건강한 조직에 산발적으로 흩어져 있는 종양 세포를 찾는 것은 어려운 일이며 상당히 발전된 도구가 필요하다. 하지만 워싱턴대학의 한 연구팀이 개발한 접근법으로 이 복잡한 작업에 한 줄기 희망이 생겼다.

워싱턴대학 연구팀은 비행시간 2차 이온질량분석기(Time-of-Flight Secondary Ion Mass Spectrometry, TOF-SIMS)라는 도구의 메커니즘을 근거로 새로운 기법을 개발했다. 그리고 새로 개발한 기술을 사용해 종양의 분자 이동 및 신호를 분석했다.

종양의 미세 환경 관찰하기

종양 세포는 인체의 어느 부위에서든 자랄 수 있다. 이 비정상적인 세포는 발생된 조직 내에서 머물고, 성장하기 시작하면 해당 위치가 1차 종양 위치가 된다.

종양 세포가 커질수록 혈관 내의 영양소와 산소 같은 자원을 소비하게 된다. 그러나 영상 촬영으로도 건강한 조직 속에서 자라기 시작한 종양 세포를 발견하기란 어려운 일이다.

따라서 연구팀은 종양의 미세 환경을 관찰할 수 있는 새로운 방법을 개발했다. 그리고 이 방법을 TOF-SIMS 기법에 적용해 종양이 자라는 부위의 복잡한 활동을 분석했다. 이 기법은 분자의 움직임과 종양의 신호를 탐지할 수 있었다.

"종양 세포 행동 정보와 TOF-SIMS 기법을 결합해 화학 분자 수준에서 어떤 일이 벌어지는지 이해할 수 있게 됐다"고 연구의 공동 저자인 라라 갬블 박사는 설명했다.

비행시간 2차 이온질량분석기

비행시간 2차 이온질량분석기는 펄스용 이온 빔을 활용한 분석 방법이다. 이 표면 민감성 방법은 샘플의 최외각 표면의 분자를 제거한다. 이렇게 제거된 분자는 질량을 측정할 수 있는 비행 튜브로 전달된다. 그리고 분자가 탐지기에 도달한 정확한 시간을 토대로 질량이 측정된다.

이 방법은 유기 필름과 유기 지표, 금속 같은 물질을 연구하는 수많은 학문에 광범위하게 적용되고 있다. TOF-SIMS 기법은 고질량 해상도를 자랑하고 민감성이 높아 수많은 과학자들이 선호하는 방법이기도 하다.

TOF-SIMS 기법으로 종양 환경 매핑

연구팀은 특히 종양 세포에서 채취한 정보를 표적으로 삼았다. 종양 세포는 영양분을 빨아들일 때, 더 큰 세포막을 만들기 위해 주변 세포에서 지방질도 흡수한다. 지방질은 세포막 안에 들어있는 팽창한 종양 세포에 에너지를 공급하는데, 이 과정에서 혈관 파열이 유발되고 종양 내에 혈액이 고이게 된다.

연구팀은 췌장 신경내분비 종양형성 단계인 실험쥐 모델에 TOF-SIMS 기법을 사용했다. 800나노미터(nm) 이하의 촬영 기법으로 실험쥐의 나노 규모 종양을 터뜨린 것이다. 표본의 분자를 찾아낸 후 질량 분석기로 전달한 후 분자량을 계산했다. 연구팀은 결과를 판독한 후 미세 환경에 관한 중요한 정보를 알아낼 수 있었다.

TOF-SIMS 기법은 분자의 흐름과 종양이 전달하는 신호에 변화를 가해 종양 세포와 관련된 대사활동에 상당한 변화를 가할 수 있었다. 매핑 결과는 종양 억제자와 종양 유전자 간의 활동 같은 세포 메커니즘을 판단하는 데 사용할 수 있다.

"연구팀은 종양 간의 혼선이 있는지 확인했으며, 종양 성장을 촉발하고 유지하는 분자를 확인할 수 있었다"고 갬블 박사는 덧붙였다. 갬블 박사와 동료 연구진은 췌장 종양이 성장하는 방법을 나타내는 화학 신호를 분석하는 기법을 사용해 새로운 연구를 진행할 예정이다.

과학자들이 종양 성장에 관해 알아야 할 점

종양은 유전, 화학물질 노출, 생활습관 등 여러 가지 요인으로 인해 발생할 수 있다. 그러나 모든 종양 유형의 기본적인 분모는 돌연변이다.

과학자들과 임상의들이 알고 있는 또 다른 요인으로는 혈관 성장 또는 혈관 형성을 유도하는 종양의 능력이다. 종양 세포는 성장을 위한 영양분을 공급받기 위해 혈관에 연결하려고 한다. 그리고 이 악성 세포는 인체의 다른 부위로 확산되기 위해 혈관을 이용한다. 따라서 일부 항생제들은 혈관 형성을 방해해 종양 세포를 수축하게 만든다.

다음으로 종양 세포는 조직 내에서 압력을 가할 수 있다. 영국 암협회(Cancer Research UK)에 따르면, 이 압력은 주변의 건강한 세포에 상당한 긴장을 조성해 혈액 공급을 차단, 세포를 파괴한다. 건강한 세포가 죽게 되면, 종양 세포가 차지할 수 있는 공간이 넓어지고 확산 과정이 단순화된다.

마지막으로 전문가들은 특정한 효소가 종양 세포 속에서 풍부하다는 것을 확인했다. 일반적으로 건강한 세포는 화학물질과 박테리아, 바이러스를 분해하기 위해 효소를 사용한다. 효소를 활용하는 세포 중에는 백혈구가 있다. 백혈구는 효소를 사용해 감염된 세포와 병에 걸린 세포를 제거한다. 한편, 종양 세포들은 빠르게 확산하기 위해 주변 조직을 파괴하려고 효소를 사용한다. 그 결과 출혈이 발생하게 된다.

[메디컬리포트=김성은 기자]