Research

화공 차형준 교수팀, 홍합단백질을 심장에 ‘착’… 통증 없이 심근경색 치료한다

[차형준 교수팀, 홍합접착소재 기반의 조직재생용 마이크로니들 패치 개발] [미세 채널로 심근경색 부위에 펩타이드 전달해 손상된 심근벽 재생] 환자는 질환뿐만 아니라 여러 고통과 싸워야 한다. 특히 중증 환자일수록 통증이 심한 주사를 수차례 맞아야 하는 부담이 있다. 이러한 부담을 덜 수 있는 길이 열렸다. 최근 국내 연구진이 홍합단백질을 이용해 심장조직에 붙이기만 하면 되는 심근경색 치료제를 개발한 것이다. 화학공학과 차형준 교수는 화학공학과 임수미 석사, 박태윤 박사, 전은영 박사(현 미국 컬럼비아대학교 박사) 연구팀은 몸속 성장인자(growth factor)와 세포외 기질(extracellular matrix) 유래의 기능성 펩타이드를 포함한 새로운 홍합접착단백질을 개발했다. 성장인자란 세포의 성장과 분화에 관여하는 단백질을, 세포외 기질이란 세포를 제외한 조직의 나머지 성분을 말한다. 차형준 교수팀은 이 기능성 펩타이드를 손상된 심근 조직에 효과적으로 전달할 수 있도록 심장조직에 붙이는 패치형 주사인 ‘마이크로니들’로 만들었다. 마이크로니들 끝부분에는 기계적 강도가 우수한 실크 피브로인(silk fibroin) 단백질을 더해 동물의 심근 조직 표면에 쉽고 빠르게 침투되도록 했다. 300~800마이크로미터(㎛) 길이의 미세 바늘로 구성된 마이크로니들은 조직 표면을 통과해 유효성분을 전달하는 약물전달시스템이다. 두꺼운 바늘로 찔러야 하는 기존의 주사와 다르게 장기 조직 표면에 부착만 하면 된다는 장점이 있다. 차형준 교수팀은 마이크로니들 기술을 심근경색 치료에 적용하고자 했다. 심근경색이 일어나면 심장의 근육세포와 주변 혈관이 크게 손상되지만, 스스로 재생이 일어나지 않아 손상된 심장근육을 획기적으로 재생시킬 방법이 없었다. 혈관재생을 돕는 성장인자나 약물 등을 심장에 전달해 손상된 조직을 재생시키고자 하는 연구가 진행되고 있지만, 성장인자는 반감기가 매우 짧고, 체내에서 쉽게 사라져 지속적인 물질 주입이 필요했다. 이번 연구에서 차형준 교수팀은 기능성 펩타이드가 들어 있는 홍합접착단백질을 인간 유래 혈관 세포에 처리했을 때, 세포의 증식과 이동이 효과적으로 촉진된다는 사실을 확인했다. 홍합접착단백질 소재의 우수한 접착성과 몸속에서 부풀어오르는 마이크로니들의 성질에 따라, 지속적인 수축 운동이 반복되는 심장조직에서 패치가 견고하게 유지되기도 했다. 기능성 홍합접착단백질은 마이크로니들에 의해 만들어진 미세한 경로를 통해 직접적으로 전달됐다. 이는 손상된 심근 조직에 오랫동안 남아 심근세포의 추가적인 사멸을 방지하고, 근섬유화(fibrosis)를 완화해 손상된 심근벽을 효과적으로 회복시켰다. 차형준 교수는 “한국의 원천소재인 홍합접착단백질을 이용해 실제 심근경색 동물모델에서 기능성 펩타이드를 효과적으로 전달했다”며 “이로써 심근경색 치료제의 가능성을 확인했을 뿐 아니라, 개발한 기술은 비슷한 환경의 조직 재생 치료에도 성공적으로 적용할 수 있을 것”이라고 말했다. 이번 연구 결과는 바이오소재 분야 최고 학술지인 ‘바이오머터리얼스 (Biomaterials)’에 게재됐으며, 보건복지부와 한국보건산업진흥원에서 지원하는 ‘보건의료기술개발사업’, 과학기술정보통신부와 한국연구재단에서 지원하는 ‘나노·미래소재원천기술개발사업’의 일환으로 수행됐다. 한편, 홍합접착단백질 소재 기술은 ㈜네이처글루텍에 기술이전을 완료, 현재 임상시험계획 승인을 거쳐 임상이 추진되고 있다.

