광학영상분석실
Optical Imaging Core Lab
광학영상 기술은 21세기 차세대 10대 핵심 산업기술로 선정된 바 있으며 향후 의료 시장의 중요한 기술로 임상 응용이 확대될 것으로 예상됩니다.
따라서 향후 암 조기진단과 항암효과 모니터링, 염증성 질환, 대사성 질환 등 여러 연구 영역에서 응용 연구가 진행될 것이며 이 연구들의 국제 경쟁력 확보가 중요한 상황입니다.
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| 담당교수 | 김상엽 교수 |
|---|---|
| 담당연구원 | 류연미 연구원 |
신호 전달 기작에 관련된 많은 단백질들이 현재 밝혀졌으며 상호기작에 관한 연구가 활발히 이뤄지고 있습니다. 그러나 신호 전달 기작에서 연결된 단백질 간의 관계를 보다 완전하게 이해하기 위해서는 시간과 공간의 정보가 필요합니다. 이러한 정보는 실시간 이미징 기술의 발달로 비약적인 성장을 하고 있으며 특히 2008년 노벨화학상을 받은 분야인 녹색 형광단백질 (Green fluorescent protein, GFP)은 발견 이후 생명공학연구 분야에 있어 분자 이미징과 같은 바이오-모니터링의 핵심기술로 사용되고 있습니다. 실시간 세포영상뿐만 아니라 최신 FRET 분석 기법으로 세포내 신호기전 분석을 지원하여 연구에 새로운 통찰력과 차별화된 영상 결과를 얻어 향후 환자에서 응용하는 등 지속적인 중개 연구를 수행하고 있습니다.
- 실시간 세포영상: 타겟 단백질의 세포내 운동성을 영상, 세포내 Ca2+, Zn2+, Lysosome, ROS, pH 등의 변화를 실시간 영상
- FRET 프로브를 이용한 세포내 신호 기전 실시간 영상: 세포내 다양한 신호기전을 FRET 기법을 이용하여 영상 (smallGTPase 들의 실시간 활성화, 세포내 small molecule 들 (ATP, cAMP, Ca2+, Zn2+, ROS, NADH 등)을 실시간 영상, 다양한 protein kinase들의 활성을 실시간 영상, 세포막에 조성 변화 (phosphoinositide들, PA, PS)를 실시간 영상)
실시간 FRET 영상 현미경
Long-term 실시간 영상 현미경
현재 많은 신호 전달 기작은 GST-pulldown, co-IP, Yeast two-hybrid system, IF 등을 이용하여 증명하고 있다. 여전히 이러한 기법은 단백질-단백질 간의 interaction을 밝히는데 유용하다. 그러나 완벽한 단백질 간의 상호작용을 이해하기 위해서는 시공간적 정보가 필요하다. 이러한 정보는 실시간 이미징 기법이 반드시 필요하다.
일반적으로 사용되어지는 형광 현미경은 분해능이 약 200 nm이며 고 해상도의 공초점 현미경은 150 nm임으로 단백질-단백질 간의 상호작용을 연구하기에는 부족하다. 따라서 이러한 분해능의 한계를 해결하기위해서 FRET 기법을 도입함으로 해결 할 수 있다. FRET 신호는 약 10 nm 이내의 결합이 되어야 일어남으로 현미경 분해능의 한계를 넘을 수 있다.
일반적으로 라이브 이미징은 타겟 단백질에 형광 단백질을 융합한 형태로 이미징을 함으로 단순 위치 변화의 정보를 얻을 수 있으며 실시간 이미징시 세포가 빠르게 움직이게 되면 형광 밝기가 변하므로 정확한 정보를 얻기가 어렵다. 따라서 이러한 문제점을 해결하기 위해서는 FRET-based indicator를 사용함으로 정확한 시공간적 정보를 얻을 수 있다. 그러나 FRET 기법을 활용하기 위해서는 많은 노하우가 필요하고 경험이 필요하다. 특히 최대값과 최저값간의 CFP와 YFP intensity의 ratio 차가 적은 poor dynamic range를 갖는 indicator를 사용 시 잘못된 정보를 얻을 수 있으므로 주의가 필요하다.
