[바이오토픽] 생체내 영상화: 암세포의 움직임을 생생하게 포착한다

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[바이오토픽] 생체내 영상화: 암세포의 움직임을 생생하게 포착한다

BRIC|생명과학 양병찬 (2014-05-12 10:19) | 문서원문

출처: 위키피디아(http://en.wikipedia.org/wiki/Metastasis)

Imaging: Cancer caught in the act

"살아 있는 동물의 체내에 존재하는 종양의 거동(擧動)을 모니터링하는 방법이 개발되어, 암에 대한 기존의 관념을 완전히 바꾸고 있다."

미국 뉴욕에 있는 콜드스프링 하버연구소에서 암을 연구하는 미칼라 에게블라트 박사는, 살아 있는 마우스의 몸 안에 존재하는 종양세포의 움직임을 촬영한 액션영화를 처음 만들어 보고는 까무러칠 뻔했다. 그 이전까지만 해도, 그녀는 암세포 샘플을 현미경 위의 슬라이드에 올려 놓고 연구하는 것이 고작이었다. 하지만 그건 ‘산 표본’이 아니라 ‘죽은 표본’이었다. 슬라이드 위의 암세포는 잠자코 있다가 이내 단단하게 굳어 버리기 마련이다. 이에 반해, 살아 있는 동물 안의 암세포는 생생하게 살아 있다. "생체현미경(intravital microscopy)의 전원을 켜고 살아 있는 마우스의 몸 속을 들여다보면, 암세포가 갑자기 미쳐 날뛰는 것이 보여요. 그건 암에 대한 내 생각을 송두리째 바꿔 놓았어요"라고 그녀는 말했다.

최근 암 연구자들에게는 '살아 있는 종양세포를 본래의 환경에서 관찰할 수 있는 기회'가 점점 더 늘어나고 있다. 정적인 배양조직(static tissue cultures)을 이용한 기존의 연구에서는, 암세포와 주변 세포들 간의 상호작용을 추론하는 수밖에 없었다. 그러나 「생체내 영상화」(intravital imaging) 기술을 이용하여 살아 있는 동물 속의 암세포를 경시적(經時的)으로 추적하면, 암세포와 주변세포 간의 상호작용을 관찰하고, 종양 속의 핵심세포들(암의 원동력이 되며, 항암치료에 저항하는 세포들)을 집중적으로 공략할 수 있다.

「생체내 영상화」 기술의 역사는 일천하며, 연구자들은 아직 기가바이트 수준의 비디오 데이터를 분석하는 최선의 방법을 마련하느라 노심초사하고 있다. 그러나 지난 10년 동안 연구자들은 「생체내 영상화」를 이용하여 핵심적인 세포 및 분자 수준의 사건(예: 종양세포가 혈관으로 침투하는 과정)에 대한 타임라인(timeline)을 작성하는 데 성공했다. 이 같은 성과는 암의 증식, 전이, 저항성 획득에 대한 새로운 가설을 수립하는 데 도움이 되었다. 이러한 정보는 궁극적으로, '일부 암세포는 왜 항암제에 굴복하지 않을까?'라는 신약 개발자들의 의문을 푸는 데 도움이 될 것으로 보인다.

또한 많은 이들이 동영상이라면 까빡 죽는 오늘날의 사회적 분위기를 감안할 때, 「생체내 영상화」 기술은 환자들에게 큰 동기부여가 될 수 있다. "우리가 환자들에게 동영상을 보여주면, 환자들은 의자에서 벌떡 일어나 종양의 다이내믹한 움직임에 큰 관심을 보인다. 바야흐로 암에 대한 환자들의 인식이 달라지는 것이다"라고 네덜란드 네이메헌 라다바우드 대학교(Radboud University Nijmegen)의 페터 프리들 박사는 말했다.

