1. CII 핵심연구지원센터 개요
본 핵심연구지원센터가 속해 있는 인천 송도 바이오클러스터에는 가천대학교 길병원 브레인 밸리, GE헬스케어, 미국 유타대와 인하대 공동연구소를 비롯하여, 세계를 대표하는 바이오복제약 개발·생산 기업인 셀트리온, 삼성바이오로직스, 삼성바이오에피스가 위치해 있다. 뿐만 아니라 이들 기업에 필요한 원료의약품과 기자재를 납품하는 머크, GE헬스케어 등 외국기업과 연구기관·병원 등이 군집을 이루고 있다. 이에 인천시는 2030년까지 ‘세계 최대의 바이오 헬스케어클러스터’로 육성한다는 계획을 세워놓고 있지만 1) 송도 바이오클러스터 구성기관이 주로 복제약을 대량 생산하여 판매하는 바이오시밀러 분야에 초점이 맞추어져 있어 신약개발 관련 인프라가 취약하다는 점, 2) 개발한 바이오 의약품(세포 치료제, 항체치료제, 합성 신약 등) 및 의료기기의 효능평가 인프라가 부족하다는 단점을 가지고 있다.
2021년 교육부와 한국연구재단, 한국기초과학지원연구원이 시행하는“기초과학연구역량강화사업 핵심연구지원센터 조성사업”으로 인천시 송도 이길여암당뇨연구원 내에 Cell to In-vivo 이미징 (CII) 핵심연구지원센터가 설립되었으며, 해당 센터에는 최신 생체영상 연구기법을 적용할 수 있는 다양한 장비들 (9.4T 자기공명영상장비, 형광분자영상장비, 조직병리장비 일체, 공초점 및 형광현미경, 유세포 연구장비 일체)이 집적되어 ‘세포 및 분자’ 수준의 이미지에서 ‘홀 바디’ 까지의 영상 획득·측정·분석이 가능한 통합 이미징 플랫폼을 구축하였다. 뿐만 아니라 여타 다른 대학의 공동기기원과 다르게 구축된 모든 장비의 일정을 내·외부 모든 연구자들에게 동시에 허가함으로써 송도 바이오클러스터의 많은 제약 및 바이오업체들의 R&D 수요를 해소하고자 하였다.
2. CII 핵심연구지원센터의 구성 및 내용
그림 1. CII 핵심연구지원센터 코어구성
(1) MRI Core (9.4T Bruker Biospec)
자기공명영상은 강한 자기장을 갖는 자석 내부에 위치한 원자핵을 대상으로 외부에서 주사된 고주파(Radio Frequency, RF) 에너지를 체험하게 한 뒤, 핵에서 발생되는 신호에 공간적인 정보를 더하여 영상화하는 장치이다. 자기공명영상의 지원분야는 해부학적 또는 병리학적 정보를 바탕으로 생체 영상 연구(예. 뇌, 심장, 복부에서의 T1/T2-강조 영상 등), 조직의 생화학적/기능적 영상정보를 바탕으로 하는 연구(예. 확산 강조영상, 확산 텐서 영상, 관류영상, 자기공명분광 등)이다.
1) 구조적 소동물 생체영상 획득
일반적으로 연조직에 대한 자세한 정보를 필요로 할 때, 예를 들어 뇌, 척수, 근골격계 질환의 진단에 사용되며, 복부, 비뇨기, 심장 질환에서는 필요에 따라 사용된다. 특히 조직의 종양을 식별하거나, CT에 대한 위험이 있는 전임상 동물모델 연구의 영상에 유용하다.
그림 2. 9.4T Bruker 장비로 구현가능한 구조적 전임상 영상의 예시
2) 기능적 소동물 생체영상 획득
① 기능적 MRI: 뇌의 특정 부위가 사용될 때 그 영역으로 가는 혈류의 양도 증가한다는 사실을 이용하여 동물모델의 뇌 활동을 측정하는 기술이다.
② 관류 MRI: 특정부위로 가는 혈류의 변화를 감지하는 기술로, 혈류의 감소를 보이는 뇌졸중이나 일반적으로 증가를 가져오는 종양의 진단 및 연구에서 많이 활용되고 있다. 관류영상은 정맥을 통한 조영제를 투여하여 얻는 외인성 관류 MRI기법과 동물 생체내 혈액만을 이용하는 내인성 관류 MRI기법이 있다.
