세포 밀도를 측정하면 세포의 상태에 대해 많은 것을 알 수 있다. 세포가 증식, 분화 또는 세포 사멸을 겪으면서 수분과 기타 분자를 얻거나 잃을 수 있으며, 이는 밀도 변화를 통해 드러난다. 세포의 물리적 상태에서 나타나는 이러한 미세한 변화를 추적하는 것은 대규모로 하기 어렵고, 특히 단일 세포 분해 능력으로는 더욱 어렵다. 하지만 MIT 연구진은 이제 세포 밀도를 빠르고 정확하게 측정하는 방법을 찾아냈다. 한 시간에 최대 30,000개의 세포를 측정할 수 있다. 연구진은 또한 밀도 변화를 이용하면 T세포와 같은 면역 세포가 종양을 죽이도록 활성화되었는지, 또는 종양 세포가 특정 약물에 민감한지 아닌지를 포함한 귀중한 예측을 내릴 수 있음을 보여주었다.

"이러한 예측은 모두 세포의 물리적 특성에서 나타나는 아주 작은 변화를 관찰하는 데 기반을 두고 있으며, 이를 통해 세포가 어떻게 반응할지 알 수 있습니다."라고 생물공학 및 기계공학과 데이비드 H. 코흐 공학 교수이자 코흐 통합 암 연구소 회원인 스콧 마날리스가 말했다. 마날리스는 오늘 Nature Biomedical Engineering에 게재된 새로운 연구의 수석 저자이다. 이 논문의 주 저자는 MIT 연구원 ‘와이다(리처드) 우’이다.

밀도 측정
세포가 새로운 상태에 진입함에 따라 지질, 단백질, 핵산을 포함한 분자 구성 요소의 밀도는 더 높아지거나 낮아질 수 있다. 세포 밀도를 측정하면 이러한 밀도의 변화를 간접적으로 확인할 수 있다. 이번 연구에서 보고된 새로운 밀도 측정 기술은 마날리스 연구실에서 지난 20년간 세포 및 미세 입자 측정 기술에 대해 수행해 온 연구를 기반으로 한다. 2007년, 그의 연구실은 현수형 마이크로채널 공진기(SMR)라는 미세유체 소자를 개발했다. 이 소자는 작은 실리콘 캔틸레버를 가로지르는 미세채널로 구성되어 있으며, 특정 주파수로 진동한다. 세포가 이 채널을 통과할 때 진동 주파수가 약간 변하며, 그 변화의 크기를 이용하여 세포의 질량을 계산할 수 있다.

2011년, 연구진은 이 기술을 사용하여 세포 밀도 측정에 적용했다. 이를 위해 세포는 밀도가 서로 다른 두 액체에 부유한 상태로 장치를 두 번 통과한다. 세포의 부력(유체에 떠 있을 때의 질량)은 절대 질량과 부피에 따라 달라지므로, 세포의 두 가지 부력을 측정하여 질량, 부피, 밀도를 계산할 수 있다. 이 기술은 효과적이지만, 체액을 바꾸고 각 세포를 흘려보내는 데 시간이 오래 걸리므로 한 번에 수백 개의 세포만 측정하는 데 사용할 수 있다.

더 빠르고 효율적인 시스템을 만들기 위해 연구진은 SMR 장치와 세포 부피 측정이 가능한 형광 현미경을 결합했다. 현미경은 공진기 입구에 위치하며, 세포는 세포에 흡수되지 않는 형광 염료에 떠다니면서 장치를 통과한다. 세포가 현미경을 통과할 때 나타나는 형광 신호의 변화를 이용하여 세포의 부피를 측정할 수 있다. 부피 측정 후, 세포는 공진기로 유입되어 질량을 측정한다. 이 과정을 통해 밀도를 빠르게 계산할 수 있으며, 한 시간에 최대 30,000개의 세포를 측정할 수 있다.

"세포 밀도를 측정하기 위해 캔틸레버를 통해 세포를 최소 두 번 이상 앞뒤로 흘려보내는 대신, 세포가 캔틸레버를 한 번만 통과하도록 간소화된 측정 방법을 개발하고자 했습니다. 세포의 질량과 부피를 통해 처리량이나 정밀도를 저하하지 않고도 밀도를 도출할 수 있습니다."라고 우 박사는 말했다.

