“암 조직 자란 모양만 봐도 AI가 예후 예측”… UNIST, 암 성장 환경 모사 기술 개발

UNIST·서울아산병원, 고경도·저산소 환경 모사한 3D 프린팅 인공 암 조직 개발

AI로 조직 모양 분석… 특정 유전자 발현 여부 99% 정확도 판별, Adv.Sci.게재

실제 암 환자 유래 암세포를 체내 조건을 그대로 모사한 환경에서 키울 수 있는 3D 프린팅 인공 종양 조직이 개발됐다.

이 인공 종양 조직의 성장 사진만 보고도 예후를 예측하는 인공지능(AI) 기술까지 함께 나왔다.

UNIST 바이오메디컬공학과 박태은·강현욱 교수팀과 서울아산병원 명승재 교수팀은 실제 암 조직의 고경도·저산소 환경을 재현하는 인공 암 조직 'Eba-PDO'를 개발했다. 이 인공 암 조직의 모양을 AI로 분석하면 대장암 예후 예측의 주요 표지 유전자의 발현 여부를 99%의 정확도로 맞춰낼 수 있다.

연구진(왼쪽부터) UNIST 박태은 교수, 강현욱 교수, 서울아산병원 명승재 교수, UNIST 한종혁 박사(現 에모리의과대학 소속), UNIST 정혜진 박사(現 IBS소속). UNIST 제공

암세포는 빠르게 증식하기 때문에 밀도가 높아져 정상조직보다 딱딱하고, 산소도 부족한 환경에서 자란다. 기존 인공 암 조직은 비록 실제 환자에게서 떼어 낸 세포로 만들어져도 이러한 환경을 그대로 재현하지 못해, 암세포의 성장 양상이나 약물 반응이 왜곡되는 문제가 있었다.

연구팀은 암 환자에게서 떼어낸 암세포를 3차원으로 배양해 만든 암 오가노이드를 바이오잉크와 섞어, 구슬 형태로 정렬해 프린팅하는 방식으로 새로운 인공 암 조직을 개발했다. 바이오잉크는 젤라틴과 세포외기질 성분을 섞어 암이 자라는 딱딱하고 산소가 부족한 환경을 그대로 재현할 수 있도록 설계됐다.

이 방식으로 자란 인공 암 조직은 동일 환자는 일정한 형태를 유지했지만, 환자마다 크기와 모양이 달랐다.

기존 암 오가노이드와 구슬 형태로 3D 바이오프린팅된 암 오가노이드 모델의 차이.

연구팀은 이러한 특성에 착안해 현미경 사진만으로도 CEACAM5 유전자 발현 여부를 예측할 수 있는 AI를 개발했다. CEACAM5는 대장암을 비롯한 고형암에서 많이 발견되는 단백질로, 전이 가능성과 항암제 내성을 높이는 것으로 알려져 있다.

인공 암 조직에서 이 단백질이 과발현되면 세포 간 결합이 약해져 암 조직이 덜 조밀하고 균형이 무너진 형태를 띠는데, AI는 이러한 모양의 변화를 학습해 유전자 발현량을 예측할 수 있도록 훈련됐다.

또 이 인공 암 조직은 실제 암 환자 조직에서 떼어낸 암 조직과의 유전자 발현 유사도도 기존 70% 수준보다 29% 향상된 90%를 기록했으며, 환자 간 5-플루오로우라실(5-FU) 항암제 반응성의 차이도 정확하게 재현했다.

이번 연구는 UNIST 정혜진, 한종혁 연구원이 제1저자로 참여했다.

환자 맞춤형 인공 암 조직 바이오프린팅과 이를 기반으로 하는 환자 예후 예측 AI.

연구팀은 "실제 암세포의 성장을 체외에서 재현해 분석하는 이 방식을 통해 보다 정밀한 환자 맞춤형 치료가 이뤄질 수 있을 것으로 기대된다"라며 "향후 면역세포나 혈관 구조까지 통합하면 더욱 정교한 인공 암 모델로 확장할 예정"이라고 설명했다.

연구는 보건복지부의 한국형 ARPA-H 프로젝트, 산업통상자원부의 산업기술 알키미스트 프로젝트, 바이오·의료기술개발사업 첨단바이오 기술·인력 교류 지원사업과 교육부 글로컬대학사업(울산대학교) COMPaaS 공동연구의 지원을 받아 수행됐으며, 연구 결과는 국제학술지인 어드밴스드 사이언스(Advanced Science)에 3월 28일 자로 온라인 공개됐다.

영남취재본부 김철우 기자 sooro97@asiae.co.kr