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

엑소좀 분석법의 효율성과 신뢰성을 과학적으로 증명하다

  • 조회. 299
  • 등록일. 2021.02.03
  • 작성자. 대외협력팀

- DGIST 학부생, DLS를 활용한 액소좀 동정(同定) 방법에 대한 연구 진행
- 섬유육종의 엑소좀 분자적 특성 규명에도 성공...향후 질병 진단, 약물 전달 시스템 연구 등 관련 분야 긍정적 영향 기대돼

 

DGIST 기초학부 류태승 학생, 안유진 학생, DGIST 기초학부 조정아 교수
[DGIST 기초학부 류태승 학생, 안유진 학생, DGIST 기초학부 조정아 교수]

 

 DGIST 기초학부 조정아 교수와 류태승, 안유진 등 학부생 11명이 진행한 연구가 SCI급 저널 ‘PLOS ONE’에 게재됐다. 연구팀은 엑소좀(exosomes)을 동적광학산란광도계(DLS)1)를 이용해 효율적이면서도 민감성과 신뢰성 높게 측정할 수 있다는 사실을 과학적으로 입증했으며, 섬유아세포 유래 악성종양에서 분비된 엑소좀의 분자적 특성도 함께 밝혔다.

 엑소좀은 머리카락 굵기 1/1000 정도(30-200nm) 크기의 세포 외 분비 소낭으로, 임상적으로 질병 진단이나 예후 모니터링 수단, 약물 전달 시스템으로 엑소좀을 활용하려는 연구가 많이 이루어지고 있다. 하지만 엑소좀 연구에 필수적인 엑소좀 동정(同定) 동정(同定): 이미 밝혀진 분류군 중에서의 그 위치를 결정하는 일
 과정이 많은 양의 엑소좀을 필요로 하며, 시간과 비용이 소요되는 등 여러 단점들로 인해 연구에 어려움이 있어왔다.

  DLS를 활용한 방법은 다른 엑소좀 동정 방법 대비 속도, 감도 등의 측면에서 더 효과적인 방법으로 알려져 있다. 연구팀은 관련 효율성을 입증하기 위한 연구를 진행, 통계적으로 유의한 차이를 보여 신뢰성 있는 방법임을 입증했다.

 더 나아가, 연구팀은 섬유아세포 유래 악성 종양인 섬유육종(Fibrosarcoma)에서 분비된 엑소좀의 분자적 특성을 규명하고, DLS로 크기와 균질성을 분석했다. 이는 과거 잘 연구되지 않던 섬유육종에서 유래된 엑소좀에 대한 기초 데이터를 제공해, 향후 섬유아세포 유래 엑소좀이 암 생성과 진행에 미치는 영향을 포함한 다양한 생물학적 분석에 기반이 될 것으로 보인다.

 이번 연구는 DGIST 학부 교육과정인 UGRP(Undergraduate Group Research Program)에서 시작됐다. 지도교수인 조정아 교수와 학생들은 처음엔 ‘종양 미세환경 내 종양세포와 줄기세포 간 엑소좀을 매개로 한 상호작용 분석을 통해 암줄기세포 생성과정의 분자적 기전’을 규명하고자 했다. 이 과정에서 DLS를 이용한 분석법의 효율성을 증명했으며, 섬유육종에서 분비된 엑소좀 분석까지 연구를 진행했다.

 제1저자인 DGIST 기초학부 류태승 학생은 “학부생 연구가 국제학술지에 실릴 수 있었던 데에는 지도교수와 UGRP의 지원이 가장 컸다”며 “UGRP 교과를 통해 얻은 경험과 교훈은 학위과정을 지속하는 밑거름이 될 거로 생각한다”고 말했다.

 공동1저자인 DGIST 기초학부 안유진 학생은 “학부 장비 인프라를 자유롭고 방대하게 활용할 수 있어 기술적인 부분은 해결되었지만, 논문을 작성하고 수정하는 과정에서 지도교수의 도움이 없었다면 게재하지 못했을 것이다.”고 말했다.

 연구지도를 맡은 기초학부 조정아 교수는 “엑소좀은 세포의 축소판으로, 생물학적 활성에 대해 아직 밝혀지지 않은 과학적 사실이 훨씬 많다.”며 “이번 논문이 엑소좀 연구를 시작하는 전 세계 연구자들에게 도움이 되길 바란다”고 했다. 한편, 이번 연구는 DGIST와 한국과학창의재단의 URP 연구지원을 받아 ‘PLOS ONE’에 1월 26일(화) 게재됐다.

