Development and characterization of FI 7500: a novel near-infrared dye for in vitro and in vivo cell labeling
본 논문은 2D/3D 배양에서 세포 형태를 시각화하고 생체 내 종양 성장 및 전이를 추적하는 데 있어 장기적 안정성과 최소한의 세포 생존율 영향을 갖춘 생물 발광의 다재다능하고 신뢰할 수 있는 대안으로서 기능하는 새로운 근적외선 염료인 FI 7500의 개발 및 포괄적인 특성 분석을 제시한다.
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과학자들은 오랫동안 보이지 않는 것을 보기 위해 간단한 기술에 의존해 왔습니다. 바로 세포에 빛나는 염료를 칠하는 것입니다. 살아있는 세포에 형광 태그를 부착함으로써, 연구자들은 현미경 아래에서 그 세포가 어떻게 움직이고, 분열하고, 이웃 세포와 상호작용하는지 관찰할 수 있습니다. 수십 년 동안 이러한 '물감'들은 무지개 색깔과 같은 가시광선 범위에 국한되어 있었는데, 이 빛은 살아있는 몸속 깊은 곳을 들여다보려 할 때 쉽게 산란되는 특성이 있습니다. 더 깊이 보기 위해 과학자들은 스펙트럼의 다른 부분인 근적외선 영역으로 눈을 돌렸습니다. 이 보이지 않는 빛은 가시광선보다 피부와 조직을 훨씬 더 쉽게 통과하며, 마치 두꺼운 안개를 뚫고 비추는 손전등처럼 작동합니다. 그러나 살아있는 동물 내부에서 이 빛을 사용하는 것은 전통적으로 복잡한 우회 방법을 필요로 했습니다. 연구자들은 대개 세포가 스스로 빛을 내도록 유전적으로 조작해야 했으며, 이 과정에는 외래 유전자를 삽입하고 사진을 찍고 싶을 때마다 동물에게 특수한 화학 기질을 먹이는 과정이 포함되었습니다. 이 방법은 비용이 많이 들고 시간이 오래 걸리며, 세포의 행동을 변화시킬 수 있습니다.
한 연구팀은 더 간단한 방법을 찾기 위해 나섰습니다. 그들은 세포에 유전적 변화를 주지 않고도 근적외선 영역에서 빛을 내는, 바로 사용할 수 있는 새로운 염료인 FI 7500을 테스트하고자 했습니다. 목표는 이 염료가 세포에 달라붙어 살아있는 동물 내부에서 밝게 빛을 유지할 수 있는지, 그리고 유전 공학이나 반복적인 화학 물질 주입의 번거로움 없이 과학자들이 그 세포들이 어디로 이동하는지 추적할 수 있는지 확인하는 것이었습니다. 만약 성공한다면, 이는 피부 표면부터 장기 깊은 곳까지 몸속에서 세포가 어떻게 이동하는지 관찰할 수 있는 간편한 대안을 제공할 것입니다.
연구진은 페트리 접시에서 염료의 거동을 테스트하는 것으로 시작했습니다. 그들은 다양한 종류의 인간 및 마우스 세포와 염료를 혼합한 후, 염료가 세포에 해를 끼치지 않는지 주의 깊게 관찰했습니다. 그들은 특정 저농도에서 염료가 안전하며 30분 이내에 빛을 내기 시작한다는 것을 발견했습니다. 현미경 아래에서 염료는 단순히 세포 외부를 코팅하는 것에 그치지 않고, 세포질 내에서 공장이자 운송 시스템 역할을 하는 관과 주머니 형태의 네트워크인 소포체(endoplasmic reticulum)에 구체적으로 자리 잡았습니다. 염료가 이 내부 네트워크를 채웠기 때문에, 중심부인 핵은 어둡게 남겨둔 채 세포의 긴 가느다란 돌기를 포함한 전체 형태를 밝게 비추었습니다. 이는 세포 구조에 대한 명확하고 상세한 지도를 제공했습니다. 또한 연구팀은 실제 조직처럼 세포들이 뭉쳐 있는 방식인 3차원 세포 덩어리, 즉 스페로이드(spheroids)를 대상으로 염료를 테스트했습니다. 변형되지 않은 살아있는 스페로이드에서, 염료는 작은 세포 집단들의 내부 구조를 보여줄 수 있을 만큼 충분히 깊이 투과되었습니다. 스페로이드를 고정하고 투명하게 만드는 특수 투명화제(clearing agent)를 처리했을 때, 염료는 훨씬 더 깊숙이 침투하여 더 큰 클러스터의 내부까지 드러냈습니다.
실험실 접시를 벗어나 살아있는 세계로 넘어가기 위해, 연구팀은 이 염료로 염색된 세포를 마우스에 주입하여 빛이 얼마나 오래 지속되는지 확인했습니다. 한 실험에서 그들은 염색된 세포를 마우스의 피부 아래에 배치했습니다. 염료는 3주 동안 밝고 선명하게 유지되었으며, 이를 통해 연구자들은 종양이 형성됨에 따라 세포가 성장하는 과정을 추적할 수 있었습니다. 흥고하게도, 종양이 커짐에 따라 빛나는 영역이 더 커지는 것이 아니라, 빛은 원래 위치에 집중되어 있었고 종양은 그 주변으로 확장되었습니다. 이는 이 염료가 세포가 시작된 위치를 추적하는 데는 탁착하지만, 단순히 빛만 보고 성장하는 종양의 크기를 측정하는 데는 사용할 수 없음을 과학자들에게 알려주었습니다. 그러나 염료는 세포 성장을 방해하지 않았으며, 이는 동물에게 안전하다는 것을 증명했습니다.
두 번째 실험에서 연구팀은 세포의 이동 경로를 추적하기 위해 염색된 세포를 마우스의 혈관에 직접 주입했습니다. 이 세포들은 자연적으로 폐에 정착하는 것으로 알려져 있었습니다. 몇 시간 이내에 연구자들은 폐에 축적되는 빛나는 세포들을 명확하게 볼 수 있었으며, 이는 염료가 세포의 여정을 따라갈 수 있을 만큼 부착 상태와 밝기를 잘 유지하고 있음을 확인시켜 주었습니다. 이 방식은 복잡한 유전적 변형이나 반복적인 화학 물질 주 injection 없이도, 기존의 유전 공학 세포를 사용하는 방식만큼 효과적이었습니다. 연구는 이 새로운 염료가 살아있는 몸속에서 세포가 이동하고 정착하는 것을 관찰하는 신뢰할 수 있는 도구라는 결론을 내렸습니다. 이는 유전 공학의 장벽을 제거하고 연구자들에게 세포가 실시간으로 어떻게 행동하는지에 대한 더 명확하고 직접적인 시야를 제공함으로써, 세포 이동과 전이를 연구하는 보다 실용적이고 덜 침습적인 방법을 제시합니다.
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