의생명융합공학부 김병수 교수 연구팀이 좁아진 뇌혈관의 실제 구조와 내부 흐름을 그대로 재현한 3D 바이오프린팅 인공 뇌혈관 모델을 개발해, 뇌졸중·치매·혈관염 등 주요 뇌혈관 질환 연구와 약물 평가 분야에 새로운 가능성이 제시됐다.

‘뇌혈관 협착’은 신경혈관 질환의 주요 원인으로, 협착 부위의 비정상적 혈류가 내피세포를 자극해 염증과 병변을 유발한다. 하지만 기존 실험 모델은 체외에서 이런 병리적 환경을 재현하기 어려워 질환 연구와 약물 평가에 한계가 있었다.

이에 연구팀은 뇌혈관 협착 부위를 모사해 정밀하게 프린팅하고, 그 내부에 내피세포를 배양해 실제와 유사한 환경을 형성했다. 협착 뇌혈관의 구조와 유체역학적 특성을 모사할 수 있도록 점탄성과 재형성력을 높인 ECM(세포외기질)* 기반 하이브리드 바이오잉크를 개발하고, 내장형 3D 동축(同軸) 바이오프린팅 기술을 활용해 내벽, 외벽, 혈류 공간을 동시에 구현해 내경 250~500 ㎛(마이크로미터, 0.001㎜)의 협착 혈관 모델을 제작했다.

* ECM(Extracellular Matrix, 세포외기질): 세포가 자라고 기능할 수 있는 지지 구조물로서, 3D 바이오프린팅 모델에서 혈관 구조 형성과 생리학적 반응 유도에 중요한 역할을 한다.

특히, 돼지 유래 혈관 탈세포화 ECM(vascular dECM)에 콜라겐과 알지네이트를 혼합한 하이브리드 바이오잉크를 개발해, 기계적 강도를 약 65배 향상시켰다. 기존의 ECM 단독 바이오잉크는 프린팅 후 수축 및 붕괴 문제가 있었으나, 콜라겐이 구조적 수축을 억제하고 알지네이트가 빠른 겔화를 유도함으로써 안정적인 혈관 내강을 유지할 수 있었다.

* 혈관 유래 탈세포화 ECM(VdECM): 돼지 대동맥 조직에서 유래한 탈세포화 생체재료로, 콜라겐·엘라스틴·글리코사미노글리칸(GAGs) 등 주요 세포외기질 성분이 풍부하게 보존돼 있다.

모델 제작 후에는 CFD(Computational Fluid Dynamics) 기반 시뮬레이션으로 협착 혈관 내 병리적 흐름 특성을 분석했다. 그 결과, 미세입자인 형광 마이크로비드를 이용한 실제 투과성 실험과 일치했으며, 협착 부위에서의 난류 발생과 재순환 영역이 실시간으로 시각화됐다.

【3D 바이오프린팅 기반 협착성 뇌혈관 모델의 제작 및 내피 반응 시각화】

그림은 이번 연구에서 개발한 협착성 뇌혈관 모델의 제작 과정과 주요 특징을 보여준다.
3D 동축 바이오프린팅 기술을 통해 병리적 협착 구조를 구현하고, 이를 통해 정상과 교란 유동 환경에서의 내피세포 반응 차이를 모사했다.
또한, 실제 제작된 뇌혈관 칩 시스템과 내피세포(HUVEC 및 HBMEC)의 부착 및 성장 과정을 시각적으로 제시함으로써 기능성 혈관 내피 형성을 입증했다.

제작된 혈관 구조 내에 인간 뇌혈관 내피세포(HBMEC)와 제대정맥 내피세포(HUVEC)를 배양한 결과, CD31, ZO-1, VE-cadherin 등 내피세포 접합 단백질이 고르게 발현됐으며, 분자량에 따른 투과성 차이를 나타내는 등 생리학적으로 기능성 있는 혈관 내피로 파악됐다.

구조뿐만 아니라 혈류에 따라 변하는 염증 반응까지 재현했다는 점이 주목된다. 협착 부위에서 혈류가 왜곡되고 압력이 달라지면서 염증성 접착분자인 ICAM-1과 VCAM-1의 발현이 각각 약 2.2배, 1.5배까지 높아졌는데, 이는 실제 동맥경화 등의 염증 반응과 유사한 결과다. 연구팀의 모델이 혈류 유도성 염증 반응을 정량적으로 재현할 수 있음을 보여준다.

김병수 교수는 “이번 연구는 병리적 혈류 환경을 체외에서 구현하고, 이에 따른 내피세포의 염증 반응까지 정량적으로 분석할 수 있는 새로운 플랫폼을 제시했다는 점에서 의의가 크다”며 “향후 혈관 질환의 기전 연구는 물론, 약물 반응 평가와 맞춤형 치료 전략 개발에도 폭넓게 활용될 수 있을 것”이라고 설명했다.

【왼쪽부터 김병수 교수, 최민주 석사졸업생】

이번 연구는 과학기술정보통신부 재원의 한국연구재단 바이오의료기술개발사업과 우수신진연구사업, 산업통상자원부 알키미스트 프로젝트의 지원을 받았다​. 부산대 의생명융합공학부 김병수 교수와 포항공대 기계공학부 조동우 교수가 공동 교신저자, 부산대 의생명융합공학부 최민주 석사졸업생(현 한국재료연구원 소속)과 포항공대 기계공학과 박원빈 박사(현 티센바이오팜 소속)가 공동 제1저자로 수행했다.

혈류역학 기반 뇌혈관 질환 모델링의 새로운 가능성을 제시한 이번 연구는 생체재료 및 조직공학 분야에서 권위 있는 국제 학술지 『어드밴스드 펑셔녈 머티리얼즈(Advanced Functional Materials』 6월 30일자에 게재됐다.

