암세포에 압력 빠르게 쌓이면 전이 성향 높아진다[과학을읽다]

IBS, MRI로 종양 내부 압력 측정하는 센서 개발
압력 증가 속도가 암세포 이동·침습성에 미치는 영향 규명

암 조직 내부의 압력이 빠르게 증가하면 암세포가 다른 조직으로 퍼지기 쉬운 성질을 갖게 된다는 사실이 밝혀졌다. 압력이 얼마나 큰지뿐 아니라 얼마나 빠르게 증가하는지도 암세포의 전이 성향에 영향을 미친다는 것이다. 국내 연구진은 자기공명영상(MRI)으로 살아있는 종양 내부의 압력을 측정하는 센서를 개발해 이러한 현상을 확인했다.

암세포에 가해지는 압력의 증가 속도에 따른 전이 성향 변화 모식도. 압력이 서서히 증가하면 암세포의 전이 성향이 약해지지만, 급격히 증가하면 전이 성향이 높아지는 것으로 나타났다. 연구진 제공

기초과학연구원(IBS)은 천진우 나노의학 연구단 단장(연세대 언더우드 교수)과 전영욱 미국 캘리포니아대 샌프란시스코캠퍼스(UCSF) 교수 공동연구팀이 종양 내부의 압력을 MRI로 측정하는 '엠큐브(M3)' 센서를 개발하고, 압력 변화가 암세포의 전이 성향에 미치는 영향을 규명했다고 12일 밝혔다. 연구 결과는 국제학술지 '네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology)'에 지난달 28일 게재됐다.

종양은 성장하면서 주변 조직을 밀어내고 내부에도 압력이 쌓인다. 이러한 물리적 압력이 암세포의 행동에 영향을 준다는 사실은 알려져 있었지만, 살아있는 종양 깊숙한 곳에서 압력이 어떻게 변하는지 직접 측정하기는 어려웠다. 기존의 광학 센서나 현미경은 빛이 잘 도달하지 않는 조직 내부를 장시간 관찰하는 데 한계가 있었다.

MRI로 종양 속 '보이지 않는 압력' 측정

연구팀이 개발한 엠큐브 센서는 해조류에서 얻는 물질로 만든 젤 형태의 알지네이트 하이드로젤에 미세한 자성 나노입자를 넣은 구조다. 주변에서 압력이 가해지면 하이드로젤이 수축하고, 내부 자성 나노입자 주변의 물 분자 환경이 달라지면서 MRI 신호가 변한다.

연구팀은 이 원리를 이용해 종양 내부에 가해지는 1~15킬로파스칼(kPa) 범위의 압력을 측정하는 데 성공했다. 특히 밀리미터보다 작은 공간 단위로 압력 분포를 확인할 수 있어 종양 내부의 어느 부위에 압력이 집중되는지도 살펴볼 수 있게 됐다.

연구팀은 실제 종양의 특성을 모사한 3차원 세포 배양체인 '종양 오가노이드'와 동물 모델을 이용해 압력 변화에 따른 암세포의 반응을 분석했다.

엠큐브 센서와 MRI를 이용해 살아있는 종양 내부의 압력 변화를 추적한 연구 결과. 암세포의 전이 성향이 높은 영역과 낮은 영역에서 서로 다른 압력 스트레스가 관측됐으며, 압력 변화가 암세포의 이동성과 침습성에 영향을 미치는 원리도 규명했다. 연구진 제공

그 결과, 압력이 천천히 증가할 때는 암세포에 뚜렷한 변화가 나타나지 않았다. 반면 압력이 급격하게 증가하면 세포 내부에 산화스트레스가 강하게 발생하고, 물리적 자극에 반응하는 YAP/TAZ 단백질과 관련된 유전자 활동이 증가했다.

이와 함께 암세포 사이의 연결이 느슨해지고 주변 조직으로 이동하거나 침투하기 쉬운 성질을 갖는 '상피-간엽 형질전환(EMT)' 과정도 촉진됐다. EMT는 암세포가 원래 조직에서 떨어져 나와 다른 부위로 퍼지는 전이 과정에 관여하는 주요 현상이다.

압력의 크기보다 변화 속도도 중요

이번 연구는 암세포에 작용하는 물리적 압력의 크기뿐 아니라 압력이 증가하는 속도도 암세포의 행동을 바꾸는 중요한 요인일 수 있음을 보여줬다.

특히 기존에는 관찰하기 어려웠던 종양 내부의 압력 변화를 MRI로 추적하면서 물리적 자극과 암세포의 생물학적 반응을 연결했다는 점에서 의미가 있다.

연구진 사진. 왼쪽부터 천진우 IBS 나노의학연구단 단장(교신저자), 전영욱 UCSF 교수(교신저자), 안민지 IBS 나노의학연구단 박사후연구원(제1저자). IBS 제공

다만 이번 연구에서 확인한 것은 암세포의 이동성과 침습성 증가 등 전이에 유리한 특성이다. 실제 환자에게서 암이 다른 장기로 전이하는 현상을 예측하거나 진단하는 기술이 개발된 것은 아니다. 향후 사람의 암 조직에서도 같은 현상이 나타나는지 추가 연구가 필요하다.

연구팀은 엠큐브 센서가 암 연구뿐 아니라 조직 재생과 염증, 섬유화 등 다양한 생명현상에서 물리적 압력이 미치는 영향을 규명하는 데 활용될 수 있을 것으로 기대하고 있다.

천진우 IBS 나노의학 연구단장은 "이번 연구는 살아있는 종양의 '보이지 않는 힘'을 MRI로 추적하고, 이러한 암세포에 작용하는 압력 스트레스의 변화가 전이 성향과 밀접하게 연결돼 있음을 밝혀낸 연구"라며 "향후 엠큐브 센서는 암 전이뿐 아니라 조직 재생, 염증, 섬유화 등 다양한 생명현상에서 물리적 힘이 어떤 역할을 하는지 밝히는 데 활용될 수 있을 것으로 기대한다"고 말했다.

김종화 기자 justin@asiae.co.kr