기계·화공 노준석 교수팀, ‘2번째 설계자’ AI로 전파와 열 모두 퍼트린다

[노준석 교수, AI 활용 연구 잇달아 발표 효과적으로 전파·열 전달하는 메타 안테나·열 방사체 설계] AI(인공지능)이 연구를 하는 시대가 왔다. 신약 개발, 기상 예측 등 다양한 연구 분야에서 AI는 빠르고 정확하게 데이터를 수집·분석하며 연구의 효율성을 크게 높이고 있다. 나아가 전파와 열을 효과적으로 전달하는 안테나·열 방사체를 설계할 때도 AI의 도움을 받을 수 있게 됐다. 기계공학과·화학공학과 노준석 교수는 각각 기계공학과 석박사통합과정 노재범 씨, 소순애 씨 연구팀과 AI를 활용한 설계 연구 결과를 잇달아 발표했다. 노준석 교수·노재범 씨 연구팀은 AI의 활용 범위를 한층 넓혀, 빛의 모든 성질을 무시하는 인공적인 물질인 ‘메타물질’을 설계했다. 메타물질로 만든 메타 안테나는 일반 안테나에 비해 특이한 반사·투과 성능을 지닌다. 그러나 메타 안테나를 설계하기 위해선 설계자의 직관에 의존해야 해 상당한 시간과 노력이 필요했다. 연구에서 AI는 간단히 메타 안테나의 단위 셀 구조를 찾아냈고, 이를 통해 노준석 교수·노재범 씨 연구팀은 라디오 주파수 영역에서 작동하는 구조체의 설계 방식을 성공적으로 구현했다. 또한 노준석 교수·소순애 씨 연구팀은 열광전지, 적외선 감지·이미징·가열 등 응용 분야에 적용될 수 있는 열 방사체 설계에 AI를 활용했다. AI가 설계한 열 방사체의 평균 제곱 오차(mean squared error)는 0.006 미만이었으며, 방사체의 품질을 의미하는 Q 계수도 최대 109.2로 높게 나타났다. 이 열 방사체는 입사 편광과 상관없이 작동하며, 비교적 넓은 입사 각도까지 우수한 성질을 유지했다. 노준석 교수는 “기존에는 설계에 며칠에서 몇 주가 걸렸으나, AI를 사용하면 수 초 내로 정확한 결과를 도출할 수 있다”며 “뿐만 아니라 AI는 현존하는 최고 성능의 안테나 대비 12% 이상 효율이 높은 안테나 디자인을 찾는 등 사람이 생각하지 못하는 창의적이고 예상치 못한 디자인까지도 제공할 수 있다”고 말했다. 두 논문은 세계적인 광학 분야 학술지 ‘옵티컬 머터리얼스 익스프레스(Optical Materials Express)’에 각각 발표됐다. 노재범 씨 연구팀의 연구는 국방과학연구소(ADD) 미래도전국방기술 연구개발사업, 소순애 씨 연구팀의 연구는 과학기술정보통신부 미래소재디스커버리 사업의 일환으로 수행됐다.

기계·화공 노준석 교수팀, 두 개의 빛으로 정보 유출 꽉 잡는다

[가시광선·적외선에서 동시 작용하는 위조 방지 기술 개발] 가시광선과 적외선 두 개의 다른 파장의 빛을 이용해서 사회의 골칫거리인 정보 유출을 막을 수 있는 길이 열렸다. 빛의 성질을 극단적으로 활용하는 완전히 새로운 물질인 ‘메타표면’을 이용해서다. 이 기술을 사용하면 숨기고 싶은 정보는 따로 저장함으로써 보안을 한층 강화할 수 있다. 기계공학과·화학공학과 노준석 교수, 기계공학과 김인기 박사(현 성균관대학교 생명물리학과 조교수), 기계공학과 석박사통합과정 정헌영 씨, 김주훈 씨 연구팀은 서로 다른 두 개의 메타원자를 이용해 가시광선과 적외선에서 동시에 작용하는 위조 방지 기술을 개발했다. 메타원자란 메타표면의 기본 단위를 일컫는다. 이전까지 대부분의 메타표면 장치는 가시광선이나 적외선 둘 중 하나의 좁은 파장대에서만 동시에 작용한다는 한계가 있었다. 다중 메타홀로그램의 경우에도 정보를 보기 위해선 광학 구성 요소를 추가하거나 별도 설정을 해야 했다. 노준석 교수팀은 서로 다른 재료의 메타원자로 문제를 해결하고자 했다. 구체적으로, 실리콘과 금으로 각각 532나노미터(nm) 가시광선과 980nm 적외선 빛의 위상을 조절하도록 했다. 서로 다른 메타원자는 가시광선과 적외선 모두에서 높은 효율로 각 파장의 홀로그램 이미지를 만들어냈다. 이번에 개발된 메타표면 장치에 가시광선과 적외선 레이저를 비추면 초록색 홀로그램 이미지와 함께, 눈으로 볼 수 없는 적외선 홀로그램 이미지가 나타난다. 여기서 1차 정보는 가시광선 영역의 홀로그램 이미지에서 암호화되고, 2차 정보는 적외선 영역에서 저장된다. 2차 정보는 적외선 센서 카드를 이용하면 눈으로도 볼 수 있다. 이 기술을 사용하면 위조 방지 기술의 보안을 한층 강화할 수 있다. 실리콘과 금 메타원자는 532nm와 980nm 이외에도 다양한 가시광선과 적외선 빛을 조절할 수 있다. 따라서 공개돼야 하는 정보는 가시광선 홀로그램으로, 숨겨야 하는 정보는 적외선 홀로그램으로 나타나게 하면 된다. 즉, 하나의 보안카드를 가지고 이중으로 정보를 지킬 수 있다. 노준석 교수는 “이번 연구에서 두 개의 메타표면으로 가능했던 기술을 실리콘과 금 기반의 메타표면 하나로 할 수 있음을 입증했다”며 “이는 고도화된 위조 방지 기술에 응용 가능하다는 의의가 있다”고 말했다. 한편, 삼성미래기술육성사업의 일환으로 진행된 이번 연구는 세계적인 학술지 ‘어드밴스드 옵티컬 머터리얼즈(Advanced Optical Materials)’ 표지논문으로 최근 게재됐다.

