KAIST(총장 신성철)는 물리학과 박용근, 생명과학과 김찬혁 교수 공동연구팀이 면역항암 세포의 활동을 정밀하게 측정하고 분석할 수 있는 새로운 3차원 인공지능 분석 기술을 개발했다.

체내에서 면역세포를 추출한 후, 외부에서 면역 능력을 강화시키고 다시 환자에게 주입해 암을 치료하는 방식을 `입양전달 면역세포 치료(adoptive immune cell therapy)'라고 한다.

면역세포 치료 방법 중 특히 주목받는 기술로 `키메릭 항원 수용체' 또는 `CAR(Chimeric Antigen Receptor)'라고 불리는 이 기술은 유전자 재조합기술을 이용해 T세포와 같은 면역세포를 변형해 암세포와의 반응을 유도해 사멸시키는 치료 방법이다.

특히, CAR-T세포 치료는 높은 치료 효과로 큰 주목을 받으며 차세대 암 치료제로 급부상하고 있다. 2017년 난치성 B세포 급성 림프구성 백혈병 치료제 판매 승인을 시작으로 현재 3개의 CAR-T 치료제가 판매 승인을 받았으며, 전 세계적으로 약 1,000건 이상의 임상 시험이 진행 중이다. 그러나 아직 우리나라에서는 진행 중인 임상 시험이 전무하다.

CAR-T 기술을 이용한 암 치료 방법들이 속속 개발되고 있지만, CAR-T세포에 대한 세포‧분자 생물학적 메커니즘은 아직 많은 부분이 알려지지 않았다. 

CAR-T세포가 표적 암세포를 인지해 결합한 후 `면역 시냅스 (immunological synapse, 이하 IS)'를 형성해 물질을 전달하고 암세포의 사멸을 유도하는데, 두 세포 간의 거리와 같은 IS의 형태 정보는 T세포 활성화 유도와 관련이 높다고 알려졌지만, 구체적인 내용은 아직 알려지지 않아 활발히 연구가 진행되고 있다.

KAIST 물리학과 박용근, 생명과학과 김찬혁 교수 공동연구팀은 CAR-T세포의 IS를 정밀하고 체계적으로 연구할 수 있는 새로운 기술을 개발했다.

3D 홀로그래피 현미경 기술을 이용해, 염색이나 전처리 없이 살아있는 상태의 CAR-T세포와 표적 암세포 간의 상호작용을 고속으로 측정하고 기존에는 관찰하기 어려운 CAR-T와 암세포 간의 IS를 고해상도로 실시간 측정했다.

또한 이렇게 측정된 3D 세포 영상을 인공지능 신경망(Convolutional Neural Network, CNN)을 이용해 분석, 3차원 공간에서 정확하게 IS 정보를 정량적으로 추출할 수 있는 기술을 개발했다.

개발된 기술을 활용해 연구팀은 빠른 CAR-T 면역 관문 형성 메커니즘을 추적할 수 있었을 뿐만 아니라, IS의 형태학적 특성이 CAR-T의 항암 효능과 연관이 있음을 확인했다. 연구팀은 3차원 IS 정보가 새로운 표적 항암 치료제의 초기 연구에 필요한 정량적 지표를 제공할 것이라고 기대하고 있다.

이번 연구에는 KAIST 기술을 바탕으로 창업한 두 기업이 공동으로 참여했다. 3차원 홀로그래픽 현미경을 상업화한 토모큐브 社의 현미경 장비를 이용해 면역세포가 측정됐고, 토모큐브 社의 인공지능 연구팀이 알고리즘 개발에 참여했다. 또한, 국내 최초 CAR-T 기반 치료제 기업인 ㈜큐로셀이 이번 연구에 공동 참여해 위의 결과를 낼 수 있었다.

한편, KAIST 물리학과 이무성 박사과정 학생, 생명과학과 이영호 박사, 물리학과 송진엽 학부생 (MIT 물리학과 박사과정)이 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구는 국제적으로 권위있는 생물학술지 `이라이프(eLife)'에 'CAR-T 세포의 면역학적 시냅스 분석 및 딥러닝 기반 3차원 라벨 없는 추적(Deep-learning based three-dimensional label-free tracking and analysis of immunological synapses of CAR-T cells)' 제목으로 12월 17일 온라인 공개와 1월 21일 공식 출판됐다.