③ 확산 강조/텐서 MRI: 확산강조 MRI는 세포 내 물의 움직임 변화를 감지하는 기법으로 질병조직(예를 들어 종양이나 뇌졸중을 포함한 뇌질환 조직)의 물의 움직임이 정상조직과 다름을 이용하여 진단한다. 반면, 확산텐서 MRI는 조직 내에서 확산현상의 텐서(tensor) 성질을 영상으로 구현하여 뇌 백질내에 얽혀 있는 신경다발을 그 역할과 주행경로에 따라 볼 수 있다. 따라서 신경 해부 및 생리학적 연구, 여러 질병의 병태생리학적 연구에 활용되고 있다.
④ 자기공명 분광법: 많은 유기 및 무기 분자에 대한 구조 정보를 알 수 있는 강력한 분석기술로 주로 퇴행성 뇌질환 동물모델에서 뇌의 특정 부위의 대사물질을 측정함으로써 병태생리학적 기전을 연구하는 데 이용되어 왔다. 자기공명 분광법을 활용하여 측정하는 대표적인 뇌 대사물질로 N-acetyl aspartate (NAA), creatine (Cr), choline (Cho), myo-Inositol (mI),
α-glutamate & glutamine (α-Glx), lactate, lipid 등이 있다.
그림 3. 9.4T Bruker 장비로 구현가능한 기능적 전임상 영상의 예시
(2) CacuA Core
광학영상시스템 및 엑스선 조사기, 조직병리장비 일체가 집적되어 있는 코어로 실험동물센터 (CACU; Center of Animal Care and Use) 내 해당장비들이 구축되어 있다.
1) 조직병리실: 연구자들이 최종적으로 실험결과의 정확한 판단과 분석을 할 수 있도록 파라핀/동결 블록 및 절편 제작, HE/특수/면역조직화학 염색 및 슬라이드 스캔 등 조직병리 관련 서비스를 제공하며 Tissue processor, Embedding center, Cryostat, Autostainer, IHC autostainer, Microtome, Digital slide scanner (Pannoramic Scan II)가 구축되어 있다.
그림 4. 조직병리실에서 제공하는 지원서비스
2) 광학영상시스템 및 엑스선 조사기실
① 소동물 광학영상시스템: 형광 레이저의 빛을 이용하여 동물 생체 내에서 반응하는 미량의 발광 및 형광물질을 고감도의 CCD 카메라를 이용하여 측정함으로써 생체 변화를 in-vivo상태에서 확인하는 장비로 암발생학, 병리학, 면역학, 신약개발, 약물전달시스템 등 다양한 연구분야에 활용되고 있다.
그림 5. 소동물 광학영상시스템 활용의 예
② 엑스선 조사기: 엑스선을 조사하여 외형과 표면 단백질을 유지시킨 상태로 세포를 사멸시킨다. 엑스선에 의한 특정세포의 표면단백질의 변화를 분석하는 데 이용 (예: 종양세포의 엑스선 치료 연구)되고 있다.
(3) Confocal Core (공초점 현미경실)
1) 공초점 레이저 주사현미경 (LSM-700/710)
초점을 벗어난 빛을 핀홀로 제거하는 방식으로 고해상도 및 고대비 영상을 획득하는 현미경으로 다양한 높이축에 초점을 두어 단계적 촬영을 하는 경우 3D 입체 영상을 얻을 수 있다. 형광으로 표지된 시료를 최대 분해능 0.5~1㎛ 수준의 시각적으로 아주 예쁜 3D 이미지를 이용자가 직접 소프트웨어를 통해 구현할 수 있으므로 생리학, 해부학, 미생물학 연구영역에서 기존의 광학 및 형광 현미경으로는 관찰이 불가능한 생명현상 연구에 활용된다. 본 센터 Confocal Core에는 범용의 LSM-700과 실시간 이미징에 좀 더 적합한 LSM-710이 구축되어 있다.
그림 6. 공초점 레이저 주사현미경 활용의 예
2) 기타 구축장비
① 레이저 포획 미세절제기: 혼합 조직에서 특정세포를 자동으로 추출하는 장비로 현미경과 레이저를 이용하여 미세한 부분까지 절제가 가능하며 순도 높은 영역을 분리할 수 있다.
② 형광 현미경: 자외선을 광원으로 하여 세포내의 형광물질을 관찰하는 현미경으로 형광성 색소로 생체 염색을 하여 세포 기관의 변화나 물질의 이동 등을 관찰할 수 있다.