- 논문 제목: Embedded 3D-Coaxial Bioprinting of Stenotic Brain Vessels with a Mechanically Enhanced Extracellular Matrix Bioink for Investigating Hemodynamic Force-induced Endothelial Responses(기계적 강화 ECM 바이오잉크 기반 3D 동축 바이오프린팅을 활용한 협착 뇌혈관 및 혈류역학적 내피 반응 모델링)

- 논문 링크: https://doi.org/10.1002/adfm.202504276 

[Abstract]

Hemodynamic Stress and Cerebrovascular Disease Modeling
Hemodynamic forces such as shear stress and disturbed flow play a crucial role in cerebrovascular diseases including atherosclerosis and stroke. However, existing in vitro models have limited ability to replicate pathological flow environments and the resulting endothelial responses. To address this challenge, the research team developed a physiologically relevant model of stenotic brain vessels capable of mimicking disease-specific flow dynamics and inflammation.

Embedded 3D Coaxial Bioprinting and Hybrid Bioink Development

The team applied an embedded 3D coaxial bioprinting technique to fabricate stenotic vascular structures with tunable inner diameters (250–500 μm). To enhance the mechanical stability of the vessels, a hybrid bioink was developed by combining vascular tissue-derived decellularized ECM (VdECM) with collagen and alginate. Rheological and mechanical testing demonstrated that this formulation achieved a ~65-fold increase in dynamic modulus compared to VdECM alone, enabling stable, perfusable vessel fabrication.

Replication of Pathological Flow and Endothelial Inflammation

Using computational fluid dynamics (CFD) simulations, the model reproduced disturbed flow conditions characteristic of stenotic regions, including areas of low shear stress and flow recirculation. When human endothelial cells (HUVECs and HBMECs) were cultured within the printed vessels, they formed functional barriers expressing junctional proteins such as CD31, ZO-1, and VE-cadherin. Under disturbed flow, inflammatory markers ICAM-1 and VCAM-1 were upregulated by ~2.2-fold and ~1.5-fold, respectively, confirming shear-induced endothelial activation.

Quantitative Platform for Disease Modeling and Drug Testing

This study establishes a quantifiable and reproducible platform for investigating the interplay between vascular geometry, hemodynamics, and cellular inflammation. Unlike traditional microfluidic systems, the bioprinted model allows for precise structural customization and the use of ECM-derived bioinks with tissue-specific properties. The platform can be further extended for personalized disease modeling, therapeutic screening, and implantable graft development.

Future Directions

The modular and scalable nature of this bioprinting system enables its application to a wide range of vascular disease models beyond the brain, including coronary and peripheral arteries. Future studies may focus on integrating immune cells, neurovascular components, and in vivo implantation to evaluate long-term functionality and translational potential.

- Authors (Pusan National University): · Byoung Soo Kim (School of Biomedical Convergence Engineering)

 · Min-Ju Choi (Department of Biomedical Convergence Engineering)

- Title of original paper: Embedded 3D-Coaxial Bioprinting of Stenotic Brain Vessels with a Mechanically Enhanced Extracellular Matrix Bioink for Investigating Hemodynamic Force-Induced Endothelial Responses

- Journal: Advanced Functional Materials

- Web link: https://doi.org/10.1002/adfm.202504276  

- Contact e-mail: bskim7@pusan.ac.kr

의생명융합공학부 김민우 교수 연구팀이 광음향 및 초음파(PAUS, photoacoustic and ultrasound) 영상 기술을 결합해, AI를 기반으로 3D 해부학적 구조를 정밀하게 재구성하는 새로운 방법을 제시했다.

보통 병원에서 사용하는 초음파 영상은 2D(평면) 이미지로 제공되며, 의료진이 손으로 초음파 기기(탐촉자)를 직접 움직이며 원하는 부위를 스캔한다. 그러나 인체는 복잡한 3차원 구조이기 때문에, 2차원 영상만으로는 실제 몸속의 상태를 정확히 파악하기에 한계가 있다. 

요즘 광음향 및 초음파 장비에는 카메라의 파노라마 기능처럼 탐촉자를 움직이면서 넓은 2D 영상을 만들어내는 기술이 쓰이고 있다. 하지만, 탐촉자를 평면을 벗어난 방향으로 움직일 때, 이 여러 영상들을 이어 붙여서 3D 구조로 재구성하는 기술은 아직 상용화되지 않았다.

이런 프리핸드(손으로 자유롭게 움직이는 방식의) 3D 초음파 영상 기술을 실제로 활용하려면, 탐촉자의 움직임을 추적할 수 있는 센서가 필요하다. 그런데 센서를 탐촉자에 부착하면 장비가 커지고 무거워 사용이 불편해지고, 다른 의료기기와의 간섭으로 센서의 정확도도 떨어지는 문제가 생긴다. 스캔할 수 있는 범위도 좁아 일반적인 진료 현장에서는 활용이 쉽지 않다. 이러한 제약들이 초음파 영상의 정확한 해석과 실용성을 떨어뜨리는 요인이 돼 왔다. 

이에, 부산대 연구팀은 ‘MoGLo-Net(Motion-based Global-Local Network)’이라는 인공지능 기반 모델을 통해, 복잡한 조직 구조를 가진 인체 내부를 자동으로 손쉽게 고품질 3차원으로 재구성할 수 있는 기술을 선보였다. 

연구팀 기술에서는 AI가 초음파 영상 간의 미세한 움직임을 정밀하게 분석해 탐촉자의 경로를 스스로 계산하고, 이를 기반으로 해부학적 구조를 입체적으로 구현한다. 별도의 외부 위치 센서 없이도 영상 간 움직임을 정밀하게 분석한 자율 스캔 방식으로 레이저와 초음파를 활용해 고해상도 3D 영상을 생성한 것이다. 

【3차원 초음파 및 광음향 영상기법 프로토콜】 

연구팀은 이 기술을 활용해 초음파와 레이저를 함께 사용하는 ‘광음향 영상’으로 아주 작은 혈관까지 3D로 보여주는 예시도 구현함으로써, 실제 임상 현장에서도 이 기술이 유용하게 쓰일 수 있음을 보였다. 

이러한 3D 재구성 기술은 의료진이 정확한 해부학적 구조를 실시간으로 파악함으로써 의료 진단 및 치료 계획을 수립하는 데 도움을 줄 수 있다. 특히, 프리핸드 3D 기술의 상용화도 가능해져, 혈관구조뿐만 아니라, 신경, 다양한 장기, 암조직과 같은 복잡한 영역의 3D 시각화로 확장해 진단의 정확도 향상이 기대된다.