화공 조길원 교수팀, 선인장 가시 모사해 땀 포집 패치 개발

[붙이기만 해도 체액 분석…웨어러블 헬스케어 기기에 활용 가능] 선인장 가시가 물을 끌어들이는 원리를 이용한 땀 포집 패치가 개발됐다. 땀은 채혈 없이도 체액을 분석할 수 있는 효과적인 매개체다. 이를 활용한 땀 센서는 반복적으로 채혈하는 당뇨병 환자의 번거로움을 덜어줄 수 있으며, 피로도 측정 등 일상적인 건강관리를 위한 웨어러블 헬스케어 기기에도 활용될 수 있다. 그러나 땀은 분비 속도가 느리고 불규칙적이라는 한계가 있다. 이러한 땀을 효과적으로 포집할 방법이 필요했다. 최근 화학공학과 조길원 교수와 박사과정 손종현 씨 연구팀은 선인장 가시의 원리를 모방해 빠르게 땀을 모으는 피부부착형 패치를 개발했다. 건조한 환경에서 자라나는 선인장은 생존을 위해 가시에 맺힌 물방울을 가시 끝에서 몸통 쪽으로 이동시킨다. 이때 미세 물방울은 물방울의 휘어진 곡면 안쪽과 바깥쪽에 작용하는 압력의 차이로 인해 이동하게 되는데, 이를 라플라스 압력이라고 부른다. 조길원 교수 연구팀이 개발한 패치에는 선인장 가시가 물을 끌어들이는 원리가 적용됐다. 연구팀은 초발수·초친수로 표면에너지가 쐐기 형태로 패턴된 표면 구조와 마이크로유체 관의 높이 등을 최적화해 라플라스 압력 차이를 극대화했다. 연구 결과, 개발된 패치를 사용하면 미세 물방울이 마이크로유체 관의 기울기와 관계없이 자동으로 빠르게 이동했다. 또한 패치를 웨어러블 땀 센서에 적용할 경우, 일반 마이크로유체 관을 이용할 경우보다 훨씬 빠르게 측정할 수 있을 뿐 아니라 지속적인 혈당 모니터링이 가능했다. 화학공학과 조길원 교수는 "이 패치는 그간 포집에 어려움을 겪어 웨어러블 기기에 활용하지 못했던 땀을 빠르게 채취할 수 있는 기술"이라며 "땀을 활용해 혈당관리를 포함해 다양한 웨어러블 헬스케어 기술에 활용할 수 있을 것"이라고 기대감을 밝혔다. 한편, 세계적으로 권위 있는 학술지 ‘어드밴스드 머터리얼즈(Advanced Materials)’ 표지논문에 최근 선정된 이번 연구는 과학기술정보통신부 글로벌프론티어사업 ‘나노기반 소프트일렉트로닉스 연구단’과 한국연구재단의 중견연구과제 지원으로 수행됐다.