(4) FACS Core (유세포 분석실)
형광물질(Fluorescent dye) 또는 단일 항체(Monoclonal antibodies)를 세포의 표면 및 내부에 처리한 후 유액 상태로 일정 감지지역(sensing point)을 통과시켜 각각의 입자나 세포의 특징(크기, 모양, 과립도)을 분석하거나 표면 형광에 따라 세포를 분리하는 과정을 수행한다. 유세포분석은 면역학, 암생물학, 질병 연구를 포함한 분자 및 세포 생물학 연구 응용분야에서 일반적으로 사용되는 강력한 기술이다.
그림 7. 유세포 분석 활용 예시 ( LSR II를 활용한 다중칼라 세포 분석)
1) FACSAria II
면역세포(immunocyte), 줄기세포(stem cell)등 특정 세포를 선택하고 분리(sorting)하여 배양과 연구에 필요한 세포를 제공한다.
2) LSR II
세포 표면과 내부 발현 단백질에 다양한 형광물질을 처리하여 세포의 동시적 다중 칼라 채널 분석을 시행한다.
3) FACSCalibur
세포 주기(cell cycle), 세포 증식(cell proliferation), 세포 사멸(cell apoptosis)등의 단순한 형광 분석을 통한 다양한 분석 그래프를 제공한다.
3. CII 핵심연구지원센터의 향후 계획
단기적으로는 센터내 집적된 연구장비들의 체계적인 유지보수 및 관리 프로세스를 구축하고, 축적된 관리 및 활용 노하우를 공유하는 연구장비 유지보수 워크샵을 개최하여 연구자들의 장비활용을 극대화하고자 한다.
단기성과를 기반으로 중장기적으로는 연구장비 사용을 공동활용 50%, 공동연구 50%의 비중으로 조성하고, R&D 연구역량 증진을 위해 이길여 암당뇨연구원, 인천 소재 대학 및 송도 바이오클러스터 연구소 외부 이용자를 위한 분석지원 서비스에 적극적으로 지원할 예정이다. 또한, 본 핵심연구지원센터에 참여하는 연구원과 내외부 연구자들이 공동으로 국책과제 공동연구에 지원하여, 장비사용 기회제공을 통한 우수한 과학적 성과(논문, 특허, 기술이전, 사업화 등)를 유도하고자 한다.
궁극적으로 가천대 메디컬 캠퍼스 내 약학대학, 바이오나노대학, 가천대 길병원 연구중심병원, 뇌과학 연구원 등의 질병 진단분야 전문가들과 함께 전임상-임상연구 생체 바이오 이미징에 대한 공동연구 체계를 구축하고, 센터내 축적된 연구결과 및 이용자들의 기술개발 요구를 접목하여 센터-대학-기업과 협업연구를 통한 사업화 아이템 과제를 도출할 예정이다.
4. 맺음말
최근 급격한 고령화로 인하여 암, 당뇨, 치매 등 다양한 난치성 질환들의 발생이 급증하고 있지만, 이들 질환의 조기 진단 및 치료제 개발이 지연되고 있다. 제약산업은 타산업 대비 R&D 투자비 비중이 매우 높은 기술집약적 산업으로, 국내제약사업계는 신약개발 투자를 지속적으로 확대하고 있음에도 불구하고 전 세계 상위 50대 제약사 중 한국국적의 제약사는 한곳도 없으며, 2020년 기준 원료의 국내 자급도는 36.5%, 완제품의 국내 자급도는 68.8%에 머물고 있다. 단일도시 세계 최대 규모의 바이오 의약품 개발 및 생산역량을 확보하고 있는 인천 송도 바이오클러스터에 위치한 Cell to In-vivo 이미징 핵심연구지원센터는 2021년 세포에서부터 개체 수준까지 영상처리가 가능한 통합 바이오이미징 플랫폼을 구축하였으며, 구축 장비를 점차적으로 확대하여 지역사회가 필요로 하는 난치성 질환의 진단 및 치료 효능 분석을 위한 바이오영상 인프라의 미충족 수요를 해소하고자 한다. 이와 더불어 의료영상 분야의 전문성 확보와 국내외 공동연구를 통한 연구개발 고도화로 우수연구 성과 창출 및 센터역량 극대화를 마련하고자 한다.