4차산업혁명, 홀로그래피.인공지능으로 질환 연구하다<펌>

 

홀로그래피·인공지능으로 질환 연구한다

 

 

홀로그래피ㆍ인공지능 기술로 질환 연구의 새로운 길이 열렸습니다. 인공지능(AI) 기반 3차원 홀로그래피 기술로 특정 세포를 인식하고 세포의 굴절률을 측정해 세포 내 특정물질의 양을 분석할 수 있는 기술을 개발했습니다. 이는 향후 현대인의 과도한 지방섭취 식습관과 운동부족으로 과다 축적되는 지방이 야기하는 퇴행성 질환들을 더 깊게 이해하고 신규 치료제 및 표적 나노약물 개발을 위한 새로운 전략을 세우는 데 이번 연구가 도움이 될 것으로 기대됩니다.

 

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홀로그래피와 인공지능 기술로 질환 연구! 출처: AdobeStock

한국기초과학지원연구원(KBSI) 광주센터 이성수 박사 연구팀과 중앙대학교 시스템생명공학과 박경순 교수 연구팀은 인공지능(AI) 기반 3차원 홀로그래피 기술로 특정 세포를 인식하고 세포의 굴절률을 측정해 세포 내 특정물질의 양을 분석할 수 있는 기술을 개발했습니다. 또한, 기술의 적용 사례로써 거품세포(Foam Cell)의 분화 과정에 따른 지질방울(Lipid droplet)의 변화를 정량적으로 분석했습니다. 새로 개발된 분석기술은 3D 홀로그래피 현미경 장비를 활용했습니다.

 

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ACS Nano (2020.2) 속표지(Supplementary Journal Cover) 이미지. 출처: KBSI

염색 등 전처리 과정 없이 생체와 유사한 상태의 세포를 관찰하며 실시간으로 내부 물질의 양적 변화도 측정할 수 있는 분석 기술로 향후 질환에 대한 이해와 치료제 개발 등 관련 분야에서의 연구에 폭넓게 활용될 것으로 기대됩니다. 해당 연구는 에 게재됐습니다.

거품세포(Foam Cell)

동맥 내에 있는 대식세포(침입한 세균 등을 포식하는 면역세포의 일종으로 혈관 내 지방성 침전물을 제거하는 역할도 함)내에 과도하게 지방이 쌓이면 거품세포로 분화하게 되는데 이렇게 만들어진 거품세포는 혈관 내에서 만성염증을 유발하는 등 동맥경화의 원인이 됩니다.

 

인공지능과 3차원 홀로그래피 기술을 응용해 세포 분석

 

세포 내 물질을 정량적으로 분석하는 기존 방법은 세포 내에 침투하는 염색약을 이용하는 것으로 화학물질인 염색약이 세포에 미치는 각종 영향과 유해성이 분석의 정확성을 떨어뜨릴 수 있다는 이슈가 지속적으로 제기돼 왔습니다. 이번에 공동 연구팀이 개발한 인공지능(AI) 기반 3차원 홀로그래피 기술을 응용하면 별도의 전처리 과정 없이 살아있는 세포 내부 물질을 정량화 할 수 있었습니다. 이를 통해 생체 내에서와 유사한 상태의 세포를 분석하게되므로 보다 정확한 정보를 얻을 수 있었습니다. 참고로 홀로그래피는 분석시료에서 빛의 진폭, 위상(phase), 간섭 등의 정보를 취합해 컴퓨터 연산을 통해 영상의 형태로 빛의 분포를 재구성·재현해내는 기술을 말합니다.

 

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굴절률 분석을 통한 대식세포 및 거품세포의 2차원, 3차원 구조. 출처: KBSI

KBSI 이성수 박사 연구팀은 이번에 개발한 분석기술을 활용해 인공지능으로 세포를 식별하고 24시간 동안 관찰했습니다. 단일 세포 수준에서 대식세포(Macrophage)와 거품세포의 빛에 대한 굴절률, 부피, 세포 내 지질방울 개수 등을 분석했습니다. 특히, 대식세포가 과도하게 쌓인 지방에 의해 거품세포로 분화하는 과정을 3D 홀로그래피 현미경으로 관찰하며 대식세포 내의 지질방울(Lipid droplet)의 양적 변화를 분석했습니다.

 

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거품세포 및 살아있는 세포(대조군)에 대한 약물 처리 후 지질방울의 24시간 정량적 변화를 통한 약물 효과 검증. 출처: KBSI

중앙대학교 박경순 교수팀은 거품세포에 특이적으로 결합해 세포 내에 직접 작용하는 표적 나노 약물을 개발했습니다. 이 약물은 거품세포에 작용해 콜레스테롤을 세포 밖으로 배출시키는 역할을 함으로써 지질방울이 과다하게 축적되지 못하게 합니다.

 

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상단 오른쪽부터 제1저자 KBSI 박상우 박사후연구원, 중앙대 안재원 박사과정 대학원생, KAIST 조영주 학부생. 하단 오른쪽이 (교신저자) KBSI 이성수 책임연구원, 왼쪽이 중앙대 박경순 교수. 출처: KBSI

공동 교신저자인 KBSI 이성수 박사와 중앙대 박경순 교수는 "현대인의 과도한 지방섭취 식습관과 운동부족으로 과다 축적되는 지방이 야기하는 퇴행성 질환들을 더 깊게 이해하고 신규 치료제 및 표적 나노약물 개발을 위한 새로운 전략을 세우는 데 이번 연구가 도움이 될 것"이라고 밝혔습니다