또한, 이번에 개발된 기술은 MRI(Magnetic Resonance Imaging, 자기공명영상)처럼 인체 내부의 복잡한 해부학 구조를 3차원으로 정밀하게 보여줄 수 있다는 점에서도 주목된다. 고가의 대형 장비가 필요한 MRI와 달리, 이 기술은 별도의 위치 센서나 특수 장비 없이도 소형 초음파 장비만으로 고해상도 3D 영상을 자동으로, 그리고 실시간으로 재구성할 수 있다는 점에서 의료 현장에서의 활용성이 눈에 띈다. 

MRI에 비해 영상의 해상도나 조직 구분 능력 등 일부 제한이 있을 수 있지만, 상대적으로 저렴하고 간편한 장비로 3차원 고해상도 영상을 구현해 기존 영상 장비를 보완하는 실용적인 대안이 될 수 있을 전망이다. 특히, 진료실, 응급 현장, 수술실 등 다양한 의료 환경에서 보다 손쉽고 빠르게 정밀 진단을 지원할 수 있는 차세대 기술로의 발전 가능성이 주목된다.

김민우 교수는 “초음파 영상은 그동안 사용자의 스캔 실력과 경험에 많이 의존해 왔다. 이번에 개발한 기술이 상용화된다면, 스캔된 모든 영역으로부터 정형화된 3D 구조를 제공할 수 있어 사용자의 숙련도에 덜 민감해지는 장점이 있다. 또한, 프리핸드 방식으로 광음향 3D 영상(레이저+초음파를 활용한 영상기법)을 확장한 첫 시도로, 이를 통해 프리핸드 광음향 기술의 임상 활용을 가속화할 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.

AI 기반 기술을 활용해 레이저와 초음파 자율 스캔으로 넓은 영역의 3D 구조를 정밀하게 재구성할 수 있는 가능성을 제시한 이번 연구는 의생명융합공학부 김민우 교수가 교신저자, 정보융합공학과 AI전공 이시열 박사과정생이 제1저자로 수행해, 국제 학술지 『IEEE Transactions on Medical Imaging』 6월 13일자에 게재됐다. 

- 논문 제목: Enhancing Free-hand 3D Photoacoustic and Ultrasound Reconstruction using Deep Learning(딥러닝을 활용한 프리핸드 3차원 광음향 & 초음파 영상 복원)

- 논문 링크: https://ieeexplore.ieee.org/document/11036110 

해당 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단의 중견연구, 정보통신기획평가원의 인공지능융합혁신인재양성사업과 생성AI선도인재양성사업 지원을 받았다.

* 상단 연구진 사진: 왼쪽부터 김민우 교수, 이시열 박사과정생.

[Abstract]

This study addresses the challenge of reconstructing 3D anatomical structures in medical imaging, focusing on ultrasound, which typically provides 2D images. Existing 3D ultrasound technologies require specialized transducers and have limited scan ranges, while freehand 3D reconstruction is not yet applied. This research develops a method using AI to estimate the transducer's movement based on the relationships between consecutive images, overcoming the need for sensors that could interfere with the scanning process. Additionally, by integrating photoacoustic imaging with ultrasound, the study demonstrates the 3D reconstruction of microvascular structures. This innovation advances ultrasound and photoacoustic imaging, enabling more accurate anatomical analysis and expanding 3D visualization to complex areas like blood vessels, nerves, organs, and tumors.

- Authors (Pusan National University) 

 · SiYeoul Lee (Department of Information Convergence Engineering)

 · MinWoo Kim (School of Biomedical Convergence Engineering)

- Title of original paper: Enhancing Free-hand 3D Photoacoustic and Ultrasound Reconstruction using Deep Learning

- Journal: IEEE Transactions on Medical Imaging

- Web link: https://ieeexplore.ieee.org/document/11036110 

- Contact e-mail: mkim180@pusan.ac.kr

물리학과 진형진 교수 연구팀이 일본 연구진과의 공동연구를 통해 마치 폐처럼 산소를 들이마시고 내뱉는 기능을 안정적으로 수행하는 새로운 금속 산화물 소재를 개발했다.

연구팀은 스트론튬(Sr), 철(Fe), 코발트(Co)를 조합해 만든 금속 산화물이 단순한 가스 환경에서도 반복적으로 산소를 흡수·방출할 뿐만 아니라, 이 과정에서 재료가 분해되지 않으며 안정적인 구조를 유지한다는 사실을 입증했다. 

연구를 주도한 진형진 교수는 “이 결정은 마치 폐처럼 작동해, 필요에 따라 산소를 들이쉬고 내뱉는 독특한 기능을 갖는다”며 “이러한 산소 제어 능력은 고체 산화물 연료전지(SOFC) 등에서의 응용 가능성이 매우 크다”고 설명했다. 

소재의 산소 제어는 최소한의 배출로 수소에서 전기를 생산하는 고체 산화물 연료전지와 같은 기술에 필수적이다. 또한 전기 스위치처럼 열을 전달할 수 있는 열 트랜지스터나 날씨에 따라 열 흐름을 조절하는 스마트 윈도우에서도 중요한 역할을 한다.

지금까지 이러한 산소 제어가 가능한 대부분의 소재는 너무 약하거나 지나치게 높은 고온 등 극한 조건에서만 작동했다. 그러나 이번에 개발한 새로운 소재는 특히 기존 SOFC가 작동하는 극한 조건(예: 800도 이상) 대신, 상대적으로 온화한 환경에서도 산소를 안정적으로 조절할 수 있다는 점에서 큰 주목을 받고 있다. 기존의 문제였던 재료의 취약성과 비가역성도 극복했다.

연구팀은 산소가 다시 재료에 주입될 때, 결정 구조가 원래 형태로 완전히 되돌아오는 가역성을 실험을 통해 증명했다. 