차형준 교수팀, 식도에 ’착붙‘…홍합단백질과 자석으로 약물전달 효과 높인다

- 홍합접착소재 기반의 자기장 감응성 접착 마이크로입자 개발 - 식도 등 음식물 빠르게 흐르는 통로기관에서 일주일 이상 유지 식도는 연동운동을 통해 물과 음식물을 위(胃)로 빠르게 흘려보내는 통로기관이다. 때문에 식도질환이 발생하면 병변 부위의 약물치료가 어려운 상황이다. 유체역학적 전단력*1과 항력*2에 의해 약물이 조직에서 오랫동안 버티지 못해서다. 화학공학과 차형준 교수팀(최현선 석박사통합과정)은 경북대학교 의생명융합공학과 조윤기 교수와의 공동연구로 홍합접착단백질에 자기장 감응성을 부여해 접착성 마이크로입자를 개발했다. 자기장 감응성이란 외부자기장에 반응하여 자기장 방향으로 이동하는 성질을 의미한다. 차형준 교수팀이 개발한 마이크로입자는 자기장이 가해지는 방향으로 이동을 제어할 수 있으며, 빠른 유속을 가지는 통로기관에서도 약물을 국소적·장기적으로 병변 부위에 전달할 수 있다. 기존의 자기장 감응성 약물전달 시스템은 목표 부위로 약물을 전달한 후 자기장을 제거하면 유동적인 체내 유체환경에서 사라지기 쉽다는 한계가 있었다. 이에 차형준 교수팀은 마이크로입자 내부에 산화철을 담았다. 이 마이크로입자는 빠른 유체가 흐르는 통로기관에서 일차적으로 자기장에 의해 병변 부위에 국소적으로 전달된다. 이후 홍합접착단백질이 갖는 강한 수중 접착력 덕분에 자기장을 제거하고도 병변 부위에 입자가 장기적으로 유지된다. 연구 결과, 자기장 유무에 따라 전달효율이 5배 이상 차이가 났으며, 자기장을 제거한 후에도 전달 부위에서 일주일 이상 효과를 유지했다. 이는 적은 약물량과 투여 횟수로도 식도질환 환자에게 우수한 치료 효과를 보일 수 있다는 점에서 의미가 크다. 이 마이크로입자는 산화철 특성상 자기공명영상법*3으로 입자 위치를 실시간으로 확인할 수도 있다. 또한 차형준 교수팀은 마이크로입자의 우수한 생체적합성에 더해, 암 치료에 널리 사용되는 화학요법 약물인 독소루비신을 내부에 담아 암세포의 사멸율을 약 84%까지 올리는 등 높은 항암 치료 효능을 실험적으로 검증했다. 차형준 교수는 “이번에 개발한 약물전달용 마이크로입자는 식도뿐만 아니라, 장과 같이 빠른 유체의 흐름을 수반하는 장기에 발생한 질병을 치료할 때 폭넓게 활용될 수 있다”고 말했다. 한편, 연구 결과는 재료과학 분야 세계적인 학술지인 ‘어드밴스드 펑셔널 머터리얼즈(Advanced Functional Materials)’의 앞표지(front cover)논문으로 최근 게재됐다. 연구는 과학기술정보통신부가 지원하는 중견연구사업과 우수신진연구사업, 보건복지부가 지원하는 보건의료기술개발사업의 일환으로 수행됐다. 1. 전단력 크기가 같고 방향이 서로 반대되는 힘들이 어떤 물체에 대해서 동시에 서로 작용할 때 그 대상 물체 내에서 면을 따라 평행하게 작용하는 힘. 특히 유체 역학에서는 쏠림현상 또는 층밀리기 변형력이라고도 함. 2. 항력 물체가 흐르는 유체 안에서 운동하거나 정지해 있을 때 유체에 의해 받는 저항력으로, 유체저항이라고도 함. 3. 자기공명영상법(MRI, Magnetic Resonance Imaging) 자석으로 구성된 장치에서 인체에 고주파를 쏘아 신체 부위에 있는 수소원자핵을 공명시켜 각 조직에서 나오는 신호의 차이를 디지털 정보로 변환하여 영상화하는 기법.