(1) 심해잠수(deep dive)

1990년대 후반에 암 생물학자들이 처음 사용한 이래, 「생체내 영상화」는 고성능 생체현미경으로 무장하게 되었다. 이 현미경은 마취시킨 마우스의 노출된 조직을 직접 들여다볼 수 있는, 매우 강력한 것이었다. 관련 기술이 일취월장하여, 깊숙한 조직(세포 20개의 두께)를 들여다보고 희미한 신호까지도 포착하는 것이 가능해짐에 따라, 보다 많은 연구소들이 「생체내 영상화」를 채택하게 되었다. 또한 분자마커(molecular markers)의 라이브러리가 확대되면서, 연구자들은 최대 8가지의 상이한 세포 및 구조체를 시각화할 수 있게 되었는데, 그중에는 다양한 면역계 세포와 혈관벽을 구성하는 내피세포(endothelial cells)도 포함되어 있다. "분자마커와 현미경 기술의 발전이 결합하여 강력한 「생체내 영상화」 기술을 탄생시켰다"라고 제넨테크(Genentech: 캘리포니아주 샌프란시스코 소재 바이오 업체)의 분자종양학 담당 부사장인 프레데릭 드 소바주는 말했다. (그는 「생체내 영상화」 기술의 발전과정을 생생히 목격해 온 산증인이다.)

이상과 같은 구성요소들을 결합하면, 전이·증식·상호작용하는 암세포의 복잡한 생태계를 하나의 포괄적인 그림(comprehensive picture)으로 파악할 수 있다. 암 연구자들은 오랫동안 '종양 속의 세포들은 유전적으로 이질적(genetically heterogeneous)이다'라고 이해해 왔지만, 「생체내 영상화」 기술을 이용하면 ‘개별세포들이 어떻게 다르게 행동하는지’를 두 눈으로 확인할 수 있다. 예컨대, 암세포는 종양의 종류 및 주변환경에 따라 일렬종대로 행진하거나, 빽빽한 그룹을 형성하여 집단적으로 움직일 수 있다.

고성능 생체현미경에 포착된 세포들 중에서도, 특히 신비로운 행동을 보인 것은 대식세포(macrophage)다. 대식세포는 면역세포의 일종으로, 일반적으로 병원체를 집어삼키고 죽은 세포들을 제거하며 면역반응을 자극하는 역할을 하는 것으로 알려져 있다. 그런데 대식세포는 면역세포를 자극하여 암과 싸우게 하기도 하지만, 종종 종양의 증식과 전이를 돕기도 하는 등 ‘양다리’를 걸치는 것으로 밝혀졌다.

구체적으로, 대식세포는 종양세포 및 내피세포와 함께 하나의 구조체(structure)를 형성하여, 종양세포를 혈류 안으로 밀어넣는 ‘펌프’ 역할을 하는 것으로 밝혀졌다. 종양세포가 혈류 안으로 침투하는 것(intravasation)은 전이의 핵심 단계 중 하나다. 알버트 아인슈타인 의대의 존 콘딜리스 교수가 이끄는 연구자들은 설치류를 이용한 실험에서, "대식세포가 포유류의 종양세포와 접촉할 경우 종양세포의 침습성이 강해져, 혈관을 둘러싼 (단백질이 풍부한) 기질을 분해하여 내피세포 사이로 비집고 들어간다"는 사실을 발견했다. 다시 말해서, 대식세포는 내피세포의 긴밀한 상호결합을 와해시켜 혈관벽에 구멍을 냄으로써, 종양세포가 조직을 빠져나와 혈류 안으로 들어갈 수 있도록 도와준다 것이다(참고 1, 2).

콘딜리스 교수가 이끄는 연구진에 의하면, 인간의 유방암에도 이 같은 '펌프'가 존재한다고 한다. 또한 연구진은 3개의 분자마커(펌프)를 발견했는데, 이것들은 구조체를 이루는 3가지 세포에 각각 대응하므로, 종양 속에 '펌프'가 존재하는지를 알려준다고 한다. 실제로 60명의 유방암 환자를 대상으로 한 연구에서, 종양 속에 이 '펌프'를 많이 보유한 환자들은 암이 다른 기관으로 전이할 위험이 더 높은 것으로 밝혀졌다(참고 3). 메타스탓(MetaStat: 뉴저지주 몬트클레어 소재)이라는 신규 바이오업체는 이러한 원리를 이용하여, 유방암 환자들의 전이 위험을 측정하는 검사키트를 개발했다. 동사(同社)는 올해 말까지 이 검사키트를 임상시험에 회부할 예정이다. 한편 콘틸리스 교수가 한편 이끄는 연구진은 MRI를 이용하여 '펌프'를 확인하는 탐침(probe)을 개발하고 있다. 이 탐침을 개발할 수 있다면, 환자의 불필요한 조직 생검(biopsies)을 회피하여 삶의 질을 개선할 수 있을 것으로 보인다.

