시스템 조직공학 동적 공간 세포 수준에서의 새로운 행동 규명

초록

본 논문은 바이오머티리얼 기반 3D 배양 시스템을 활용해 조직 수준에서 나타나는 복합적 emergent 행동을 규명하고자 한다. 시스템 조직공학이라는 새로운 연구 패러다임을 제시하며, 단일세포 오믹스, 유전자 편집, 고해상도 이미지 분석 등 최신 시스템생물학 기술을 통합해 (i) 조직 발달 및 병변의 동적 조절, (ii) 희귀 세포 유형을 포함한 세포 이질성, (iii) 세포들의 공간적 배치와 구조를 정밀히 파악한다. 이를 통해 바이오머티리얼 설계 파라미터를 도출하고, 기본 과학 발견 및 임상 번역을 가속화하는 길을 모색한다.

상세 분석

이 연구는 기존 2차원 배양이 제공하지 못하는 조직의 복합적 상호작용과 동적 변화를 3차원 바이오머티리얼 매트릭스에서 재현함으로써, emergent 행동의 근본 원인을 탐구한다. 핵심은 ‘시스템 조직공학’이라는 개념으로, 이는 시스템생물학의 정밀한 데이터 수집·분석 방법을 조직공학에 적용하는 것을 의미한다. 첫 번째 축인 동적 조절 메커니즘은 시간에 따라 변하는 전사체·단백질체 변화를 실시간으로 추적하고, 이를 매트릭스 강도, 탄성, 미세구조와 연계해 피드백 루프를 모델링한다. 두 번째 축인 단일세포 이질성은 scRNA‑seq, scATAC‑seq 등 단일세포 오믹스를 통해 희귀 세포군이나 전이 전 단계의 전구세포를 식별하고, CRISPR‑Cas 기반 라인 트레이싱으로 그들의 운명을 추적한다. 세 번째 축인 공간적 조직학은 라만·광학·전자 현미경을 결합한 멀티모달 이미징과, 이미지 기반 머신러닝을 활용해 세포 간 거리, 군집 형태, 매트릭스와의 접촉 면적 등을 정량화한다. 이러한 3차원 데이터는 베이지안 네트워크 혹은 딥러닝 기반 그래프 모델에 통합돼, 특정 바이오머티리얼 파라미터(예: 섬유 직경, 결합 리간드 밀도)가 조직 수준의 기능적 결과(예: 혈관 형성, 섬유화 억제)와 어떻게 연결되는지를 예측한다. 특히, 동적 규제와 공간 배치가 상호작용해 emergent 현상이 발생한다는 가설을 검증하기 위해, 매트릭스 물성을 단계적으로 변형시키는 ‘시계열 매트릭스 변조’ 실험을 설계한다. 결과적으로, 특정 시점에 나타나는 전사 인자 네트워크와 세포 위치 패턴이 조직의 기능적 전환점(예: 조직 경화 → 재생)과 일치함을 확인한다. 이러한 접근은 기존 ‘재료‑세포’ 일대일 매핑을 넘어, 복합 시스템 수준에서 설계 원칙을 도출하는 데 기여한다.