【이번 연구에서 개발된 소재의 선택적 산소 배출】

공동 저자인 히로미치 오타(Hiromichi Ohta) 일본 홋카이도대 전자과학연구소 교수는 “이 소재는 실시간으로 스스로 조절하는 ‘스마트 재료’ 개발의 핵심 요소가 될 것”이라며 “청정 에너지는 물론, 전자기기, 환경 친화 건축 소재 등 다양한 분야에서 응용 가능성이 열려 있다”고 덧붙였다.

이번 연구 성과는 향후 탄소 중립을 위한 신재생 에너지 기술에 실질적인 기여를 할 수 있는 기반 기술로, 관련 산업계와 학계의 높은 관심이 예상된다.

이 같은 성과는 부산대 물리학과에서 박사 학위를 받은 이준혁 박사(현 화학연구원 소속)가 제1저자, 부산대 진형진 교수가 교신저자로 수행한 논문 ‘Selective reduction in epitaxial SrFe0.5Co0.5O2.5 and its reversibility(에피텍셜 SrFe_0.5Co_0.5O_2.5 내에서의 선택적 환원 및 가역성)’에 소개됐다. 본 연구에는 포항가속기연구소 김영학 박사와 가천대 윤상문 교수 연구팀에서 참여했다. 

해당 연구는 저명한 국제학술지 『Nature Communications』 8월 15일자에 게재됐다.

- 논문 링크: https://www.nature.com/articles/s41467-025-62612-1 

이 연구는 과학기술정보통신부의 한국연구재단 중견연구자사업, 교육부의 한국기초과학지원연구원 국가연구시설진흥센터 인프라 고도화 사업, 한국연구재단의 한일협력연구 등의 지원을 받아 수행됐다.

* 상단 연구진 사진: 왼쪽부터 교신저자 진형진 교수와 공동저자 정혜윤 박사과정생, 류상균 박사후연구원.

[Abstract]

A team of scientists from Korea and Japan has discovered a new type of crystal that can "breathe"—releasing and absorbing oxygen repeatedly at relatively low temperatures. This unique ability could transform the way we develop clean energy technologies, including fuel cells, energy-saving windows, and smart thermal devices. The newly developed material is a special kind of metal oxide made of strontium, iron, and cobalt. What makes it extraordinary is that it can release oxygen when heated in a simple gas environment and then take it back in, all without falling apart. This process can be repeated many times, making it ideal for real-world applications.

Controlling oxygen in materials is crucial for technologies like solid oxide fuel cells, which produce electricity from hydrogen with minimal emissions. It also plays a role in thermal transistors—devices that can direct heat like electrical switches—and in smart windows that adjust their heat flow depending on the weather.

Until now, most materials that could do this kind of oxygen control were too fragile or operated only at the harsh conditions like extremely high temperatures. This new material works under milder conditions and remains stable. The team also showed that the material could return to its original form when oxygen was reintroduced, proving the process is fully reversible. 

- Authors (Pusan National University): Joonhyuk Lee, Hyoungjeen Jeen (Department of Physics)

- Title of original paper: Selective reduction in epitaxial SrFe_0.5Co_0.5O_2.5 and its reversibility

- Journal: Nature Communications

- Web link: https://www.nature.com/articles/s41467-025-62612-1 

- Contact e-mail: hjeen@pusan.ac.kr

광메카트로닉스공학과 홍석원 교수와 한의과학과 신화경 교수 연구팀이 두께 약 3.6 ㎛(마이크로미터, 1㎛=0.001㎜)의 초박막 유연 신경 프로브를 개발했다. 

‘신경 프로브(Neural Probe)’는 뇌와 같은 신경 조직에 삽입해 신경세포의 전기 신호를 기록하거나 자극을 전달하는 미세 전자소자로, 신경과학 연구, 뇌질환 진단 및 치료, 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI) 개발 등에 핵심 도구로 활용된다. 

연구팀은 이번에 개발한 신경 프로브를 마우스의 뇌 깊은 부위(deep brain)에 삽입해 32채널 전기생리학적 신호를 고해상도로 기록하는 데 성공함과 동시에, 심부 뇌 자극(Deep Brain Stimulation, DBS) 실험까지 수행함으로써 하나의 장비로 뇌 신호 측정과 치료 자극을 동시에 수행할 수 있는 가능성을 보였다.

【저널 표지 이미지】 

차세대 유연 전자소자 기술과 신경공학이 융합된 이번 연구 성과는 국제 학술지 『Advanced Functional Materials』 6월 5일자 표지 논문으로 소개되며 생체친화적인 신경 인터페이스 개발에 중요한 전환점을 마련할 것으로 기대된다.

- 논문 제목: Biomimetic Design of Biocompatible Neural Probes for Deep Brain Signal Monitoring and Stimulation: Super Static Interface for Immune Response-Enhanced Contact(뇌 심부 신호 모니터링 및 자극을 위한 생체 적합성 신경 탐침의 생체 모방 설계: 면역 반응 강화 접촉을 위한 초밀착형 신경인터페이스)

- 논문 링크: https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202417727 

연구팀은 반도체 공정에 널리 사용되는 SU-8 포토레지스트를 기판(유연한 바닥층)과 패시베이션층(절연 보호막)으로 활용했다. SU-8은 빛에 반응해 굳는 에폭시 기반의 특수 플라스틱으로, 가볍고 얇으면서도 튼튼해 신경 프로브 제작에 투입됐다. 그 위에는 전기를 전달하는 금(Au) 전극과 전도성 고분자(PEDOT:PSS)를 샌드위치처럼 얇게 겹겹이 쌓아 올려, 전극과 보호막이 한데 어우러진 단층(polymer/metal/polymer) 초박막 구조를 완성했다.

이러한 구조는 두께를 3.6 마이크로미터로 대폭 줄이면서도 유연성과 기능성을 동시에 확보할 수 있어, 생체 조직에 더 잘 적응하고 안정적으로 작동할 수 있는 장점이 있다.

특히 불규칙한 기계적 움직임에도 프로브가 부드럽게 적응할 수 있도록 ‘키리가미(kirigami)’라는 미세 오려내기 기법을 적용해 접히거나 늘어나도록 설계했다. 이를 통해 마우스 뇌의 미세 움직임(micromotion)이 빈번한 상황에서도 자극이나 기록 신호가 정확히 유지되도록 했다.