T세포 평가
연구진은 새로운 기술을 사용해 신호 분자에 의해 활성화된 후 T세포의 밀도에 어떤 일이 일어나는지 추적했다. T세포가 휴면 상태에서 활성 상태로 전환되면서 새로운 분자와 수분을 얻는다는 사실을 발견했다. 활성화 전 상태에서 활성화 첫날까지 세포 밀도는 평균 1.08g/ml에서 1.06g/ml로 감소했다. 이는 세포가 다른 분자보다 수분을 더 빨리 획득함에 따라 세포 밀도가 낮아지고 있음을 의미한다.

"이는 세포 밀도가 세포가 비증식 상태에서 고성장 상태로 전환됨에 따라 세포 내 수분 함량의 증가를 반영할 가능성이 매우 높음을 시사합니다. 이러한 데이터는 세포 밀도가 T세포 활성화 과정에서 변화하는 흥미로운 바이오마커이며, T세포의 증식 능력과 기능적 관련성을 가질 수 있음을 시사합니다."라고 우 박사는 말했다.

마날리스가 공동 설립한 임상 단계 기업인 트라베라는 SMR 질량 측정을 사용하여 개별 암 환자의 T세포가 강력한 항종양 면역 반응을 자극하는 약물에 반응할지 아닌지 예측하는 연구를 진행하고 있다. 이 회사는 또한 밀도 측정 기법을 사용하기 시작했으며, 예비 연구에 따르면 질량과 밀도 측정을 함께 사용하면 둘 중 하나만 사용하는 것보다 훨씬 더 정확한 예측이 가능하다. 마날리스는 "질량과 밀도는 모두 면역 세포의 전반적인 역량에 대해 뭔가를 보여줍니다."라고 말했다.

예측하기
이 접근법의 또 다른 잠재적 응용 분야는 종양 세포가 다양한 유형의 항암제에 어떻게 반응하는지 예측하는 것이다. 이전 연구에서 마날리스는 치료 후 세포 질량 변화를 추적하여 종양 세포가 약물 유도 세포자멸사를 겪고 있는지 예측할 수 있음을 보여주었다. 그리고 이번 연구에서 그는 세포 밀도 또한 이러한 반응을 나타낼 수 있음을 발견했다.

이 실험에서 연구진은 췌장암 세포에 두 가지 약물 중 하나를 투여했다. 하나는 세포가 감수성을 보이는 약물이고 다른 하나는 내성을 보이는 약물이다. 그 결과, 치료 후 세포 밀도 변화가 세포의 알려진 치료 반응을 정확하게 반영한다는 것을 발견했다.

"우리는 종양에서 세포를 추출한 후 며칠 안에 매우 예측 가능한 세포 정보를 포착합니다. 세포 밀도는 생체 내 약물 반응을 매우 시의적절하게 예측할 수 있는 신속한 바이오마커입니다."라고 우 박사는 말했다. 마날리스의 연구실에서는 현재 세포 질량과 밀도를 측정하여 치료용 항체와 같은 복잡한 단백질을 합성하는 데 사용되는 세포의 적합성을 평가하는 방법을 연구하고 있다.

"세포가 이러한 단백질을 생산함에 따라, 우리는 세포 건강 상태와 대사 상태를 나타내는 지표를 통해 이러한 세포가 얼마나 잘 단백질을 생산할 수 있는지 예측할 수 있으며, 미래에는 이러한 복잡한 단백질의 수율을 더욱 개선하기 위한 설계 및 제어 전략을 안내할 수 있기를 바랍니다."라고 우 박사는 말했다.

이 연구는 폴 G. 앨런 프론티어 그룹, 버지니아와 다니엘 K. 루드윅 암 연구 기금, MIT 정밀 암 의학 센터, 암 융합 프로그램, 브리스톨 마이어스 스퀴브, 국립 암 연구소의 코흐 연구소 지원(핵심) 보조금의 지원을 받았다.

참조:
Weida Wu, Sarah H. Ishamuddin, Thomas W. Quinn, Smitha Yerrum, Ye Zhang, Lydie L. Debaize, Pei-Lun Kao, Sarah Marie Duquette, Mark A. Murakami, Morvarid Mohseni, Kin-Hoe Chow, Teemu P. Miettinen, Keith L. Ligon, Scott R. Manalis. High-throughput single-cell density measurements enable dynamic profiling of immune cell and drug response from patient samples. Nature Biomedical Engineering, 2025; DOI: 10.1038/s41551-025-01408-6