[ 과제소개: 스펙트럼 바코딩 기반 다중 면역세포 분석기술 ]

supported by 중견연구과제, 한국연구재단

1. 다중 면역세포 분석 (Deep immunophenotyping)의 필요성

- 면역세포는 우리 몸속을 순환하며 질병에 대응하고 여러 생리학적 조절에 관여합니다. 이 때문에 면역장애와 연관된 질병 발생을 이해하고 치료방법을 개발하는데 있어서 다양한 종류의 면역세포들을 체계적으로 분석하는 것이 중요한데요. 예를 들어, 자가면역질환은 자기 항원(self-antigen)과 반응하는 수용체를 가진 소수의 면역세포에 의해 유발될 수 있으며, 면역억제로 인해 면역세포의 암세포 사멸 능력이 저하되는 과정은 암의 발생 및 성장과 밀접하게 연관됩니다 (그림1).

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그림1. 면역억제로 인해 면역세포의 암세포 사멸 능력이 저하되는 과정. [출처: https://www.ucir.org]

그림2. 다양한 면역세포 아형(subsets)을 보여주는 개념도 [출처: https://doi.org/10.3390/ijms17081316]

- 우리 몸 속에는 30여 종이 넘는 다양한 면역세포들이 상호작용하며 면역시스템을 구성하고 있는데요 (그림2). 면역세포들은 질병에 따라서 세포간 비율이 변화하거나 질병특이적 표현형(phenotype)을 발현합니다. 예를 들어, 급성백혈병은 18여개 이상의 면역표현형 분석을 통해서 진단할 수 있으며, 정상 혈액세포에서는 발현되지 않는 비정상적인 항원(예: 골수성 표지자, CD13, CD14, CD33)들이 존재하게 됩니다. 이처럼 면역장애와 관련된 질병의 진단과 치료를 위해서는 면역세포 한두가지가 아닌 전체 면역시스템 수준에서의 체계적인(systematic) 분석은 필수적입니다.

- 다중 면역표현형 분석을 위한 표준 분석기기는 유세포분석기(flow cytometry)인데요. 이는 형광 색(color) 기반의 분석방법으로 구분가능한 색 종류의 한계로 인해서 동시에 분석가능한 면역표현형의 수가 10여개 내외로 한정된다는 한계를 가집니다. 또한, 각각의 색소를 검출하기 위해서는 다수의 광원, 필터 및 센서가 필요하게 되어, 분석 변수가 늘어날수록 유세포분석기의 광학계와 분석과정이 복잡해진다는 구조적인 한계도 가집니다.

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2. 스펙트럼 바코팅 개념

- 스펙트럼 바코딩은 다중 면역표현형 분석 한계를 극복하기 위해서 제안하는 개념입니다 (그림3). 기존 색 기반 분석방법의 한계를 극복하고자 제한된 종류의 색소를 이용하면서 이들을 배색하여 다양한 조합을 생성하고자 합니다. 마치 바코드 또는 QR코드와 같이 면역세포마다 다양한 패턴으로 배색된 색소가 생성하고 이를 바코드 스케너와 같은 미세유세포분석기로 스캔하여 다중 면역세포를 분석할 수 있게 됩니다. 이를 통해서 수십여 종에 달하는 면역표현형을 동시에 분석하는 것이 본 과제의 최종 목표입니다. (그림3).

- 스펙트럼 바코딩을 이용한 면역계의 시스템 수준 분석은 면역장애와 연관된 다양한 질병의 진단 및 치료 모니터링에 폭넓게 활용될 수 있을 것입니다. 면역계의 시스템 수준 분석은 치료효과가 떨어지는 환자들의 경우에도 질환 특이적인 바이오마커 스크리닝을 가능하게 합니다. 면역질환에서는 보통 바이오마커가 치료기전과도 직접적으로 연계되기 때문에 새로운 치료법의 개발로도 확대될 수 있을 것입니다.

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그림3. 스펙트럼 바코딩 기반의 다중 면역표현형 분석 개념도

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그림4. 유세포분석기와 스펙트럼 바코딩 기술의 비교