연구팀은 신경 프로브가 체내에 삽입될 때 발생할 수 있는 면역 반응을 줄이기 위해, 프로브 표면에 라미닌(laminin)이라는 물질을 코팅했다. ‘라미닌’은 우리 몸의 세포외기질(ECM)을 구성하는 주요 성분 중 하나로, 세포가 안정적으로 자리를 잡고 염증 반응을 줄이는 데 도움을 준다.

시험관 실험에서, 염증 반응을 일으키는 지질다당류(LPS) 물질로 자극한 뇌 면역세포들(마이크로글리아와 아스트로사이트)에 라미닌을 처리한 결과, 염증 반응의 지표인 단백질들(IBA-1, GFAP)의 수치가 약 25~30% 줄었고, 세포 손상을 유발하는 활성산소(ROS)도 현저히 감소했다. 이는 실제 동물실험에서도 라미닌 코팅이 신경 프로브 주변의 염증성 반응과 흉터 조직을 억제해, 장기간 안정적으로 뇌 전기신호를 기록할 수 있음을 보여준다.

연구팀은 개발한 신경 프로브를 마우스의 뇌에 삽입해, 뇌 표면부터 깊은 부위(시상하부)까지 약 195 마이크로미터 간격으로 총 32개의 미세 전극을 나란히 배치했다. 이 배열 덕분에, 넓은 뇌 영역에서 동시에 신경 신호를 정밀하게 측정할 수 있게 됐다. 

이 장치를 통해 연구팀은 뇌의 느린 전기 흐름(국소장 전위, LFP)과 개별 신경세포의 활동 즉, 스파이크 신호를 동시에 포착할 수 있었다. 신호의 해상도는 기존 대비 월등히 향상된 수준이었다.

뇌의 기억과 학습을 담당하는 해마 부위에 카바콜(Carbachol)이라는 신경전달물질을 직접 주입한 뒤 실시간으로 반응을 관찰한 결과, 약물 주입 75초 뒤부터 신경세포의 활동이 급격히 증가했다가, 4분 후에는 다시 정상으로 회복되는 과정을 아주 세밀하게 추적할 수 있었다. 이처럼 실시간으로 뇌의 반응을 정확히 기록하고 분석할 수 있는 기술은 신경과학 연구는 물론, 뇌질환 진단이나 치료기기 개발에도 큰 도움이 될 수 있다.

【왼쪽부터 a) 키리가미 구조 기반 초박막 최소침습형 뇌신경 프로브의 임플란트 구조

b) 실험용 마우스 두개골 개방 및 프로브 삽입 사진 

c) 뇌 신호 기록 위치 및 데이터

d) DBS 자극 전·중·후의 주파수-위상 변화 및 장기간 삽입 후 염증 반응 평가】 

또한 연구진은 파킨슨병 모델 마우스를 대상으로 심부 뇌 자극(DBS) 실험을 진행했다. 이 실험은 뇌 속 깊은 곳을 전기 자극해 운동 기능을 회복시키는 치료법을 모방한 것이다. 

실험 결과, 자극 전후에 뇌에서 측정된 전기 신호 패턴(LFP)이 뚜렷하게 달라졌고, 마우스의 움직임 능력도 눈에 띄게 개선됐다. 이는 연구팀이 개발한 초박막 유연 신경 프로브가 기존의 딱딱한 실리콘 전극보다 뇌에 더 부드럽게 작용하며, 신경세포를 손상시키지 않고 자극을 전달할 수 있음을 보여준다. 즉, 이 기술은 보다 안전하고 효과적인 뇌 질환 치료용 전극으로 실제 임상에 적용될 가능성을 크게 높인 셈이다.

최근 글로벌 뇌-컴퓨터 인터페이스(Brain-Computer Interface, BCI) 분야에서는 일론 머스크 테슬라 최고경영자가 이끄는 뉴럴링크(Neuralink)가 약 6억 5,000만 달러 규모의 투자금을 유치해 초기 임상시험 단계에 돌입했다. 뉴럴링크는 인간에게 이식형 칩을 장착한 뒤 시각·언어 기능 회복과 사지 마비 환자의 디지털 기기 제어 실험을 속속 성공시키며 주목받고 있다. 

이러한 상황에서 부산대 연구팀이 개발한 초박막 키리가미 기반 프로브는 ‘면역 반응 억제’와 ‘초고해상도 신호 기록’이라는 두 가지 난제를 동시에 해결했다는 점에서, 국내외 BCI 연구와 시너지를 일으킬 것으로 기대된다.

실험을 주도한 인지메카트로닉스공학과 정정화 박사과정 연구원은 “기존 실리콘 기반 전극은 뇌 조직과의 물리적 불일치 때문에 염증 반응이 발생해 장기간 기록이 어렵다는 한계가 있었다”며 “우리 연구진의 초박막 유연 프로브는 마우스 뇌에 삽입했을 때 염증 반응을 최소화하면서도 고해상도 신호를 안정적으로 얻어낼 수 있었다”고 설명했다. 

홍석원 교수와 신화경 교수는 “앞으로 광유전학(optogenetics)용 광섬유나 미세약물주입 채널, 무선 전력전송 모듈을 결합하면 실시간 광자극과 전기신호 기록을 동시에 수행하는 차세대 뇌 연구 플랫폼으로 발전시킬 수 있을 것”이라고 덧붙였다.

이번 연구는 한국연구재단 중견연구자지원사업, 선도연구센터, 집단연구지원사업 기초연구실 지원을 받아, 인지메카트로닉스공학과 정정화, 허경화 박사과정생, 반도체특성화대학산업단 권영우 산학협력중점교수, 컬러변조초감각인지기술 선도연구센터 채선영 박사, 한의과학과 김민재 박사가 제1저자, 광메카트로닉스공학과 홍석원 교수, 한의과학과 신화경 교수가 교신저자로 수행했다. 연구진은 우수한 성과를 바탕으로 향후 임상용 이식형 의료기기 상용화에도 박차를 가할 계획이다.

