Manish Butte 교수가 스탠퍼드 의과대학에서 T세포 연구를 수행하는 데 있어 원자현미경의 중요한 역할을 설명합니다.

Manish Butte 교수는 스탠퍼드 의과대학에서 면역학 강의를 하고 있으며 세포와 면역 시스템 간의 상호작용에서 난제로 꼽히는 문제들에 해답을 찾는 연구를 수행하고 있다. 그의 연구실의 목표는 세포를 시각화하고 조작하기 위한 혁신적인 나노기술과 생물물리학적 방법을 사용하여 면역학에서 근본적이면서도 질병 치료에 바로 적용 가능한 문제들을 다루는 것이다. 주된 연구의 초점은 T세포의 활성과 관용의 균형을 맞춰주는 분자제어를 이해하는 것인데 궁극적인 목표는 면역 매개 질환을 제어할 수 있도록 T세포 신호 전달 경로를 조작하는 것이다.

Manish J Butte 박사는 원자현미경과 활성 세포를 이용한 연구와 관련하여 2010년도 특허를 포함하여 총 5건의 특허를 보유하고 있다: Manish J Butte, Marc Amor Bruce, Jianwei Liu. "미국 특허 US 13/307,882 원자현미경을 이용한 활성 세포 조작", 릴런드 스탠퍼드 주니어 대학 평의회, Nov 30, 2010

Manish J. Butte 박사(MD PhD)는 스탠퍼드 대학교 소아과학 교수로 재직 중이다. 그는 브라운 대학교의 Leon Cooper 교수 실험실에서 수리 신경망을 공부했고 1993년도에 물리학 학사 학위를 받았다. 이후 브라운 대학교 의과 대학에 진학하여 1996년도에 의학박사 학위를 받았고 UCSF의 Robert Fletterick 교수의 지도로 단백질 결정학을 공부하였으며 2000년도에 생물물리학 박사학위를 받았다. 임상 실습으로 돌아와 2003년도에 필라델피아 아동 병원에서 소아청소년과 전공의 과정을 마쳤고 2006년도에 보스턴 아동 병원에서 알레르기&면역학과 전임의 과정을 마쳤다. 전임의과 과정 중에 면역결핍, 자가면역, 자가염증장애, 천식 및 알레르기를 앓는 소아 환자에 대한 치료를 전공하였고 현재 소아청소년과 그리고 알레르기&면역학과의 의사 면허를 보유하고 있다. 하버드 의과대학(Arlene Sharpe 교수)과 하버드 화학 & 화학생물학과(George Whitesides교수)의 공동 박사후연수과정 시절에는 T세포 억제 경로와 면역 세포를 포획하고 연구하기 위한 미세가공 도구 개발에 관여하였다. 2009년도에 스탠퍼드로 옮겨와 자신의 실험실을 시작하면서 그의 연구 그룹은 세포의 시각화와 조작을 위한 혁신적인 나노기술적 방법을 동원하여 면역학에서 오랫동안 풀리지 않고 있는 여러 근원적인 문제들에 대한 해답을 찾고 있다. 그의 연구실은 건강과 질병 상태에서의 면역 세포 기능을 연구하기 위해 생물학적 원자현미경을 이용하는 방법을 개척하였다. 그는 스탠퍼드 루실 패커드 아동 병원과 스탠퍼드 병원&진료소에서 면역학적 질병을 가진 소아와 성인을 진료하고 있다.

T세포의 식별이 어떻게 연구에 도움이 됩니까?

T세포는 면역 시스템의 마스터 조직자로서 적응 면역 반응을 조정하여 감염과 싸우는 것을 돕습니다. T세포는 과거의 감염을 잊지 않고 있다가 다음번에 더욱 빨리 대처하는 "기억력"을 보여주는데 이 기억 효과가 예방백신의 기반이 됩니다. 장기 이식에서는 T세포가 만성 거부 반응의 주된 원인으로써 면역 억제제의 목표가 되고 암에서는 T세포 활성이 영구적인 종양 제거에 필수적이며 알레르기에서는 T세포가 관용에 결함을 보이며 일반적으로 무시되는 외부 항원에 대해서는 비정상적으로 민감해집니다. 노화에서는 T세포를 동작시키는 것이 어려워져서 감염에 대한 저항력이 떨어지게 됩니다. 우리가 T세포에 대해 더 많이 배울수록, 이런 질환과 질병을 더 잘 진단하고 치료할 수가 있습니다.

어떻게 원자현미경 기술이 T세포 연구에 도움을 줍니까?

원자현미경은 우리 실험실의 혁신을 위한 중요한 도구로 자리 잡았습니다. 우리는 우리의 면역 시스템 연구를 기계생물학이라 불리는 세포 생물학의 한 분야의 관점에서 수행하고 있습니다. 상대적으로 새로운 이 분야 에서는 세포가 역학적 힘을 생성하고 감지하는 것에 관한 연구를 합니다. 우리는 원자현미경을 이용하여 T세포가 자신의 세포 파트너를 밀고 당긴다는 것을 보였는데 이것이 T세포 활성을 위해 분자 수준에서 필수적이라는 것이 밝혀졌습니다. 더욱이 T세포가 민첩하게 기어갈 수 있도록 해주며 외부 항원에 대해서 본체를 감시할 수 있도록 해주는 단백질 구조인 세포 골격에서 역학적 변화가 생기는 것을 확인하였습니다. 이런 역학적 변화는 T세포가 자기 앞에 나타난 항원을 감지하는 방식에 영향을 미치게 됩니다.