그밖의 다른 연구진은 「생체내 영상화」를 이용하여 항암제의 행방을 추적하는 방법을 개발하고 있다. 이 방법을 이용하면 특정 약물이 효과를 발휘하지 못하는 이유를 밝혀낼 수 있다. 즉, 지금까지 암 생물학자들은 종양의 증식상태와 크기를 측정함으로써 항암제의 효과를 가늠해 왔다. 그러나 「생체내 영상화」를 이용하여 항암제의 움직임을 추적한다면, 종양 속의 어떤 세포가 항암제를 흡수하는지를 직접 확인할 수 있으며, 나아가 해당 세포의 생사(生死) 여부까지도 알아낼 수 있다,

에게블라트 박사가 이끄는 연구진은 독소루비신(doxorubicin)이 포유류의 종양 속으로 침투해 들어가는 장면을 동영상으로 촬영해 보고는 깜짝 놀랐다. (독소루비신은 스스로 형광을 발하는, 특이한 항암제다.) 종양의 크기가 아무리 작더라도, 각 세포별로 독소루비신의 침투량이 판이하게 달랐으며, 이에 따라 사망하는 세포의 수에도 큰 차이가 있는 것으로 나타났기 때문이다(참고 4). 사후분석 결과, 독소루비신의 침투량을 결정하는 중요한 요인은 종양 혈관의 누출성(leakiness)인 것으로 밝혀졌다(참고 4). 특히 중기 종양(mid-stage tumours)의 경우 초기나 말기 종양보다 혈관이 너덜너덜하여(구멍이 많아), 항암제에 민감하게 반응하는 것으로 판명되었다. "우리의 연구결과는 ‘혈관의 투과성(permeability)을 증가시키는 화합물을 이용하면 항암제의 전달을 향상시킬 수 있다’는 것을 시사한다"고 에게블라트 박사는 말했다.

(2) 전망창(viewing window)

살아 있는 마우스의 몸 속에 존재하는 종양을 포착하려는 과학자들의 노력은, 처음에는 하나의 영상화 세션에 국한되었었다. 하지만 그들의 목표는, 동일한 동물을 대상으로 하여 며칠~몇 주 동안 종양의 상태를 관찰하여 장기적인 변화를 추적하는 것이었다. 많은 과학자들은 이를 위해 전망창, 즉 커버글라스가 장착된 프레임(glass coverslip in a frame)을 마우스의 피부에 이식하는 방법을 사용하고 있다. 이 같은 '전망창'을 이용하면 뇌, 복부, 유선(mammary glands) 등을 외부에서 들여다볼 수 있어, 동일한 동물의 동일한 부위를 몇 번이고 반복하여 촬영할 수 있다. 관찰 및 촬영이 끝난 후, '전망창'이 달린 마우스는 케이지 안으로 들어가 정상적인 일상생활을 영위하게 된다.

네덜란드 후브레히트 연구소의 야코 반 레넨 박사가 이끄는 연구진은 '전망창'을 이용하여, 살아 있는 마우스의 간(肝)에서 집락을 이룬 결장직장암 세포를 2주 동안 관찰했다. 관찰 결과 결장과 직장에서 간으로 전이된 암세포는 처음 며칠 동안 간의 좁은 영역에서만 움직이더니, 5일째가 되자 움직임을 멈추고 간 안에 빽빽하게 들어차기 시작하는 것으로 나타났다. 연구진은 이 같은 관찰 결과를 토대로 하여, "마우스의 경우, 암이 퍼져나가는 초기단계에서 세포의 이동(cell migration)을 저해하는 분자를 투여하면, 이후에 발달하는 전이성 간암의 병변 수를 줄일 수 있다"고 보고했다(참고 5).

