레이저 빛으로 세포를 집어 움직이거나 포획할 수 있는 ‘광학 집게’ 기술을 이용해 세포의 커패시턴스(전기용량) 변화를 측정함으로써 단일 암세포의 표면 특성 변화를 분석하는 바이오센서가 개발됐다. 특히 이 시스템은 세포에 상처를 내지 않고도 시행 가능한 비침습법으로, 배양 중인 단일 세포와 외부 인자의 실시간 상호작용을 지속적으로 측정해 암세포와 정상세포 사이의 특정 반응을 구별해 다양한 생물학적 응용이 가능할 것으로 전망된다.

나노에너지공학과 황윤회 교수와 광메카트로닉스공학과 김규정 교수 연구팀이 단일 세포의 세포 특성을 정략 분석하는 시스템을 개발한 이번 연구 결과는 세계적으로 권위 있는 SCI급 국제 저널인 『Biosensors & Bioelectronics』 온라인 4월 15일자(오프라인 8월호)에 게재했다.

- 논문 제목: Quantitative comparison of EGFR expression levels of optically trapped individual cells using a capacitance biosensor(커패시턴스 바이오센서를 사용한 광학 포획된 단일 세포의 성장 인자 수용체 발현 수준의 양적 비교)

- 논문 링크: https://doi.org/10.1016/j.bios.2023.115320

연구팀은 단일 세포의 ‘성장 인자(EGF)’의 결합 친화도에 따른 커패시턴스(capacitance·전기용량, 물체가 전하를 축적하는 능력을 나타내는 물리량) 변화를 기반으로 알려지지 않은 세포 유형에서 ‘성장 인자 수용체(EGFR)’의 발현 수준을 정확하게 측정하고 정량화하는 시스템을 고안했다.

최근, 생물 의학, 임상 진단, 약물 발견 등 다양한 분야에서는 단일 세포를 비침습적으로 감지하고 라벨*(표지물)* 없이 분석할 수 있는 기술에 대한 수요가 증가하고 있다. 이러한 연구는 정확한 진단 및 치료 도구 개발을 위해 필수적이며, 세포의 이질성에 의해 변화한 세포 특성을 파악할 수 있어 이전보다 더욱 정교한 분석이 가능하다. 

* 라벨: 세포 내부의 구성요소를 식별하고 추적하기 위한 표지물. 특정 단백질, 핵산 또는 다른 분자를 라벨로 사용할 수 있다.

종양 조직 내에서 서로 다른 특성을 가진 암세포들이 함께 존재하는 것을 세포의 ‘이질성’이라 하며, 이에 따른 암세포의 특성을 정확히 파악하는 것은 암 치료 전략 개발에 있어 중요한 역할을 맡는다.

이번 연구에서는 광학 집게 기술과 커패시턴스 측정 기술을 결합해 새로운 바이오센서 시스템을 개발해, 비침습적으로 단일 세포의 표면 특성을 측정할 수 있다. 

‘광학 집게’ 기술은 레이저 빛을 이용해 세포를 붙잡을 수 있는 기술이다. 빛은 한 초점에 모으면 그 주변에 끌어당기는 힘이 작용하는데, 이를 이용해 세포나 원자와 같은 작은 물질을 집어 이동시키거나 포획할 수 있다. 이 시스템은 세포의 크기와 생존력을 고려해, 측정하려는 세포를 선택할 수 있다. 또한, 세포가 외부 분자와 결합할 때 나타나는 커패시턴스 변화를 측정해 세포 표면 특성을 정량화할 수 있다. 

<광학 집게 및 커패시턴스 측정 통합 시스템의 개요도> 

(좌)세포주에 따른 성장 인자 수용체 발현 정도에 비례해 변화하는 커패시턴스 변화 정도(우)

연구팀은 이번에 개발한 시스템을 사용해 다양한 세포주에서 성장 인자와의 결합 정도에 따른 성장 인자 수용체의 발현 수준을 측정하고, 경향을 도식화해 미지의 세포가 가진 성장 인자 수용체의 발현 정도를 높은 정확도로 추정했다. 

이러한 연구결과는 세포 이질성 및 질병 진행에 대한 이해를 더욱 깊이 있게 제공할 수 있으므로, 생물 의학, 임상 진단 및 약물 발견 분야에서 중요한 역할을 할 것으로 기대된다. 또한, 새로운 질병 진단 및 치료 전략 개발에도 기여할 수 있다.

한편, 이번 연구 성과는 한국연구재단의 기초연구실지원사업 지원을 받아, 광메카트로닉스공학과 강태영(17학번) 박사과정생이 제1저자, 황윤회 교수와 김규정 교수가 교신저자로 수행했다.

* 상단 인물사진: 왼쪽부터 교신저자 황윤회 교수, 김규정 교수

[Abstract]

In this study, a research team presented a new biosensor system based on the integration of optical trapping technology and capacitance measurement technology for non-invasive measurement of single-cell surface properties. The system allows for the selection of cells to be measured based on their viability and size, and quantifies the surface properties of cells by measuring the capacitance changes that occur when they bind to external molecules. Using this system, they measured and quantified the expression levels of the epidermal growth factor receptor (EGFR) in response to binding with the growth factor (EGF) in various cell lines, and accurately estimated the expression levels of EGFR in unknown cells. This could provide a more detailed understanding of cellular heterogeneity and disease progression, making it of significant importance in various fields such as biomedical research, clinical diagnosis, and drug discovery. The developed technology has the potential to lead to the development of new diagnostic and therapeutic strategies for various diseases.

* Reference

- Authors

· First author: Tae Young Kang (Department of Cogno-Mechatronics Engineering)

· Corresponding Authors: Prof. Kyujung Kim (Department of Cogno-Mechatronics Engineering), Prof. Yoon-Hwae Hwang (Department of Nano Energy Engineering)

- Title of original paper: Quantitative comparison of EGFR expression levels of optically trapped individual cells using a capacitance biosensor

- Journal: Biosensors & Bioelectronics

- DOI: https://doi.org/10.1016/j.bios.2023.115320