- 염색과 절편화 없이 살아있는 오가노이드의 세포핵 변화를 관찰하는 독성 반응 분석의 새로운 가능성 제시

▲(왼쪽부터) 성균관대학교 박별리 교수, 박종찬 교수, 계현준 학생, 유원종 학생

본교 생명물리학과 박별리 및 박종찬 교수 연구팀은 살아있는 오가노이드의 세포핵 구조를 별도의 염색 없이 고해상도로 영상화하고, 외부 자극에 따른 변화를 분석할 수 있는 비표지·비파괴 광음향 영상기술을 개발했다.

오가노이드의 약물 및 독성 반응을 평가할 때 세포를 시각화하기 위해 조직 고정·절편화·염색 등의 방법이 널리 활용되고 있다. 그러나 이러한 방법은 복잡한 전처리 과정으로 인해 상당한 시간과 비용, 인력이 소요되며, 분석 과정에서 샘플이 손상된다는 한계가 있다. 이에 별도의 전처리 없이 오가노이드를 관찰할 수 있는 효율적인 분석 기술의 필요성이 커지고 있다.

연구팀은 이러한 한계를 해결하기 위해 빛을 흡수한 세포에서 발생하는 초음파 신호를 검출해 영상을 형성하는 광음향 현미경 기술을 활용했다. 세포핵의 고유한 광흡수 특성을 이용해 별도의 염색이나 복잡한 전처리 없이, 오가노이드를 배지와 함께 영상 장치에 배치하는 간단한 준비 과정만으로 살아있는 오가노이드의 세포핵을 고해상도로 관찰하고 정량화할 수 있는 영상 플랫폼을 구축했다.

연구팀은 개발한 광음향 영상 플랫폼을 이용해 에탄올 노출에 따른 오가노이드의 독성 반응을 300 nm 이하의 해상도에서 관찰하고 정량적으로 분석했다. 에탄올 노출에 따라 세포핵의 면적이 46.1% 감소함을 보였으며, 추가적인 형태학적 지표를 기반으로 머신러닝 자동 분류기를 적용하여 85.8%의 분류 민감도를 기록하였다.

또한 추가적인 생물학적 분석을 통해 영상 획득 이후 오가노이드는 대조군 대비 97% 수준의 세포 활성을 유지해, 영상 과정으로 인한 손상이 미미함을 확인했다. 또한 광음향 영상에서 관찰된 세포핵의 변화가 실제 독성 반응을 평가한 생물학적 분석 결과와도 동일한 경향을 보였다. 이를 통해 해당 광음향 기반 영상 플랫폼이 오가노이드의 생물학적 상태를 유지하면서 독성 반응을 비표지·비파괴 방식으로 평가할 수 있음을 검증했다.

박별리 교수는 “이번 연구는 별도의 염색이나 복잡한 전처리 과정 없이 살아있는 오가노이드의 세포핵을 고해상도로 직접 관찰하고, 형태학적 변화를 정량적으로 분석할 수 있는 광음향 영상기술을 구현했다는 데 의미가 있다”며 “특히 영상 과정이 오가노이드에 미치는 영향을 최소화하면서 세포 수준의 정보를 얻을 수 있어, 광음향 영상기술의 활용 범위를 다양한 생체모델의 분석으로 확장할 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.

박종찬 교수는“이번 연구를 통해 독성 물질에 노출된 오가노이드에서 나타나는 세포 수준의 형태학적 변화를 비파괴적으로 관찰하고 정량적으로 평가할 수 있음을 확인했다”며“본 영상 플랫폼은 향후 오가노이드의 상태와 품질을 객관적으로 평가하는 품질 검사(QC) 및 표준화 연구에 적용될 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.

이 연구는 한국연구재단 뇌과학선도융합기술개발사업, 글로벌융합연구지원 사업, 우수신진연구자지원사업, 선도연구센터 사업, 보건복지부 치매극복연구개발사업의 지원으로 수행되었으며 국제학술지 Small에 2026년 7월 13일에 게재되었다.

1. ▲그림1. 비표지·비파괴 광음향 기반 오가노이드 독성 반응 분석 플랫폼 개요. 기존 방식은 세포를 관찰하기 위해 조직 절편화와 고정·염색 등의 전처리 과정이 필요한 반면, 광음향 영상은 별도의 염색 없이 살아있는 오가노이드의 세포핵을 고해상도로 영상화한다. 빛을 흡수한 세포핵에서 발생하는 초음파 신호를 검출해 영상을 형성한 뒤, 세포핵의 형태학적 변화를 정량적으로 분석해 독성 물질에 따른 오가노이드의 반응을 평가한다.

=※논문명: A Label-Free Ultraviolet Photoacoustic Microscopy Enables Nuclear Imaging and Toxicity Assessment in an Intact Brain Organoid

※저널명: Small

※논문링크: https://doi.org/10.1002/smll.202600048

출처 : 에스프레스(S-PRESS)(https://www.spressnews.com)