POSTECH-서울성모병원 공동연구팀, 연골재생 위한 줄기세포 기반 초자연골 스페로이드 분화 촉진 플랫폼 개발

[투과성 나노섬유웰을 통한 초자연골 스페로이드 분화 효율 향상 및 가속화 달성] 연골은 딱딱한 뼈와 뼈 사이에 매끈하고 탄력적인 형태로 존재해 마찰을 줄이고 외부충격에 대한 완충 작용을 하여 뼈를 보호하는 역할을 한다. 때문에 연골이 손상되면 심한 통증과 함께 관절운동이 제한되어 일상생활에 지장을 주게 되므로 삶의 질을 크게 떨어뜨릴 뿐 아니라 손상이 더욱 악화되면 연골관절염으로까지 발전한다. POSTECH과 가톨릭대학교 서울성모병원이 줄기세포를 초자연골 스페로이드로 분화를 촉진시키는 나노섬유웰 기반 세포배양 플랫폼을 개발해 줄기세포 유래 스페로이드형 연골세포치료제 개발의 가능성을 시사했다. 기계공학과 김동성 교수, 통합과정 이성진 씨, 가톨릭대학교 서울성모병원 류마티스내과 주지현 교수, 남유준 박사(현 ㈜입셀 연구소장) 공동연구팀은 산소와 성장인자의 투과를 촉진하는 나노섬유웰 기반 세포배양 플랫폼을 개발해, 줄기세포의 초자연골(hyaline cartilage) 스페로이드로의 분화 효율을 현격히 향상시켰다. 이번 연구성과는 바이오 가공기술 분야의 대표 국제학술지인 ‘바이오패브리케이션(Biofabrication)’에 최근 게재됐다. 효과적인 연골재생을 위해서는 줄기세포 스페로이드가 섬유연골(fibrous cartilage)이 아닌 건강한 연골의 주 성분이며 치료 효과가 우수한 초자연골로 분화돼야 한다. 줄기세포 스페로이드를 종래의 불투과성 세포배양 용기에서 연골 분화를 진행할 경우, 스페로이드 주변의 불균질한 연골 분화 환경으로 인해 초자연골로의 분화 효율이 저해됐다. 이런 단점을 극복하기 위해 연구팀은 나노섬유 막에 대한 마이크로 딥드로잉 공정을 개발, 연골막을 모사하는 투과성 나노섬유웰을 제작했다. 나노섬유웰의 투과성 벽면을 통해 연골 분화에 필수적인 산소와 성장인자들이 원활히 투과가 가능해 줄기세포 스페로이드에 균일한 연골 분화 환경을 공급할 수 있게 됐으며, 이를 통해 줄기세포 스페로이드의 초자연골로의 분화를 촉진하는 데 성공했다. 또한, 연구팀은 기존 불투과성 세포배양 용기에서 20일이 소요된 연골 분화 기간이 나노섬유웰을 활용하면 14일로 단축될 뿐 아니라 연골 기능도 매우 향상되는 것을 확인했다. 마지막으로, 연골 결손 쥐 모델을 사용해 나노섬유웰을 활용해 제작된 초자연골 스페로이드를 연골 손상 부위에 이식했을 경우, 8주 후에 이식된 부분에 섬유연골이 아닌 초자연골과 유사한 조직으로 재생이 이루어지는 것을 확인해 치료 효과를 확인했다. 김동성 교수는 “실제 연골막을 통해 산소와 영양분이 연골에 공급되는 것에 영감을 받아 투과성 나노섬유웰을 개발했으며 덕분에 줄기세포 스페로이드에 균질한 연골 분화 환경을 구현해 냄으로써 초자연골로 분화 효율을 향상시켰다”며 “연구 결과는 퇴행성 관절염 등의 비가역성, 난치성 연골 질환의 효율적인 재생 치료 방안이 될 가능성이 있다”고 기대감을 밝혔다. 한편, 본 연구를 통해 개발된 기술은 셀로이드㈜에 기술이전이 진행 중이며, ㈜입셀과 공동연구를 통해 상용화 개발을 진행 중이다. 이 연구는 과학기술정보통신부의 재원으로 한국연구재단 바이오·의료기술개발사업 및 중견연구사업과 보건복지부의 재원으로 보건의료기술연구개발사업의 지원을 받아 수행됐다.