FRET이란 서로 스펙트럼이 중첩되는 한 쌍의 형광 물질이 서로 매우 근접하게 정렬될 때 두 개의 형광물질 사이에 무방사 에너지 전이 (radiation-less energy transfer)가 생기는 현상입니다.
1997년 최초로 cameleon이라는 Ca2+ FRET indicator (CFP-Calmodurin-M13-YFP의 단분자 (intramolecular) FRET indicator)의 개발로 세포 내의 Ca2+ 변화를 실시간 모니터링이 가능하게 되었고 그 이후 여러 가지 신호 기작 관련 단백질들의 FRET indicator들이 개발되고 있습니다.
FRET의 조건
Long-term 실시간 영상 현미경
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Calcium imaging
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RKA activation
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AMPK activation
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ATP imaging
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PI(3,4,5)P3 imaging
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PI(4,5)P2 imaging
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세포 사멸 FRET 이미징
형광물질을 labeling한 항체기반의 약물을 마우스에 injection하여 약물의 Biodistribution을 검증
[관절염 마우스 모델에서의 약물 Biodistribution]
세포사멸인식 프로브를 이용하여 초기 치료 반응 및 간독성 검증
[광학영상을 이용한 Radiotherapy 효과 검증]
형광물질을 labeling한 항체기반의 약물의 소동물내 혈중 농도를 검증
Luciferase 발현 암세포로 제작한 Metastatic 모델의 암세포 전이 이미징
[Metastatic 모델 이미징 : Calu-1-Fluc cell injection (i.v.)]
자가형광을 제거한 고퀄리티 이미징 제공
소동물 내시경 이미징을 이용한 대장암 치료효과 검증
염증성 대장암 모델 내시경 이미징
디지털 병리학은 디지털 병리학 스캐닝 솔루션을 사용하여 유리 슬라이드를 디지털 병리학 슬라이드로 변환하는 작업으로 생성 된 정보를 관리 할 수 있는 서비스입니다.
전체 조직 이미지
고해상도 이미지
Tissue microarrays
전체 조직 이미지
자동 정량 분석
질환의 복잡성에 의한 개인맞춤치료 필요
Flow tometry of disaggregated fresh tissue
Identifies phenotypes but not distribution
Histology methods show distribution of cells,
but not specific phenotypes
Morphology with no phenotype, or phenotype with no morphology
Traditional H&E
- 한종류의 표지인자 분석의 경우 오류 가능성이 있음
Multiplex Biomarker analysis
- 다양한 표지인자를 이용한 진단 및 처방
- 여러가지 표지인자를 정략적, 구조적 관점의 분석을 통한 진단 시스템의 개선
Stain
The Opal™ method
한 개의 조직슬라이드에 7개(DAPI포함)까지의 biomarker를 동시에 염색할 수 있는 염색법
Image
Vectar®
고유의 spectrum을 기반으로 한 MNulti-plex 이미징 및 분석 시스템
Analyze & Quantify
inForm® Image analysis
조직 및 조직내의 각개 세포의 정량 정석 분석을 할 수 있는 분석 소프트웨어
Immune Marker
Receptor Marker
Signaling Marker
- 실시간 세포영상: 타겟 단백질의 세포내 운동성을 영상, 세포내 Ca2+, Zn2+, Lysosome, ROS, pH 등의 변화를 실시간 영상
- FRET 프로브를 이용한 세포내 신호 기전 실시간 영상: 세포내 다양한 신호기전을 FRET 기법을 이용하여 영상 (smallGTPase 들의 실시간 활성화,세포내 small molecule 들 (ATP, cAMP, Ca2+, Zn2+, ROS, NADH 등)을 실시간 영상, 다양한 protein kinase들의 활성을 실시간 영상, 세포막에 조성 변화 (phosphoinositide들, PA, PS)를 실시간 영상)
- 연구논의
- 샘플 및 마커 선정
- IHC setting
- Unstain Slides 제작
- Single Staining
- Multi Staining
- ROI 지정
- 스캐닝
- 분석