(3) 최근 동향과 과제

암의 「생체내 영상화」 기법이 성숙해 감에 따라, 그것은 단지 '눈길을 끄는 비디오(eye-catching films)'의 수준을 넘어 세밀한 정량적 데이터(detailed quantitative data)를 생성하는 수준으로 발전하기 시작했다. 예컨대, 예컨대 「생체내 영상화」 기술을 이용하면 암세포의 이동 속도와 방향을 측정할 수 있는데, 이 같은 데이터를 이용하면 세포행동의 수학적 모델을 구축하고 정교화할 수 있다. "오늘날 과학자들은 「생체내 영상화」를 이용하여 종양세포가 조직에 침입하는 과정을 예측할 수 있게 되었다"라고 프리들 박사는 말했다.

그러나 이러한 정량 데이터를 만들어내는 것은 매우 어렵고 시간이 많이 걸린다는 문제점이 있다. 에게블라트 박사에 의하면, 동영상을 분석하는 데 걸리는 시간이 동영상을 만드는 데 걸린 시간의 15배나 된다고 한다. 다른 전문가들에 의하면, 정량적 영상분석에 사용되는 소프트웨어가 제한적이어서, 많은 연구소들이 자체적으로 소프트웨어를 개발해야 하는 실정이라고 한다.

한편 「생체내 영상화」 는 끊임없이 기술적 도전에 직면하고 있다. 우선, 「생체내 영상화」 는 표피에 가까운 조직에만 접근할 수 있어, 적용될 수 있는 종양의 종류가 몇 가지밖에 안 된다. 또한 「생체내 영상화」 를 고전적 분자생물학 도구와 통합시키는 것이 어렵다는 것도 문제다. "기존의 과학자들은 형광 바이오센서(fluorescent biosensors)를 이용하여, 세포의 신호전달경로가 언제 어디서 작동하기 시작하는지를 연구해 왔다. 그런데 이 같은 센서 중 상당수는 in vitro에서 사용되므로, in vivo에서 나타나는 미세한 변화를 포착할 만큼 감도가 뛰어나지 않다는 문제점이 있다. In vitro에서는 세포에 조작을 가하여 신호전달 과정을 증폭시킬 수 있지만, in vivo에서는 그러기가 어렵기 때문이다"라고 반 레넨 박사는 말했다. "고전적 분자생물학 도구들을 이용하면 종양세포가 사용하는 분자적 도주경로(molecular escape routes)를 파악함으로써, 일부 종양세포가 항암제의 공격을 피하는 방법을 이해할 수 있다. 세포의 거동 뒤에는 그것을 초래하는 생화학 반응들이 도사리고 있다"라고 콜드스프링하버 연구소의 스콧 파워스 박사(암 유전학)는 말했다.

이제 에게블라트 박사는 생화학 및 유전학적 도구들을  「생체내 영상화」 에 통합시키는 작업에 착수한 상태다. 그녀는 곧 새로운 프로젝트를 런칭할 계획인데, 이것은 마우스의 유방암이 몇 주간 증식하는 동안, 그 속에 존재하는 상이한 세포군(群)들의 역사를 추적하는 것이다. 프로젝트가 끝나갈 무렵, 그녀가 이끄는 연구진은 종양을 제거한 다음 개별세포의 유전체를 시퀀싱할 방침이다. 연구진의 목표는, 종양의 상이한 부분에서 나타나는 세포의 행동(예: 신속한 증식, 약물 저항성)을 유전자 발현패턴과 연결짓는 것이다. 또한 연구진은 마우스를 대상으로 하여, 종양이 증식하는 과정에서 핵심 발암유전자의 활성이 변화하는 과정을 영상화한다는 계획도 갖고 있다.