---
1) 동적광학산란광도계(DLS, Dynamic Light Scattering): 미립자가 열운동을 하는 액체분자에 끊임없이 충돌하는 불규칙운동인 ‘브라운 운동’을 측정하여 용액 중 입자의 크기를 알아내는 기계

 

  연구결과개요  

The characterization of exosomes from fibrosarcoma cell and the useful usage of Dynamic Light Scattering (DLS) for their evaluation 
(류태승
1, 안유진1, 임영준, 김성수, 이기헌, 김진영, 최유진, 이동우, 강은석, 진가연, 황지원, 이상임, 조정아*
1: 공동1저자, *: 교신저자)
(PLOS ONE, on-line published on 26th January, 2021)


(엑소좀(Exosomes)은 세포 외 분비 소낭(Extracellular vesicles)의 일종으로, 근원세포의 mRNA, miRNA 및 단백질을 포함하며, 다른 세포 또는 주변 미세환경의 특성을 조절할 수 있는 특징을 갖고 있다. 많은 암세포 유래 엑소좀이 발암성이 있으며 이와 관련한 생물학성 특성들이 계속해서 연구되고 있음에도 불구하고, 섬유 육종 유래 엑소좀에 대해서는 거의 밝혀진 바가 없다. 엑소좀 연구를 위해서는 엑소좀의 적절한 추출에 이은 초기 동정이 중요한데, 엑소좀의 크기와 균질성을 측정하는 기술에는 여러 한계가 있다. 본 연구에서는 섬유 육종 세포주인 WEHI-164에서 분비된 엑소좀을 유방암 세포주인 MDA-MD-231을 대조군으로 사용하여 비교 분석하였다. WEHI-164 섬유육종 세포주에서 유래된 엑소좀에 대하여, 우리는 점 블롯 및 웨스턴 블롯 분석을 통해 GM1 ganglioside, TSG101, HSC70 및 GAPDH 단백질의 존재를 확인하였고, ExoView 분석을 통해 CD81, CD63 및 CD9와 같은 테트라스패닌(tetraspanins)의 존재와 정도를 확인하였다. 또한 투과전자현미경(TEM)을 통해 반경이 약 50~70 nm 인 구형의 모양(sphere-like shape)임을 확인하였다. 마지막으로, DLS를 통해 WEHI-164 섬유육종 세포주 유래 엑소좀은 평균 반경이 94.4nm 정도이며 높은 균질성을 가지고 있는 것으로 확인되었다. 통계적으로 TEM과 DLS로 측정한 반지름을 비교해 보았을 때 약 40 nm 정도 차이를 보이는 것으로 분석되었다. 본 연구는 이전에 많이 연구되지 않았던 섬유 육종에서 추출한 엑소좀의 분자적 특성에 대한 기본 정보와 함께 DLS가 엑소좀의 균질성과 크기를 간단히 확인하기 위한 효율적이고 편리하며 비침습적(noninvasive) 방법으로 사용될 수 있음을 명확하게 제시했다는 점에서 중요한 의의가 있다. DOI : 10.1371/journal.pone.0231994

 


연구결과문답


Q. 이번 성과 무엇이 다른가?
엑소좀은 세포에서 분비되는 절대적인 양이 적다. 엑소좀을 동정하고 특성 분석하기 위해 사용되는 유세포분석기, 전자현미경, 원자간력현미경(AFM) 등의 방법들은 비교적 많은 양의 엑소좀 추출물을 필요로 하며, 시간과 비용이 많이 들고 기술적 난이도가 높고 민감도가 낮은 단점들이 있다. 본 연구에서는 동적광학산란광도계(DLS)이 엑소좀 크기와 순도 및 동질성을 적은 양을 이용하여 비교적 빠르고 쉽게 측정할 수 있는 믿을맏한 방법임을 입증하였고, 또한 기존에 알려지지 않은 섬유아세포 유래 악성 종양인 섬유육종(fibrosarcoma) 유래 엑소좀의 분자적 특성에 대한 기초 데이터를 제공했다.

Q. 어디에 쓸 수 있나?
기술적인 측면에서 DLS를 이용해 엑소좀의 초기 동정을 빠르고 민감하게 분석할 수 있다는 점에서 엑소좀을 활용한 질병 진단이나 예후 모니터링 수단, 약물 전달 시스템 연구에 속도를 더해줄 것이다. 학문적 측면에서 섬유육종 유래의 엑소좀이 가지고 있는 발암성이나 미세환경변화 가능성 규명과 같은 생물학적 활성 연구를 위한 기반이 될 것이다. 

