본문 바로가기 사이드메뉴 바로가기 주메뉴 바로가기

주메뉴영역

주메뉴영역

혁신으로 세상을 바꾸는 융복합 대학, DIGIST
Innovative University Changing the World through Convergence
이 페이지를 SNS로 퍼가기

Research

심장박동을 ‘실시간 ․ 3D’로 더 세밀하게 분석하는 기법 개발

  • 조회. 202
  • 등록일. 2022.05.03
  • 작성자. 대외협력팀

- 홀로그래피 영상 트래킹 기반으로 심장근육세포의 박동패턴 등을 단일세포 단위로 자동분석 하는 기술 개발

- 투여 약물에 따른 심장근육세포 운동성에 대한 이질적 특성 분석 가능해...환자 맞춤형으로 심장 치료에 도움이 될 것으로 기대돼

 

[관련사진1. DGIST 로봇및기계전자공학과 문인규 교수(왼쪽 가운데) 및 연구진]

 

 DGIST(총장 국양) 로봇및기계전자공학과 문인규 교수팀은 심장근육세포들의 홀로그래피 영상을 실시간으로 추적 및 분석해 단일세포 단위로 심장박동과 같은 운동성 특성을 정량적으로 분석할 수 있는 시스템을 개발했다고 3() 밝혔다. 환자 개개인이 다양한 약물에 어떻게 반응하는지에 대한 세밀한 분석이 가능해져, 향후 환자 맞춤형 신약 개발의 핵심기술로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

 광학 현미경은 근육조직이나 세포 등 미세한 물체를 볼 수 있어 생물학 및 의학에서 매우 중요하게 쓰이는 기술 중 하나이다. 이미지 형성 원리에 따라 수백년 전부터 현재까지 발전을 거듭해왔다. 현재 가장 주를 이루는 현미경은 일정한 파장의 빛을 쪼아 형광 신호로 생체조직 등을 추적하는 형광 현미경이다. 그러나, ‘현광 현미경기술로는 심장근육세포의 3차원구조나 운동성 특성, 질량 등 다양한 상태 변화 정보를 실시간으로 분석하는 데에 기술적인 한계가 존재한다.

 이로 인해 DGIST 문인규 교수팀이 홀로그래피 기반 심장근육세포 운동성 분석 기술을 개발한 바가 있다. 이 기술은 심장근육세포의 3차원 구조를 실시간으로 관찰할 수 있으나, 수십개의 심장근육세포들에 대한 평균값 측정으로 운동성 관련 특성 정보를 제공하기 때문에 더 세밀한 이질적 특성을 분석하지 못하는 어려움이 존재한다.

 이러한 한계를 극복하기 위해 문인규 교수팀은 홀로그래피로 획득한 심장근육세포 3차원구조 영상을 이용해 심장근육세포들의 움직임을 단일세포 단위로 실시간 추적하는 기술 개발에 성공했다. 개발한 기술을 활용할 경우, 심장근육세포의 3차원 구조 분석 알고리즘 적용을 통해 약물이 투여된 심장근육세포가 약물에 반응하는 실시간 상태를 단일세포 단위로 보다 더 세밀하게 정량적 분석이 가능하다.

 로봇및기계전자공학과 문인규 교수는 이번 연구를 통해 개발한 기술은 약물이 투여된 심장근육세포가 약물에 반응하고 변화하는 모습을 수십 개의 세포 레벨로 분석할 수 있을 뿐만 아니라 단일세포 단위로도 정량적 측정이 가능한 원천기술이라며 환자의 심장근육세포 상태를 보다 세밀하게 확인하고 필요한 약물의 위험성을 사전에 시험해볼 수 있어 향후 환자 맞춤형 약물 개발에 많은 도움이 될 것으로 기대된다고 말했다.

 한편, 본 연구결과는 한국연구재단 글로벌연구사업의 지원을 받아 수행되었으며, 국제학술지 ‘Biosensors and Bioelectronics’11일자로 게재됐다.

 

 

· · ·

 

연구결과개요

Automated Analysis of Human Cardiomyocytes Dynamics with Holographic Image-based Tracking for Cardiotoxicity Screening

(Ezat Ahamadzadeh, Keyvan Jaferzadeh, Seonghwan Park, Seungwoo Son, and Inkyu Moon)

(Biosensors and Bioelectronics, published on 1st January, 2022)

 

본 연구에서는 라벨-프리 방식으로 유도만능줄기세포로부터 얻어진 약물처리 된 심장근육세포의 박동패턴 및 박동률 등의 변화량을 단일세포 단위로 분석하는 홀로그래피 영상 기반의 정량적 분석 시스템을 개발하였다. 기존의 위상차 현미경 혹은 형광 현미경 기술로는 심장근육세포의 3차원구조나 운동성 특성, 질량 등 다양한 상태 변화 정보를 실시간으로 분석하는 데에 기술적인 한계가 있으며, 또한 기존의 홀로그래피 기반 심장근육세포 운동성 분석 기술은 수십 개의 심장근육세포들에 대한 평균값을 측정하여 운동성 관련 특성 정보를 제공하기 때문에 보다 세밀한 이질적 특성 분석 등에서 어려움이 존재한다. 이러한 한계를 극복하기 위해 홀로그래피 이미징 기술과 고밀도 광학흐름 기법 등을 결합하여 심장근육세포들의 움직임을 단일세포 단위로 실시간 추적함으로써 심장근육세포의 수축운동 등의 운동성 특성을 보다 더 세밀하게 자동 분석하는 시스템 개발에 성공하였다. 본 연구에서 개발된 심장근육세포 단일세포 단위 자동분석법의 신뢰성은 단일 세포 운동성 특성화, 동기화 분석, 고정된 심장근육세포 대 살아있는 심장근육세포 속도 측정 및 노이즈 감도를 통해 확인하였고, 또한 약물이 투여된 심장근육세포가 약물에 반응하는 실시간 상태를 분석하기 위하여 두 가지 심혈관 약물인 이소프레날린 및 E-4031 의 약리학적 효과를 단일세포 단위로 확인하였다. 실험결과 심장근육세포가 이소프레날린에 반응해서 활동 전위 속도가 높아지고 휴식시간이 단축되어지면서 비트 주파수가 높아짐을 확인하였으며, E-4031의 경우, AP 속도가 감소하고 휴식시간이 연장되어지면서 비트 주파수가 감소하게 됨을 관찰하였다. 이런 발견들은 심장근육세포의 수축 운동에 대한 통찰력과 심장독성 테스트를 위한 단일세포 수준에서의 동역학에 대한 정량적 정보를 제공할 수 있을 것으로 기대한다.

