지스트 - 칼텍 공동연구, 암치료‧파킨슨병 정복 나선다

 - GIST-Caltech, 지난해 공동연구과제 4건 이어 올해 의료분야 신규 2건 선정

 - 초소형 플랫폼 통해 암세포 성장 억제 … 파킨슨병 광유전학적 기술로 재현

□ 지스트(GIST‧광주과학기술원‧총장 김영준)와 미국 칼텍(Caltech‧캘리포니아 공과대학)이 지난해 1차로 지스트-칼텍 1대1 공동연구 과제 4건을 선정해 두 대학 연구진 간의 공동연구를 진행하고 있는 가운데, 올해에도 공동연구과제 2건을 추가 선정해 2차 공동연구를 시작한다.

 - 지스트는 2013년도 ‘지스트-칼텍 1대1 공동연구’ 연구과제 수행자로 지스트의 양성 교수(의료시스템학과 및 기전공학부)와 칼텍의 제임스 히스(James R. Heath) 교수 팀, 그리고 지스트 김형일 교수(의료시스템학과 및 기전공학부)와 칼텍 비비아나 그라디나루(Viviana Gradinaru) 교수 팀 등 2개 팀(4명)을 신규 선정했다고 23일 밝혔다. (※ ‘지스트-칼텍 공동연구’는 두 대학의 교수가 각각 1대1로 짝을 이뤄 하나의 연구그룹을 구성하고, 사전 협의에 따라 결정된 공동연구과제를 수행한 뒤 그 결과를 공동으로 발표하는 양 대학 간의 과학기술 연구교류 프로그램으로, 지난해 10월부터 처음 시작됐다.)

 - 2건의 연구과제 중 하나인 미‘세유체 기반 초소형 플랫폼을 이용한 암세포의 성장 억제 기술 개발’을 위해 칼텍의 제임스 히스(James R. Heath․화학과) 교수와 지스트 양성 교수(의료시스템학과 및 기전공학부)가 함께 공동연구를 수행한다. 또 칼텍 비비아나 그라디나루(Viviana Gradinaru․생물학과) 교수와 지스트 김형일 교수(의료시스템학과 및 기전공학부)는 첨단기술을 이용한 파킨슨병 질환의 정복에 각각 도전한다.

 - 지난해 1차 공동연구과제 선정에서는 지스트와 칼텍의 신소재‧생명‧의료분야에서 4개 팀이 선정되었으며, 이번 2차 선정에서는 모두 9개 팀이 공동연구 선정에 응모해 이 중 암 치료 기술과 파킨슨병 정복을 위한 의료분야 기술 개발 연구 과제를 제출한 2개 팀이 선정된 것이다.

 - 이들 2차 신규 공동연구과제 2건에 대해서는 오는 2016년까지 3년 간 과제당 매년 25만 달러(약 2억5천~3억 원)의 연구비가 지원될 예정이며, 연구 성과는 두 대학이 공동으로 발표하게 된다.

□ (2차 공동연구과제 선정 과정) 이번 2차 지스트-칼텍 공동연구과제 선정에는 지난해와 마찬가지로 칼텍의 세계적 석학들과 우수 연구자 9명의 교수들이 응모하는 등 여전히 큰 관심을 보였다. 지난해 1차 선정에서는 4건의 연구과제에 노벨화학상 수상자를 비롯해 모두 18명의 교수들이 응모한 바 있다.

 - 지스트-칼텍 두 대학은 지난 8∼9월 공동연구를 희망하는 각 대학 교수들로부터 공동연구 사전제안서를 제출받고, 공동 관심 분야와 주제를 검토해‘1대1 매칭’작업을 벌였다. 총 9개의 연구그룹(지스트 9명+칼텍 9명=총 18명)이 구성돼 최종 제안서를 제출했고, 두 대학이 각각 △연구의 질 △연구그룹의 능력 △공동연구의 수준 등의 평가항목을 기준으로 최종 평가를 진행해 2건의 공동연구과제를 선정했다.

 - 각 연구그룹은 향후 3년 간 연구를 수행하면서 매년 1회 중간보고서(Progress Report)를 제출하게 된다. 또 양측 과제 책임자는 매년 가을 열리는‘지스트-칼텍 워크샵’에서 진행 중인 공동연구과제에 대한 연구진행 상황과 성과를 의무적으로 발표할 예정이다. 마지막 3년째 연구 종료 시점에는 두 대학 심사위원단이 각 연구 성과를 최종 평가한다.

□ (2차 공동연구과제 ①) 이번에 공동연구 진행자로 선정된 지스트 양성 교수와 칼텍 제임스 히스 교수는 ‘초소형 플랫폼 개발을 통해 암세포의 성장을 억제하는 기술 개발’을 주제로 공동연구에 나선다. 제임스 히스 교수는 지난 2009년 포브스誌 선정 세계 탑7 이노베이터 및 2011년 Thomson Reuters가 발표한 세계 100대 화학자(28위)에 선정된 바 있다.