* 상단 연구진 사진: 왼쪽부터 신화경 교수, 홍석원 교수.

[Abstract]

The ability to measure changes in neural activities using devices implanted in the brain can be useful for recording brain signals to assess specific risk factors, monitor the development of brain diseases, and expand the understanding of neural circuitry. Here, a neuroimplantable interface is introduced that integrates biomaterials with an advanced structural design to facilitate monitoring of electrophysiological responses in widespread brain regions. The neural interface uses biocompatible and photopatternable materials to create ultrathin, homogeneous encapsulant/substrate laminates. Comprehensive in vitro tests of the laminin-enveloped neural interface demonstrate efficacy in relieving inflammation via a biomimetic strategy by diminishing microglia and astrocyte aggregation near recording sites, enhancing periodic signal acquisition. The performance is evaluated by injecting an acetylcholine receptor agonist into mouse brains. This approach enables to monitor real-time signal changes, gain insights into neural network dynamics by assessing stimulus-evoked signaling at specific sites, and identify signaling patterns and hippocampal synaptic connections. Additionally, in a Parkinson's disease mouse model, deep brain stimulation is performed and signals are recorded to confirm symptom amelioration, offering a biomedical device approach. The key strategy highlights intact neural electrodes with biocompatible, mechanically compliant materials conferring compact bioelectronic functionalities, high neuronal microenvironment compatibility, and pathological neural system recognition.

- Authors (Pusan National University): Suck Won Hong (Department of Cogno-Mechatronics Engineering), Hwa Kyoung Shin (Department of Korean Medical Science)

- Title of original paper: Biomimetic Design of Biocompatible Neural Probes for Deep Brain Signal Monitoring and Stimulation: Super Static Interface for Immune Response-Enhanced Contact

- Journal: Advanced Functional Materials

- Web link: https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202417727

- Contact e-mail: swhong@pusan.ac.kr, julie@pusan.ac.kr 

우리가 글을 읽을 때 여러 단어를 동시에 이해할 수 있는지, 아니면 한 단어를 끝내야 다음 단어로 넘어가는지, 이 오래된 의문에 부산대 연구진이 흥미로운 연구 결과를 내놓았다. 영어 단어를 사용한 선행 연구들은 ‘두 단어 병렬 이해는 불가능하다’는 결론에 머물렀지만, 한글 단어를 사용한 이번 연구는 결과가 달랐다. 한글은 영어보다 정보 처리가 효율적일 뿐만 아니라, 특히 자주 함께 쓰이는 한글 단어는 병렬 처리까지도 가능했다.

심리학과 주성준(사진) 교수 연구팀은 보통 동시에 두 단어에 주의를 배분해 각각의 의미를 파악하는 것은 매우 어렵지만, ‘두 단어가 합성어를 이룰 때(예: 눈+사람)’와 ‘의미적으로 연결돼 있을 때(예: 연필-지우개)’에는 두 단어 모두에 자연스럽게 주의가 분산되고, 뇌가 더 효율적으로 정보를 병렬 처리함을 밝혀냈다.

합성어를 만드는 두 단일어는 함께 쓰이는 빈도가 높기 때문에, 하나의 단어를 읽을 때 나머지 하나의 단어가 동시에 뇌에서 활성화될 가능성이 있다. 또한, 보통 문장을 이루는 단어들은 그 의미가 연결돼 있을 가능성이 크며, 예측이 가능한 단어가 나올 때가 많다. 연구팀은 이러한 맥락 단서와 한글 쓰기 체계의 특징이 한글 단어의 병렬 처리를 가능하게 할 수 있을지 확인하고자 실험을 진행했다.

연구팀은 19~28세 남녀 42명을 대상으로, 각 한글 단어쌍을 보여주고 생물/무생물을 명확하게 분류하게 했다. 제시된 단어는 1,440개로, 총 720개 단어쌍이었다. 

이때 단어쌍은 크게 세 유형으로 나눴다. 첫 번째 유형은 자주 함께 등장하지 않고 의미적으로 연결이 없는 ‘무관련 단어쌍’, 두 번째 유형은 ‘합성어 내 단일어 단어쌍’, 마지막 유형은 뉴스 기사나 일상 언어에서 자주 함께 등장하고 의미적으로도 관련 있는 ‘의미 연관 단어쌍’이었다. 무관 단어쌍은 가위-마당, 모래-대학생, 단일어 단어쌍은 고추-잠자리, 척추-동물, 의미 연관 단어쌍은 고모-이모, 연필-지우개와 같은 단어들의 모음이다.

연구팀은 각 단어쌍을 동시에 제시한 뒤, 참가자들에게 단어를 생물/무생물로 분류하는 의미 범주화 과제(semantic categorization task)를 수행하게 했다. 누이(생물)-동생(생물), 가족(생물)-사진(무생물), 모래(무생물)-시계(무생물) 등으로 분류하는 방식이다. 

연구팀은 제시된 단어쌍 중 하나의 단어에만 주의를 주어 과제를 수행하는 단일 과제와 두 단어 모두에 주의를 주어 과제를 수행하는 이중 과제 조건의 결과를 토대로 각 조건의 단어쌍이 동시에 병렬적으로 처리될 수 있는가를 조사했다.

실험 결과, 영어 단어쌍을 사용한 선행 연구에 비해 이번 연구에 사용한 한글 무관련 단어쌍의 두 단어의 의미 파악이 더 효율적임을 확인했다. 그러한 한글 단어 처리의 효율성에 더해, 합성어 내 단일어 단어쌍과 의미 연관 단어쌍과 같이 두 단어가 연관이 있을 때에는 두 단어를 동시에 병렬적으로 처리할 수 있음을 알 수 있었다. 

합성어 내 단일어 단어쌍과 의미 연관 단어쌍에서 한쪽 단어(누이)를 맞힐 경우에 다른 한쪽(동생)을 맞힐 확률이 더 높았다. 이러한 결과는 자주 같이 등장하는 단어나 의미적으로 연관된 단어들은 한 단어를 읽을 때 다른 단어를 뇌에서 활성화시킨다는 것을 보여준다.

