박형원 교수 (공동 제1저자; 전자전기공학부 및 글로벌바이오메이컬엔지니어링학부) 및 미국 University of Michigan 윤의식 교수 (교신저자) 연구팀은 레이저 유도-기계적 정밀 충격 효과를 이용하여 수많은 배양세포 가운데 특정 세포를 개개 단위로 선택적으로 그리고 안전하게 포획하는 기술을 최초로 개발하였다 (ACS Nano 2017년 5월호 게재).

반도체 공정을 통해 통일성 있고 일관된 성능의 전자소자가 제작되는 것과 달리 생명을 갖는 세포의 경우 같은 뿌리에서 나온 동일한 종류의 세포들이라 할지라도 이종성(heterogeneity)이 나타날 수 있는데 돌연변이 혹은 특이 약물반응 등으로 이러한 특성이 표현된다. 즉 동일한 종류의 수많은 세포들에 한 가지의 약물을 처리하여 반응을 관찰하더라도 약효가 있는 것과 없는 것, 덜한 것 등의 이종성이 항상 존재하기 마련이다. 

이러한 이종성은 암세포의 생성 및 확산을 이해하는데 있어서 중요한 역할을 한다. 암세포의 경우 줄기세포성(stemness) 유전자가 나타나기도 하고 그렇지 않고 일반적 종양으로 성장하기도 한다. 이러한 분화에 대한 근원을 이해하기 위해서는 하나의 모세포로부터 분화된 개개 세포단위에서 유전자 분석을 할 수 있는 기술이 필요하다. 이를 위해서는 배양세포들 가운데 특정한 세포만을 선택적으로 그리고 ‘안전하게’ 포획하는 기술이 필수적이다. 이후 포획된 세포를 새로운 분석환경으로 가져와서 유전자 시퀀싱하거나 다시 배양함으로써 그 특성을 명확하게 규명할 수 있다. 

현재 화학적 처리를 이용한 배양세포의 포획 기술(trypsinization)이 가장 광범위하게 이용되고 있으나 세포 포획의 선택성이 없으며, 또 다른 방법으로 레이저 혹은 탐침을 이용한 물리적 세포 분리/포획 방법이 제안된 바 있으나 세포의 생존성(viability)이 매우 낮다.

본 연구팀은 펄스 레이저를 흡수하여 기계적 충격(마이크로버블 혹은 전단파 발생)을 발생시킬 수 있는 고효율 에너지 변환 물질(탄소나노튜브-고분자 합성물)에 주목하였으며 세포배양용 기판으로 이 물질을 활용하였다. 레이저가 입사된 위치에 국한하여 정밀하게 충격을 발생시켜 목표 세포를 기판으로부터 분리하고 미세유체칩을 이용하여 안전하게 포획하는데 성공하였다. 포획된 세포는 원형 보존성에 있어서 기존의 화학적 포획 방법이 세포 표면을 손상 혹은 변형시키는 것과 달리 배양세포 그대로 원형이 유지됨을 확인하였다. 세포 생존성에 있어서도 동등한 수준을 갖는 것으로 나타났다. 특히 개발된 방법을 세포분석에 직접 적용하여, 하나의 암세포로부터 분화된 두 개의 딸세포를 포획 및 분석하여 같은 세포혈통 사이에도 유전적 변이가 나타난다는 것을 처음으로 규명하였다.

박형원 교수는 “이번 성과는 세포배양, 분리, 포획 등을 이용하는 광범위한 세포 분석 연구에 적용될 수 있는 매우 실용적이면서도 필수적인 실험 방법을 개발한 것이다. 정밀한 공간 선택성과 온전하게 포획되는 안정성이 동시에 확보됨에 따라 향후 세포 및 약물의 종류에 따른 수많은 특이반응을 보다 정밀하게 분석할 수 있을 것으로 기대된다.”라고 연구의 의의를 설명하였다.

ACS Nano 11(5), 4660-4668 (2017); http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.7b00413