물리 신희득 교수팀, 실리콘 칩에서 음파 간섭 통한 광신호처리 ‘세계 최초’ 구현

[광학 구동 음파 간섭을 통한 능동적 광신호처리] 빛의 세기나 편광이나 위상을 이용한 광신호처리는 나노 포토닉스 공정기술 개발과 더불어 빠르게 발전하는 분야이다. 광신호처리를 위한 광집적회로는 빛의 생성, 변이, 제어, 검출 등의 전 과정을 하나의 칩 위에서 동작하는 것을 목표로 하며, 완벽한 집적화를 위한 공정 및 빠르고 효율적인 빛의 제어 방법은 미래기술을 위한 도전적인 연구 분야로 주목받고 있다. 물리학과 신희득 교수 연구팀이 실리콘 칩에서 빛에 의해 생성된 음파를 이용해 광파 신호를 증폭 또는 감쇄할 수 있음을 세계 최초로 구현했다. 빛을 이용한 신호 처리는 전자를 이용한 신호 처리보다 발열이 적고 빛의 빠른 속도를 이용할 수 있다는 장점이 있다. 최근에 나노 포토닉스 구조물에서 빛이 음파에 산란하는 브릴루앙 현상*1을 이용한 광신호처리 기술이 구현됐으나, 지금까지의 연구결과는 단순한 음파의 생성과 빛의 산란을 측정한 것이기에 광신호처리나 센싱 등의 응용분야로의 발전을 위해서는 능동적인 광-음파의 제어를 통한 광신호처리의 가능성을 보여줄 필요가 있다. 이에 연구팀은 실리콘 칩에서 생성된 음파의 간섭을 이용해 능동적인 광신호처리 방법을 제시했다. 우선, 나노 공정작업을 통해 머리카락 두께의 100분의 1보다 얇은 3개의 광도파로*2를 실리콘 칩에 나란히 제작했다. 광력*3을 이용해서 두 광도파로에서 음파를 생성하고 그것이 세 번째 광도파로에 도달하는 시간을 조절함으로써 두 음파를 간섭시켰다. 연구팀은 이를 통해 실리콘 칩 내에서 음파의 보강 간섭과 상쇄 간섭 간에 10,000배 이상의 대비를 갖는 마이크로파 신호가 증폭·감쇄되는 것을 관측했고, 이를 발전시켜 펄스 형태 신호의 세기를 조절할 수 있음을 세계 최초로 구현했다. 신희득 교수는 “나노구조물에서 음파의 간섭현상을 이용한 광신호처리를 최초로 구현했다”라며 “이 연구를 통해 광신호처리 및 센싱 기술에 새로운 방향을 제시하며 광-역학계의 새로운 응용을 기대한다”라며 의미를 밝혔다. 이 연구성과는 세계적인 권위지인 ‘나노 레터(Nano Letters)’에 게재됐다. 1. 브릴루앙 빛을 매질에 쏘면 빛이 음파를 만들고 산란하는 현상이다. 산란된 빛이 발생한 음파 에너지만큼 주파수가 줄어들면서 주파수 흔들림과 잡음이 줄어든다. 2. 광도파로(Waveguide) 빛이 지나는 길. 전기 신호가 도선을 따라 전달되듯이 빛도 광도파로라는 선을 따라 전달된다. 3. 광력(optical forces) 강한 빛이 물질과 상호작용을 거쳐 물질을 미세하게 변형시키는 힘이다.

기계 김동성 교수팀, 융털까지 모사하는 인공 장 모델 개발

[다수의 3차원 융털 구조 체외 장 모델을 동시다발적으로 구현하는 혁신적 배양 시스템 제안] 우리 몸의 장 상피는 무수히 많은 수의 길쭉하게 솟은 융털 구조로 이루어져 있으며, 이 융털 구조는 내벽의 총면적을 증가시켜 소화된 영양분을 더 잘 흡수하게 하는 역할뿐 아니라 장벽의 항상성 및 장 내 미생물과의 공생에도 중요한 역할을 한다. 이러한 융털 구조의 중요성에도 불구하고, 체외에서 장 상피 세포를 배양할 경우 장 상피 세포들이 융털 구조를 형성하지 않아 실제 장의 구조 및 기능을 닮은 체외 인공 장 모델 개발에 어려움이 있었다. 본교 연구팀이 다수의 상용 세포배양 인서트에서 장 상피 세포들이 동시에 3차원의 융털 구조를 형성하게 하는 혁신적인 배양 시스템을 개발했다. 기계공학과 김동성 교수, 석사과정 정현범 씨, 통합과정 윤재승 씨 연구팀은 텍사스주립대학교(University of Texas at Austin) 김현중 교수 연구팀과 공동연구를 통해 인간 장 상피 세포의 3차원 융털구조 형성을 동시에 재현할 수 있는 다중 배양 시스템(BASIN*1)을 개발했다. 이번 연구성과는 영국왕립화학회에서 발간하는 미세유체역학 및 마이크로타스(microTAS) 분야의 권위 국제학술지인 ‘랩온어칩(Lab on a Chip)’에 표지 논문(Back cover)으로 게재됐다. 지금까지 장 상피 세포의 형태 발생을 유도해 실제 장과 유사한 3차원 융털 구조와 기능을 갖는 배양 플랫폼(Organ-on-a-chip 등)이 개발된 바 있지만, 대부분 매우 복잡한 구성을 가져 체외 모델을 대량으로 구현하기 힘들고, 장치 사용도 어렵다는 한계가 있었다. 연구팀은 많은 표본에서 장 상피 세포의 형태 발생을 동시다발적으로 유도하는 것에 초점을 두고 실제 장의 구조와 기능과 유사한 체외 장 모델 개발에 주력했다. 연구팀이 개발한 BASIN은 24개의 상용 세포배양 인서트와 실험실에서 흔히 볼 수 있는 오비탈 셰이커(Orbital shaker), 대류 형성을 가능케 하는 개방형 기저측 챔버(Basolateral chamber) 세 가지 구성으로만 이루어진 아주 간단한 시스템 이지만, 인서트 하단부의 효율적인 대류 유동 구현을 통해 장 상피 세포의 몰포겐(morphogen)*2 억제제를 제거해 24개의 상용 세포배양 인서트에서 동시다발적으로 장 형태 형성을 유도할 수 있도록 했다. 그 결과, BASIN에서 배양된 Caco-2*3 인간 장 상피 세포들은 융털과 유사한 3차원 구조를 이루며 자랐고, 실제 장의 융털과 유사한 세포 특성 분포를 나타내는 것을 확인했다. 또한, BASIN을 사용해 외부 화학 물질이 장 상피에 미치는 영향을 조사하고, 장 누수 증후군 등 장 질환 연구 모델 개발 등 실용적 적용 가능성을 검증했다. 김동성 교수는 “장 상피 세포의 3차원 융털 구조 형성을 다수의 세포배양 인서트에서 동시다발적으로 재현했으며, 특히 상용 제품과의 호환성을 극대화해 누구나 쉽게 사용할 수 있도록 했다”며 “실제 장의 구조와 기능이 유사한 체외 장 모델의 대량생산 가능성은 약물 평가 모델로서 신약 개발 등에 활용될 수 있다”고 기대감을 밝혔다. 이 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단 중견연구사업, 나노·원천기술개발사업의 지원을 받아 수행됐다. 1. BASIN basolateral convective flow-generating multi-well insert platform 의 약자 2. 몰포겐 발생 도중의 세포에 작용하여 장래의 구조를 결정하는 화학 물질 3. Caco-2 Cell 인간 대장 선암 세포의 불멸화 된 세포주로, 주로 장 상피 장벽의 모델로 사용되는 세포