 - 현재는 암 환자 치료를 위해 항암제를 이용하지만, 이는 환자마다 성공률이 다르고 항암제에 대한 내성이 생기는 단점이 있다. 이를 보완하기 위한 방법으로 다양한 항암제 조합에 따른 치유 효과를 파악해야 하지만 2차원 세포 배양이나 동물 실험, 그리고 임상까지 적용하는 데 많은 시간과 자본이 소요되며, 신약 개발에 대한 부담이 크다는 어려움이 있었다. 미세유체소자(머리카락 굵기의 미세 유체 채널로 이루어진 칩)를 이용하면 동전 크기 만 한 소형 칩 안에서 단시간 내에 소량의 환자 샘플로부터 약물 반응을 10,000개 이상 테스트 할 수 있기 때문에 환자 맞춤형 최적의 약물 선택이 가능할 것으로 보인다.

 - 지스트 양성 교수 연구팀은 소량의 암 환자 조직으로부터 암세포만을 추출 및 분리하는 기술을 개발할 예정이다. 암세포는 일반적으로 정상 세포와 물리적, 전기적, 광학적인 성질 등이 다른 것으로 알려져 있다. 이러한 특징 등에 기반을 두어 미세유체 채널 내에서 종양 조직으로부터 단일 세포 수준의 암세포만을 분리하는 연구를 진행하고자 하며 이를 자동화된 소형 시스템으로 개발하고자 한다.

 - 히스 교수 연구팀은 조직으로부터 분리된 암세포를 단일 세포 수준에서 항암제의 조합에 따른 효과를 분석할 예정이다. 1만개 이상의 약물조합에 대한 테스트가 가능한 미세유체소자를 이용해 항암제 조합에 따른 암세포 크기의 변화, 세포 내부 신호 전달 물질을 분석하는 일을 진행하고자 하며, 이는 동물 실험이나 임상 실험 보다 약물에 대한 암세포의 반응을 보다 빠르고 정확하게 판단할 수 있다.

 - 이번 공동 연구를 통해 개발하고자 하는 초소형 항암 약물 분석 플랫폼을 이용하면 단시간 내에 소량의 환자 조직으로부터 암세포 분리, 암세포 약물 처리, 암세포 약물 반응을 종합적으로 분석할 수 있기 때문에 환자 맞춤형 항암제 조합 선택이 가능해 보다 높은 항암 효과 및 치유율을 높이는 데 기여할 것으로 기대된다.

□ (2차 공동연구과제 ②) 지스트 김형일 교수와 칼텍 비비아나 그라디나루 교수의 공동연구과제는‘퇴행성 질환 연구의 발전과 응용을 위한 광유전학적 양전자 단층 촬영술’이다.

 - 현대 과학이 정복하지 못한 난제로 남아 있는 분야가 우주와 뇌의 신비이다. 특히 인구 고령화 시대가 되어감에 따라 파킨슨병이나 뇌졸중 같은 만성 퇴행성 신경질환의 발병률이 기하학적으로 늘어가고 있다. 이는 이런 질환에 대한 뇌신경회로의 근본적 이해와 연구 부족에서 기인하며, 따라서 이런 질환에 대한 치료 방법의 개발에 어려움이 많다.

 - 최근 뇌신경회로에 대한 연구를 획기적으로 약진시킬 수 있는 방법이 개발되어 주목을 받고  있는데, 바로 광유전학 기술이다. 광유전학은 빛에 의하여 활동이 조절되는 채널로돕신(ChR2) 및 할로로돕신(NpHR) 등의 단백질을 뇌의 특정 신경세포에 삽입한 후 푸른빛(473nm)이나 노란빛(590nm) 같은 빛을 이용하여 신경세포를 흥분시키거나 비활성 상태가 되게 조절할 수 있는 기술이다. 우리는 이런 빛에 반응하는 단백질과 인체 삽입형 광자극기를 뇌의 자극 부위에 삽입하고 신경세포의 자극과 억제를 1000분의 1초(milisecond) 단위의 정밀도까지 조절할 수 있다. 사이언스(Science)誌는 2010년 이 기술을 ‘십년의 돌파구(Breakthrough of the decade)’로 선정하였고, 네이처(Nature)誌도 2010년 ‘올해의 기술’로 선정하기도 하였다.

 - 광유전학 분야의 선두주자인 칼텍의 그라디나루(Gradinaru) 교수 연구실과 지스트 신경조절 연구실의 김형일 교수는 이번 이러한 첨단 기술을 이용해 파킨슨병 질환의 정복에 도전한다. 기존의 파킨슨병의 동물 모델은 실제 인간 질병 형태와 달라 진단 및 치료법의 치료법개발에 많은 편차가 존재했다. 이번 협력 연구팀은 인간과 유사한 파킨슨병 모델을 광유전학적 기술로 재현하고 이에 따른 뇌 회로의 변화를 기능영상방법(양전자 단층 촬영술)을 통해 구체화시키고, 치료 방법의 검증을 이 모델에서 시행할 계획을 가지고 있다.

 - 양전자 단층 촬영술은 뇌 회로의 활성화와 비활성화를 뇌 전체적으로 영상화시켜 뇌 회로 연구에 크게 기여 할 것으로 예상되지만 아직 그 기술은 개발 단계에 머물러 있다. 이러한 연구 계획은 기존의 약물 치료와 뇌 심부자극(DBS; deep brain stimulation) 같은 신경조절술의 약점을 보완할 새로운 기술의 검증을 촉발시킬 것으로 예상하고 있다.