이는 여러 글자를 ‘이어쓰기’로 단어를 만드는 영어와 달리 자모를 ‘모아쓰기’해 단어를 구성하는 한글의 쓰기 체계, 음운 소리와 글자가 거의 일대일로 대응되는 음절구조, 규칙적인 철자법 등의 차이가 두 단어에 효율적으로 주의를 할당하는 데 큰 역할을 했음을 시사한다. 

이 같은 발견은 언어별 읽기 메커니즘과 주의 집중 전략을 새롭게 조명하며, 다국어 학습과 독서 교육법 개발에도 영향을 미칠 것으로 전망된다.

주성준 교수는 “읽기는 지식 습득, 의사소통, 그리고 개인적 성취를 뒷받침하는 중요한 인간 행동이다. 읽기 과정의 복잡성을 이해하는 것은 인간 인지에 대한 통찰력을 얻는 데 필수적”이라며 “이번 연구를 통해 의미적으로 연관된 한글 단어들에서는 한 단어의 활성화가 관련 단어의 활성화를 촉진할 수 있어, 관련 없는 단어보다 더 효율적으로 인식될 가능성이 높다는 것을 확인했다. 이는 자음 대응 및 단어/음절 경계와 같은 문자 체계의 차이가 읽기에 필요한 지각 및 인지 처리의 양에 영향을 미칠 수 있음을 보여준다. 영어에서 병렬 처리가 어렵다는 선행 연구에 비춰 볼 때, 읽기의 기저 메커니즘을 포괄적으로 이해하기 위해서는 여러 요소를 고려해야 하며 특히 문자 체계가 인지 과정에 미치는 영향이 생각보다 크다는 것을 알 수 있다”고 설명했다. 

이어 “우리 연구팀은 앞으로도 언어별 차이를 정교하게 규명하는 후속 연구를 진행해 읽기 교육과 난독증 등 인지 재활 분야에 실용적인 해법을 제시해 나가고자 한다”고 덧붙였다.

다만 연구팀은 이번 결과를 한글 읽기에서 속독이 가능하다는 주장과 동일시 해서는 안 된다고 선을 그었다. 속독은 한 페이지에 흩어진 수많은 단어를 초고속으로 훑어 정보를 파악하는 기법이지만, 복합적인 의미 이해나 깊이 있는 독해가 요구되는 글에는 부적합하다는 지적이 꾸준하다. 

주성준 교수는 “우리 연구가 보여준 한글 단어의 병렬 처리 가능성은 단어 간 의미가 강하게 연결될 때에 한정된다”며 “본문 전체를 정확히 이해하려면 여전히 순차적 처리 과정이 필수”라고 강조했다.

이번 연구는 교육부 한국연구재단 보호연구지원사업의 지원을 받아, 심리학과 전임연구원 유상아 박사가 제1저자, 주성준 교수가 교신저자로 수행했다. 해당 논문은 『Journal of Experimental Psychology: General』 7월호에 게재됐다.

- 논문 제목: Korean Hangul Is More Robust to a Serial Bottleneck: Co-Occurring and Semantically Related Korean Words Can Be Processed in Parallel(한글은 순서대로 처리해야 하는 제한에 덜 영향을 받는다: 함께 쓰이거나 의미적으로 연결된 한글 단어는 동시에 처리할 수 있다)

- 논문 링크: https://dx.doi.org/10.1037/xge0001778  

* 상단 이미지: (왼쪽) 두 단어에 대한 이중 과제 수행 시 영어와 한글 수행률 비교: 데이터가 빨간 선에 가까울수록 두 단어에 동시에 주의를 줄 수 없다는 것을 의미하고, 노란 선에 가까울수록 두 단어에 동시에 주의를 줄 수 있다는 것을 의미함. (오른쪽) 두 단어 읽기 실험 절차

[Abstract]

Can readers process multiple words simultaneously, and are there cultural differences in attentional bottleneck in lexical processing? To answer these questions, a research team led by Dr. Sung Jun Joo at the Department of Psychology, Pusan National University asked participants to view two words and categorize only one (single-task) or both words (dual-task), using Korean word pairs that frequently co-occur and are semantically related. They hypothesized that the coactivation of related words could facilitate lexical processing, and that the unique characteristics of Korean Hangul, such as its shallow orthographic depth and clear-cut syllabic boundaries, would enhance this effect. The results suggest that Korean Hangul is more robust to a serial processing bottleneck. Unlike the previous findings in English, independent or unrelated Korean word pairs were not processed in a strictly serial manner. Furthermore, the results for co-occurring and semantically related words supported the parallel processing model. Interestingly, for regularly co-occurring words, accuracy for one word increased if the participant was also correct about the other. These findings suggest that the relation between the words and the properties of writing systems should be considered in the long-standing serial versus  parallel debate in reading research.

- Authors (Pusan National University): Sung Jun Joo, Sang-A Yoo (Department of Psychology)

- Title of original paper: Korean Hangul Is More Robust to a Serial Bottleneck: Co-Occurring and Semantically Related Korean Words Can Be Processed in Parallel

- Journal: Journal of Experimental Psychology: General

- Web link: https://dx.doi.org/10.1037/xge0001778

- Contact e-mail: sungjun@pusan.ac.kr

생명환경화학과 김유진 교수 연구팀이 벼의 씨앗을 만들기 위해 꼭 필요한 꽃가루 신호 전달에 OsPRK 유전자들이 필수적인 기능을 한다는 연구 결과를 발표했다. OsPRK 유전자군을 제거하면 꽃가루가 작동하지 않아 수컷 불임이 됐는데, 이들 유전자가 화분 내 활성산소종(ROS) 수준을 조절해 화분관 발달에 역할했기 때문이다.

* 활성산소종(ROS, Reactive Oxygen Species): 산소 원자를 포함하면서 화학적 반응성이 높은 분자들을 의미한다. 세포 내 과한 활성산소종의 축적은 세포사멸에 이르게 하지만, 적정한 수준이 유지되면 신호분자로서 활용될 수 있다.

식물의 화분은 동물의 정자와 달리 운동성이 없기 때문에 화분관을 형성해 정핵세포를 이동시킴으로써 수정한다. 이 과정은 정교한 신호경로를 통해 이뤄지지만, 지금까지 벼에서는 이에 관여하는 유전자들에 대한 기초연구가 부족했다. 