전자 김철홍 교수팀, 수술과 동시에 조직검사 이뤄진다

[POSTECH-가천의대 연구팀, 임상조직에 대한 수술 중 머신러닝 기반 비표지 광음향 병리조직검사 수행] 암 진단은 MRI나 CT, 초음파나 내시경 등 영상검사를 통해 암 의심 진단을 받은 후 의심되는 생체 조직 일부를 떼어내 조직검사를 통해 확정하게 된다. 이런 임상적 진단을 토대로 수술을 통해 암 조직을 외과적으로 제거하고, 추가적으로 의심되는 조직이나 림프절을 조직검사 한다. 이를 토대로 향후 치료 방법, 항암, 방사선 등에 대한 계획을 세운다. POSTECH(포항공과대학교, 총장 김무환)과 가천의대 연구팀이 수술 중 바로 머신러닝 기반 조직검사를 하는 방법을 개발했다. 전자전기공학과‧IT융합공학과‧기계공학과 김철홍 교수 연구팀이 가천의과대학교 연구팀과 공동연구를 통해 초고속 MEMS 스캐너 기술을 융합한 자외선(UV) 광음향 영상 기술(UV-MEMS PAM)을 이용하여 수술 중 동결, 절편 및 염색 등의 복잡한 절차 없이 실시간으로 병리조직검사가 가능한 머신러닝 기반 실시간, 비표지 조직검사 장치를 개발했다. 이 연구는 광학 분야 국제 과학 저널인 ‘레이저 앤 포토닉스 리뷰(Laser and Photonics Reviews)’ 9월호 표지논문(inside front cover)으로 선정됐다. 암 절제 수술 동안 종양 부위를 확인하기 위해 병리조직검사가 필수적으로 이뤄진다. 이때 시행되는 방법으로는 지금까지 동결절편검사가 주로 이뤄졌는데 복잡한 처리과정 때문에 수술을 시간을 지연시키고, 해석 오류를 유발할 수 있다는 단점이 있다. 연구팀은 이런 단점을 극복하기 위해, 새로운 비표지 병리조직검사 방법으로서 1축 MEMS 스캐너를 활용한 초고속 반사형 자외선 광음향 현미경 시스템을 제안했다. 또한, 개발된 현미경을 통해 쥐와 사람의 조직에서 비표지적 세포핵 영상화를 증명했다. 뿐만 아니라 실제 암환자로부터 절제된 임상조직에 병리조직검사를 수행하고 이를 머신러닝을 기반으로 정량화함으로써 이 현미경이 수술 중 병리조직검사 방법으로써 사용될 수 있다는 잠재력을 입증했다. 광음향 영상기술이란 별도의 조영제 없이 3차원 영상이 가능할 뿐 아니라, 높은 해상도의 광학 영상 장점과 깊은 곳까지 영상화할 수 있는 초음파 영상의 장점이 결합돼 작은 세포 기관, 생체 조직부터 큰 장기 기관까지 구조적, 기능적 영상이 가능하다. 이번에 개발된 현미경은 초고속 MEMS 스캐너를 활용해 영상 속도를 크게 개선했다. 김철홍 교수는 ”이번에 개발된 현미경은 실제 암 환자에게서 추출된 암 조직에 광음향 병리조직검사를 수행하고 병리학적 미세구조를 추출해 머신러닝 기반으로 정량화함으로써 정상 조직과 암 조직을 구분했다는 점에서 새로운 시도라 할 수 있다“라며 ”이 현미경 시스템을 적용한다면 수술 중 병리조직검사에 있어 수술 시간 획기적 감소할 수 있고, 수술과 치료의 안정성, 신뢰도를 높일 수 있을 것으로 기대한다”고 설명했다. 한편, 이 연구는 과학기술정보통신부, 교육부, 산업통상자원부의 지원으로 수행됐다.