에게블라트 박사에게 있어서, 새로운 프로젝트는 그녀를 「생체내 영상화」 로 인도했던 최초의 질문을 해결하는 기회가 될 것으로 보인다. 그것은 "종양의 상이한 구성요소들과 그 환경은 어떻게 공진화(co-evolve)할까?"라는 의문이었다. 파워스 박사는 에게블라트 박사와 공동연구를 진행하고 그녀가 만든 동영상을 시청하면서, 종양의 유전자는 물론, 종양을 둘러싼 미세환경이 암세포의 행동에 영향을 미치는 과정을 이해하게 됐다고 한다. "종양의 환경이 종양의 행동에 영향을 미치지 않는다는 것은 어불성설이다. 에게블라트 박사는 과거에 우리가 주목하지 않았던 것들을 추적하여 기록으로 남기고 있다"고 파워스 박사는 말했다.

※ 첨부그림 설명
1. 살아 있는 마우스의 암세포를 생체현미경으로 촬영한 모습. 흑색종 세포(녹색)가 피부조직으로 침투하는 장면을 보여주고 있다. 근섬유(오렌지색), 신경섬유(청색), 콜라겐(회색), 혈관(적색) 등의 다양한 구조체들이 암세포를 인도하고 있음을 알 수 있다.

 
2. 종양세포(보라색)가 마우스의 피부조직으로 침투하는 과정을 보여주는 동영상. 이 동영상은 약 200㎛ 두께의 조직절편을 3차원으로 촬영한, 어마어마한 양의 이미지들로 이루어져 있다.

3. 짙은 청색의 핵을 가진 흑색종 세포가 혈관과 콜라겐 섬유의 안내를 받아 마우스의 지방 조직으로 침투하는 모습.

4. 짙은 청색의 핵을 가진 마우스의 피부에 침투하는 모습. 흑색종 세포가 근섬유, 신경섬유, 혈관을 이용하여 갈 길을 찾고 있다. 

※ 참고문헌:
1. Wyckoff, J. B. et al., “Direct Visualization of Macrophage-Assisted Tumor Cell Intravasation in Mammary Tumors”, Cancer Res. 67, 2649–2656 (2007).
2. Roh-Johnson, M. et al., “Macrophage contact induces RhoA GTPase signaling to trigger tumor cell intravasation”, Oncogene http://dx.doi.org/10.1038/onc.2013.377 (2013).
3. Robinson, B. D. et al.‘ “Tumor Microenvironment of Metastasis in Human Breast Carcinoma: A Potential Prognostic Marker Linked to Hematogenous Dissemination”, Clin. Cancer Res. 15, 2433–2441 (2009).
4. Nakasone, E. S. et al., “Imaging Tumor-Stroma Interactions during Chemotherapy Reveals Contributions of the Microenvironment to Resistance”, Cancer Cell 21, 488–503 (2012).
5. Ritsma, L. et al., “Intravital Microscopy Through an Abdominal Imaging Window Reveals a Pre-Micrometastasis Stage During Liver Metastasis”, Sci. Transl. Med. 4, 158ra145 (2012).

※ 출처: Nature 509, 148–149 (08 May 2014) doi:10.1038/509148a
http://www.nature.com/news/imaging-cancer-caught-in-the-act-1.15148

바이오토픽 양병찬(약사, 번역가) 서울대학교 경영학과와 동대학원을 졸업하고, 은행, 증권사, 대기업 기획조정실 등에서 일하다가, 진로를 바꿔 중앙대학교 약학대학을 졸업하고 약사면허를 취득한 이색경력의 소유자다. 현재 서울 구로구에서 거주하며 낮에는 약사로, 밤에는 전문 번역가와 과학 리포터로 활발하게 활동하고 있다. 풍부한 인생경험을 살려 의약학, 생명과학, 경영경제, 스포츠, 소설에 이르기까지 다양한 분야의 서적들을 번역 출간했다. 매주 Nature와 Science에 실리는 특집기사 중에서 바이오와 의약학에 관한 것들을 엄선하여 실시간으로 번역 소개한다. https://www.facebook.com/OccucySesamelStreet