Q. 실용화까지 필요한 시간과 과제는?
DLS는 전처리 과정이 필요하지 않고 장비 조작이 비교적 용이하다. 농도에 맞게 희석하고 소프트웨어를 다룰 수 있다면 누구나 엑소좀의 크기와 순도 및 균질성을 분석할 수 있다. 즉, DLS 기기만 있다면 바로 적용할 수 있다. 특히 섬유육종 환자에서 섬유육종 엑소좀에 대한 연구나 분석이 필요한 경우 본 연구 결과에서 제시한 데이터들이 기본 정보로 즉각 활용될 수 있다. 다만 엑소좀을 DLS에 적용하는 과정에서 약간의 불순물이나 오염이 발생했을 경우 예상치 못한 결과를 얻거나 분석에 어려움이 발생할 수 있기때문에 이 부분에 대한 엄격한 관리와 특별한 주의가 필요하다. 

Q. 연구를 시작한 계기는?
UGRP팀이 꾸려지면서 연구 주제에 대하여 학생들과 여러 가지 의견을 나누어 오다가 암줄기세포 형성과 관련된 가설에 대한 소개를 하게 되었고, 이에 학생들이 관심을 가지면서 주제를 구체화하기 시작했고 그 과정에서 그간 내 연구의 주요 대상이었던 엑소좀에 대한 아이디어가 접목되면서 연구를 시작하게 되었다. 그러나 초기 단계에서 엑소좀의 크기와 순도를 측정하는 데 시간이나 비용이 과도하게 소모되고 민감성이 낮아 다른 방법을 찾고자 노력하던 중 학부 실험 장비인 DLS를 활용하게 되었는데 결론적으로 성공적인 결과를 얻게 되었다. 

Q. 어떤 의미가 있는가?
학문적으로 기존에 알려져 있지 않던 새로운 과학적 사실을 국제 사회에 발표했다는 것이 매우 큰 의미인데, 그 보다 더 큰 의미는 본 논문을 발표하기 까지 교내외 연구원이나 대학원생의 도움 없이 주제선정부터 실험계획, 논문작성 및 투고의 연구 전 과정을 학부생 스스로 주도적으로 기획하고 수행하여 이룬 성과라는 것에 매우 큰 의미가 있다고 생각한다. 학부생이 국제적인 학술지에 투고하는 건 절대 쉽지 않은 일이었지만, 수많은 시행착오를 겪으면서 팀원과 협업했기 가능한 결과였다. 이는 융합연구의 산실이며, 실험 수업에서 배운 기술과 지식을 활용해 도출한 결실로서, 본교 학부 교육의 질과 인프라의 우수성을 입증하는 결과라고 생각한다. 

Q. 꼭 이루고 싶은 목표는?
종양 미세환경 내 엑소좀을 매개로한 종양 세포와 줄기세포 간 상호작용 분석을 통해 암줄기세포 초기 생성과정의 분자적 기전을 규명하고, 이를 활용하여 암 환자의 재발이나 전이의 주요 원인이 되는 암줄기세포를 타겟으로 하는 항암 면역치료 전략을 제시하는 것이 목표이다. 

 

그림 설명


[그림 1] 섬유육종에서 검출한 엑소좀 특성 관련

관련사진2.섬유육종에서 검출한 엑소좀 특성 관련

(A) 엑소좀에 존재한다고 알려진 GM1 ganglioside가 섬유육종 WEHI-164 세포주에서 추출된 엑소좀에서 검출되었다.
(B) 일반적으로 엑소좀에 존재하는 TSG101, HSC70도 섬유육종 WEHI-164 세포주에서 추출된 엑소좀에서 검출되었다.
(C) 엑소좀에 존재하는 Tetraspanins 인 CD81(녹색), CD63(적색), CD9(청색)을 형광 표지한 엑소좀 현미경 사진이다. CD9이 WEHI-164 에서 추출된 엑소좀에서 매우 풍부하게 검출되었다.
(D) 전자현미경(TEM)으로 확인한 결과, WEHI-164 세포주에서 추출된 엑소좀이 기존에 알려진 일반적인 엑소좀 형태와 같이 구형임을 확인했다.


[그림 2] 섬유육종에서 검출한 엑소좀 특성 관련

관련사진3.섬유육종에서 검출한 엑소좀 특성 관련


(A) DLS로 섬유육종 WEHI-164 세포주의 엑소좀을 측정했을 때 평균 반지름이 94.4 nm, 유방암 세포주인 MDA-MB-231 세포주의 엑소좀은 107.8 nm 였다. 
(B) DLS로 엑소좀의 순도를 측정했을 때, WEHI-164 세포주의 엑소좀은 평균 94.5%, MDA-MB-231 세포주의 엑소좀은 92.6%였다.
(C) TEM과 DLS로 측정한 엑소좀의 반지름을 통계적으로 비교분석했을 때 두 세포주 모두 약 40nm 정도 차이가 났다. 

콘텐츠 담당 담당부서  :   홍보팀 ㅣ 053-785-1135