 

 

· · ·

 

연구결과문답

Q. 이번 성과 무엇이 다른가?

홀로그래피 이미징 기술과 고밀도 광학흐름 기법 등을 결합하여 유도만능줄기세포로부터 얻어진 심장근육세포들의 움직임을 단일세포 단위로 실시간 추적함으로써 심장근육세포의 수축운동 등의 운동성 특성을 보다 더 세밀하게 자동 분석하는 시스템을 개발하였으며, 이를 증명하는 기초 연구결과물로 E-4031 및 이소프레날린과 같은 약물이 심장근육세포의 운동성에 미치는 영향을 단일세포 단위로 정량적으로 모니터링 및 분석 할 수 있음을 확인하였다.

Q. 어디에 쓸 수 있나?

심장근육세포의 3차원 구조 분석 알고리즘 적용을 통해 약물이 투여된 심장근육세포가 약물에 반응하는 실시간 상태를 단일세포 단위로 운동성 관련 특성 정보를 제공하기 때문에 보다 세밀한 이질적 특성 분석 등이 가능해져 환자 맞춤형으로 약물처리 된 심장근육세포의 운동성 특성 분석, 새롭게 개발된 약물에 대한 독성검사 및 심장질환과 관련된 질병 모델링 등과 같은 바이오의료 분야에서 분석 도구로 활용할 수 있을 것으로 기대된다.

Q. 실용화까지 필요한 시간과 과제는?

병원과 연계하여 실제로 환자 맞춤형으로 임상연구를 할 수 있는 후속 단계가 필요하다. 본 연구에서 사용한 약물 이외의 다양한 약물에 대한 추가적인 연구가 진행되어야 하며 또한 약물 처리된 심장근육세포의 운동성 및 세포들 사이에서의 동기화 특성을 대규모 단위로 고속으로 분석할 수 방법 개발이 선행되어야 한다.

Q. 연구를 시작한 계기는?

기존의 홀로그래피 기반 심장근육세포 운동성 분석 기술은 수십 개의 심장근육세포들에 대한 평균값을 측정하여 운동성 관련 특성 정보를 제공하기 때문에 보다 세밀한 이질적 특성 분석 등에서 어려움이 존재한다. 이러한 한계를 극복하기 위해 홀로그래피 이미징 기술과 고밀도 광학흐름 기법 등을 결합하여 심장근육세포들의 움직임을 단일세포 단위로 실시간 추적함으로써 심장근육세포의 수축운동 등의 운동성 특성을 보다 더 세밀하게 자동 분석하는 시스템 개발에 대한 연구를 수행하였다.

Q. 어떤 의미가 있는가?

이번 연구를 통해 개발한 기술은 약물이 투여된 심장근육세포가 약물에 반응하고 변화하는 모습을 수십 개의 세포 레벨로 분석할 수 있을 뿐만 아니라 단일세포 단위로도 정량적 측정이 가능한 원천기술로써 환자의 심장근육세포 상태를 보다 세밀하게 확인하고 필요한 약물의 위험성을 사전에 시험해볼 수 있어 향후 환자 맞춤형 약물 개발에 많은 도움이 될 것으로 기대 된다.

Q. 꼭 이루고 싶은 목표는?

앞으로 다양한 약물들에 대해 환자 맞춤형으로 유도만능줄기세포로부터 얻어진 심장근육세포의 박동패턴의 변화, 독성 테스트 및 세포들 사이에서의 동기화 특성을 대규모 단위로 고속으로 자동 분석할 수 있는 방법 개발을 통하여 심장질환과 관련된 약물치료제를 환자 맞춤형으로 개발할 수 있는 원천기술 개발 연구를 진행하고자 한다.

· · ·

 

그림설명

[그림 1] 홀로그래피 이미징 기술과 고밀도 광학흐름 기법 결합 기반 심장근육세포 수축운동의 단일세포 단위 자동분석 시스템 개요도

(그림설명) 홀로그래피 이미징 기술과 고밀도 광학흐름 기법 결합 기반 유도만능줄기세포로부터 얻어진 심장근육세포들의 움직임을 단일세포 단위로 실시간 추적함으로써 심장근육세포의 수축운동 등의 운동성 특성을 보다 더 세밀하게 자동 분석하는 시스템 개념도 


[그림 2] 제안된 심장근육세포 단일세포 단위 자동분석 시스템 실험결과

(그림설명) 제안된 심장근육세포 자동분석 시스템으로부터 측정된 단일 세포 운동성 특성 및 동기화 분석 실험결과

 

 

 

 

콘텐츠 담당 담당부서  :   대외협력팀 ㅣ 053-785-1135