터 T세포와 B세포를 채취한 뒤, 10,000개의 형광분자를 스크리닝해가며 B세포만 선택적으로 염색할 수 있는 새로운 형광분자를 발견했다. 이렇게 발견된 CDgB는 항체의 도움 없이도 살아있는 B세포를 식별할 수 있다. 

연구진은 CDgB의 식별 기능이 세포막 유연성과 관계한다는 가설을 제안했다. 이후 CDgB를 사용하여 골수에서 조혈모 세포부터 림프구로의 발달 단계를 모니터링 한 결과, 상대적으로 유연한 B세포의 전구세포는 밝게 염색하고, 성숙한 B세포는 덜 밝게 염색하는 것을 확인했다. CDgB 형광 세기를 토대로 세포막 지질의 상태를 파악할 수 있다는 의미다.

 

[향후 연구계획] 이번 연구는 CDgB 개발을 통해 항체를 대체하는 새로운 세포 식별 도구를 개발한 데 있다. 더 나아가, 단백질이나 탄수화물이 아닌 지질로 세포를 식별할 수 있음을 새롭게 제시했다. 이번 연구를 토대로 연구진은 정상 B세포와 B세포 관련 혈액암 세포 등의 세포막 유연성 차이를 연구하고, CDgB 등 형광물질 토대로 세포의 이상을 파악하여 질병을 조기에 예측할 수 있는 도구를 개발하기 위한 연구를 지속할 계획이다.

 

 

그   림   설   명

 

 

[그림 1] B세포를 선택적으로 염색하는 형광분자, CDgB의 개발

연구진은 생쥐의 비장에서 T세포와 B세포를 채취한 뒤, 1만 여개의 형광 분자를 적용해 B세포만 선택적으로 염색할 수 있는 물질을 찾아냈다(A). B의 맨 왼쪽 그림처럼 CDgB는 T세포를 식별하진 못하지만, B세포와 결합하면 초록색 형광을 내는 것을 확인할 수 있다. 

 

 

[그림 2] CDgB의 구조와 형광 발현 메커니즘

CDgB는 탄소 분자가 길게 연결된 ‘탄소 꼬리’를 가지고 있다(a). 소수성인 CDgB는 소수성으로 수성 매체에서 100nm 이하 크기의 나노응집체를 형성한다. 이 나노 응집체가 세포막에 융합되면 형광이 켜지는 원리다(b).

 

연구진 이력사항

 

<장영태 IBS 복잡계 자기조립 연구단 부연구단장, 공동 교신저자>

 

1. 인적사항

○ 소 속 : IBS 복잡계 자기조립 연구단

○ 전 화 : 054-279-2101

 

 

 

 

 

 

2. 경력사항

○ 2017 – 현재 기초과학연구원 (IBS) 복잡계자기조립연구단 부연구단장 

○ 2017 – 현재 포스텍 교수

○ 2007 – 2017 Lab Head, Singapore Bioimaging Consortium

○ 2007 – 2017 National University of Singapore, 부교수-교수

○ 2000 – 2007 New York University, 조교수-부교수  

○ 1999 – 2000 Post-doctoral Research Fellow, Scripps 

○ 1997 – 1999 Post-doctoral Research Fellow, UC Berkeley

 

<권화영 IBS 복잡계 자기조립 연구단 선임연구원, 공동 제1저자>

 

1. 인적사항

○ 소 속 : IBS 복잡계 자기조립 연구단    

 

 

 

 

 

 

 

 

2. 경력사항  

○ 2017 – 현재 선임연구원, 기초과학연구원 (IBS) 복잡계자기조립연구단 

○ 2013 – 2017 Post-doctoral Research Fellow, National University of Singapore