환경 최원용 교수팀, 햇빛으로 ‘녹조’ 주범 질산 없앤다

[태양광 이용해 질산 이온 질소로 바꾸는 탈질 광촉매 소재 개발] 여름철 기온이 올라갈 때마다 강과 호수를 짙은 녹색으로 물들이는 불청객 ‘녹조(綠潮)’는 비료나 생활하수, 공장폐수 등이 하천으로 유입되면서 물속에 영양염류가 많아지며 생긴다. 특히 햇볕이 강하게 내리쬐고 수온이 올라가는 여름철은 녹조가 일어나기 좋은 환경으로, 녹조가 심해지면 물속 산소가 줄어들어 곧 수질 악화로 이어지게 된다. 녹조를 일으키는 비료나 공장폐수 등에는 많은 양의 질소화합물이 들어 있으며, 이를 방지하기 위해 질산이온을 질소로 전환하는 ‘탈질(脫窒, denitrification)’이라 불리는 기술이 핵심 기술 중 하나로 꼽히고 있다. 질산이온이 질소 가스로 바뀌면 물속에서 빠져나가게 돼 영양염류의 증가를 막을 수 있기 때문이다. 환경공학부 최원용 교수‧통합과정 이신비씨 팀은 화학환원제 없이 햇빛을 이용해 녹조 현상을 유발하는 오염원, 질산 이온(NO3-)만을 골라 질소(N2)로 전환하는 광촉매소재를 세계 최초로 개발, 영국왕립화학회(Royal Society of Chemistry, RSC)가 발행하는 에너지 환경 분야 최고 권위 학술지 ‘에너지와 환경과학(Energy & Environmental Science)’지 뒷표지논문으로 발표했다. 같은 학회가 발행하는 ‘케미스트리 월드(Chemistry World)’ 역시 기사를 통해 소개하며 학회의 비상한 관심을 모은 이 성과는 특히 기존의 탈질 공정의 난제를 완벽하게 해결한 혁신적인 성과로 평가받고 있다. 기존 탈질 공정은 고에너지는 물론 수소 가스나 메탄올, 포름산과 같은 환원제를 필요로 한다. 물론 환경에 해가 없는 태양광을 그 에너지원으로 활용하려는 시도는 계속 있어왔지만 대부분이 많은 환원제를 필요로 해 경제성이나 현실성 면에서 문제가 많았다. 물론 물을 환원제로 이용하는 방법 역시 오랜 과제로 남아 있었다. 이 연구는 빛을 쬐면 생기는 정공과 전자가 일으키는 계면반응으로 산화와 환원 반응을 유도하는 반도체 소재, 광촉매를 이용하는 아이디어에서 출발했다. 먼저 연구팀은 이중 금속(Cu-Pd) 나노입자와 그래핀 옥사이드(rGO)가 담지된 이산화 티타늄(TiO2) 기반의 광촉매를 새로 합성했다. 이 광촉매는 별다른 화학환원제가 없이도 600 ppm의 질산이온(NO3-)을 100% 환원하는 한편, 98%가 질소(N2))로 변환되는 결과를 얻었다. 이 광촉매는 물 분해 반응을 통해 수소를 발생시키고 이 수소를 바로 환원제로 사용하도록 되어 있는 특성을 가져 화학환원제를 필요로 하지 않으면서 기존의 탈질 수처리 촉매의 문제를 개선했다. 특히 이 촉매는 탈질 반응 중 부산물로 생성되는 아질산 이온(NO2-)이 거의 생겨나지 않아 환경친화적인 특성을 가졌다는 점에서 더욱 의미 있는 성과로 주목받고 있다. 한편, 이 성과는 한국연구재단의 리더연구사업의 지원으로 수행됐다.