세포를 시각화하고 조작하기 위하여 어떻게 원자현미경을 사용하는지 설명해 주시겠습니까?

우리는 원자현미경을 여러 방식으로 사용합니다. 다른 무엇보다도 우리는 세포에 일시적으로 작은 압입 자국을 만드는데 이 과정에서 캔틸레버의 경로를 측정하여 세포의 해당 국소 부분에서의 세포 골격 경도를 계산할 수 있게 됩니다. 세포의 다른 부분에서도 이런 측정을 계속해서 반복게 되면 "경도 지도"의 제작과 세포 골격의 변화를 추적할 수 있게 되는데 세포를 항원 또는 면역조절 약제에 노출한 후 경도 지도를 연구함으로써 우리는 이런 자극이 세포 골격의 역학적 상태에 미치는 영향을 연구할 수 있게 됩니다. 우리가 사용하는 두 번째 원자현미경 기술은 우리가 발명한 기술이기도 한데 캔틸레버 팁에 세포 반응을 일으킬 수 있는 분자를 얹는 것입니다. 예를 들어 우리는 비만 세포의 반응을 촉발할 수 있는 항원 단백질을 캔틸레버 팁에서 얹는 내용을 발표했습니다. 활성 T세포 표면에 캔틸레버 팁을 내려 닿게 하여 팁에 얹혀진 리간드가 수용체에 묶이도록 하고 이와 동시에 광학 현미경으로 T세포를 이미징하면 T세포가 분자 신호를 어떻게 받아들이는지를 알 수 있게 됩니다. 이런 생화학적 신호는 원자현미경이 미세한 기계적 힘을 세포에 가하는 동안 전달될 수 있고 더욱이 원자현미경이 수용체 반응 촉발을 겪고 있는 세포가 보여주는 역학적 반응을 측정할 수 있게 됩니다. 이 연구는 우리가 T세포 활성과 관용의 근본적인 과정을 이해하는 데 매우 중요합니다. 어떤 원자현미경 사용자에게는 깜짝 놀랄만한 일일 수도 있겠습니다만 우리는 "지형도(topography )"를 측정 하는 일은 전혀 없답니다!

T세포와 기타 연구에 원자현미경을 사용하는 것이 질병을 치유하고 치료하는 능력을 향상하는데 도움이 됩니까? 그리고 어떻게 향상 됩니까?

원자현미경은 T세포 활성을 촉진하는 세포 골격 경로 발견에 도움이 되었습니다. 우리는 현재 다음 단계 연구를 위한 연구비를 신청하고 있는데 여기서 이 경로가 백신을 가속하고 감염 시 면역 반응을 증폭 시킬 수 있는지에 대한 여부를 시험하게 됩니다.

원자현미경을 다른 용도로도 사용하십니까?

우리는 암, 심장병, 줄기세포 연구에 이용되는 생물학적 하이드로젤의 역학적 특성을 측정하고 유전자 치료에 이용되는 나노입자를 측정하며 선천성 소아 심장 질환에 대한 이해를 향상해 줄 심장 세포의 박동을 측정했습니다. 우리 그룹은 또한 스탠퍼드에서 새로운 원자현미경 기술을 개발하고 발표하는 매우 활동적인 그룹 가운데 하나입니다.

파크시스템스 원자현미경이 하고 계신 연구에 가장 도움이 되는 점은 무엇입니까?

Park NX10 장비는 우리가 원자현미경 기술 개선에서 혁신을 이루는 것을 가능하게 해줍니다. 특히, 이곳 스탠퍼드의 Olav Solgaard교수 연구 그룹과의 공동연구를 통해서 새로운 형태의 광대역 원자현미경 캔틸레버를 개발하고 있는데 NX10이 가지고 있는 개방형 헤드 설계는 우리가 소형 거울을 광경로에 삽입하는 것을 가능하게 해 주었고 이것이 센서의 기전에 핵심입니다.

더욱 진보된 이미징 장비의 사용이 향후 세포 연구 분야를 어떻게 바꾸어 갈까요?

초고해상도 광학 현미경이 세포의 분자 크기 정도의 미세구조까지 밝혀줌으로써 광학 현미경 분야에 대변혁을 일으키고 있는데 원자현미경은 여전히 초고해상도 광학현미경보다 10배 이상 높은 분해능을 가지고 있습니다. 화학 물질과 표면 분자를 감지할 수 있는 능력을 갖춘 원자현미경은 세포 표면의 조직에 대한 우리의 이해를 향상하는 데 이용될 것입니다. 기계 생물학이 암, 줄기세포와 다른 분야를 포함하여 세포 생물학 여러 분야에 점점 더 만연하게 될수록 원자현미경은 세포의 역학적 상태를 측정하고 거기에 또한 영향을 주기 위해 더욱더 이용될 것입니다.

특별히 소아과학 분야에서는 어떤 종류의 연구를 하실 예정이십니까? 질병의 원인을 밝히는 데 도움을 주는 연구인가요?

현재 면역 시스템에 대한 우리의 원자현미경 연구가 근본적인 문제에 초점이 맞춰져 있습니다만 우리가 던지는 이 질문은 제가 진료실에서 치료를 담당하고 있는 유전성(일차성) 면역 결핍 질환 소아 환자들이 겪고 있는 여러 장애로부터 동기를 부여받은 것입니다. 우리는 그들의 질병을 더 잘 이해하여 진단과 치료를 향상할 수 있도록 영감을 얻고 있습니다.