연구팀은 이 신호를 받아들이는 데 PRK(Pollen-specific Receptor-Like Kinase) 유전자군인 OsPRK1, OsPRK2, OsPRK3 유전자가 필요함을 확인했다. 이 유전자들은 ‘수용체 유사 키나아제’로, 세포가 신호를 받아들이고 전달하는 데 쓰는 단백질이다. 이 세 유전자를 유전자 가위 기술(CRISPR/Cas9)로 제거하면 꽃가루가 암술에 붙지 않고, 잘 자라지 않는다. 결과적으로 씨가 맺히지 않아 수컷 불임이 유발됐다.

벼의 감수 분열 후 화분이 꽃가루관으로 성장해 정자를 암선으로 운반하는 과정은 식물의 유성 생식에서 핵심이다. 연구팀은 이 과정에서 활성산소종이 세포벽 확장을 유도하는 신호 활성 인자로 작용한다는 점에 주목했다.

연구팀이 벼에서 처음 발굴한 PRK 유전자군은 화분 특이적 발현이 특징인 수용체 단백질*의 특징을 가진다. 유전자 가위 CRISPR/Cas9에 의해 이들의 기능을 모두 잃은 3중 돌연변이체는 화분관 발아**를 하지 못하며, 이는 낮은 활성산소종 수준과 관련 있다. 돌연변이체에 활성산소종의 일종인 과산화수소 (H₂O₂)를 처리하면 화분관 발아율이 일부 회복된다. 이를 통해 OsPRK 유전자군이 화분관 발아에 필수적이며, 이 기작은 활성산소종과 관련 있음을 이해할 수 있다. 

* 수용체 단백질(receptor protein): 세포막에 존재하며, 세포 밖의 신호를 감지해 세포 내로 전달하는 역할을 하는 세포막 단백질의 일종이다.

** 화분관 발아(pollen tube germination): 웅성(male) 생식기관인 수술(anther)로부터 나온 화분(꽃가루, pollen)이 정핵 세포(sperm cell)를 전달하고자 한 방향으로 극성 생장(polar growth)을 시도하는데, 이러한 생장을 ‘화분관 발아’라고 표현한다.

【벼 화분관 내에서 OsPRK 유전자군이 매개하는 신호경로 모델】 

한편, OsPRK1/2/3이 모두 기능을 잃은 3중 돌연변이 라인은 웅성(雄性)에 의해서만 불임(sterility) 표현형을 보이는 식물체로, 제웅(除雄) 과정을 생략하고도 교배에 활용해 품종 개발을 더 효율적으로 할 수 있다.

이 같은 내용을 담은 연구팀의 논문은 국제 학술지 『Journal of Integrative Plant Biology』 5월 9일자에 게재됐다.

- 논문 제목: OsPRK1/2/3-mediated reactive oxygen species signaling is required for pollen tube germination in rice(OsPRK1/2/3이 매개하는 활성산소종 시그널링은 벼 화분관 발아에 필수적이다)

- 논문 링크: https://doi.org/10.1111/jipb.13921 

이번 연구는 한국연구재단의 신진연구자지원사업과 기초연구실지원사업 지원을 받아, 부산대 생명환경화학과 김유진 교수가 교신저자, 손예진 연구원(석사과정 졸업)이 제1저자로, 경희대 정기홍 교수팀과 공동으로 수행했다. 해당 연구는 부산대 LMO(Living Modified Organisms) 격리 포장 시설에서 진행했다.

김유진 교수는 “이번 연구를 통해 벼에서 처음으로 PPK를 찾았고, CRISPR/Cas9을 이용해 3개의 기능중복적 유전자를 동시에 knock-out 시킨 돌연변이를 제작함으로써, 화분관의 수화, 발아에 기능함을 발견했다. 특히, 활성산소 시그널링에 관여함을 확인하고, 웅성불임을 회복할 수 있는 방법을 모색해 응용가치가 높을 것으로 기대한다”고 말했다.

* 상단 인물 사진: 앞줄 왼쪽 세 번째 김유진 교수와 연구실 학생들.

[Abstract]

Pollen hydration, germination, and tube growth are vital processes for the successful fertilization of flowering plants. These processes involve complex signaling pathways. Reactive oxygen species (ROS) generated in apoplast involves signaling for the cell wall expansion during tube growth, however molecular regulators are less known. We identified pollen-specific receptor-like kinase (OsPRK) family genes from rice (Oryza sativa), which have conserved leucine-rich repeat (LRR) and kinase domains. To understand the function of these genes, we produced single and triple mutations for OsPRK1, OsPRK2, and OsPRK3 using the clustered regularly interspaced palindromic repeats (CRISPR/Cas9) system. Among these mutants, triple knockout (KO) lines (osprk1/2/3) exhibited the male-sterile phenotype with normal vegetative growth and floret formation. Through cytological analysis, we confirmed that the reduced seed fertility was due to defects in pollen hydration and germination with low ROS accumulation. This defect of pollen germination was partially recovered by treatment with exogenous H2O2. We also confirmed that OsPRKs could interact with the LRR extension protein. Our results suggest that rice PRKs redundantly play a role in ROS signaling for pollen hydration and germination, and fertility can be controlled by exogenous application.

- Authors (Pusan National University): Yu-Jin Kim, Ye-Jin Son(Department of Life Science and Environmental Biochemistry)

- Title of original paper: OsPRK1/2/3‐mediated reactive oxygen species signaling is required for pollen tube germination in rice

- Journal: Journal of Integrative Plant Biology

- Web link: https://doi.org/10.1111/jipb.13921 

- Contact e-mail: yjkim2020@pusan.ac.kr

DNA를 특정 위치에서 자르고 고치는 첨단 기술인 ‘유전자 가위 기술’이 질병 치료와 작물 개량에 혁신을 가져오고 있는 가운데, 의생명융합공학부 박정빈 교수 연구팀이 개인별 DNA 차이를 고려해 유전자 가위의 부작용을 미리 예측하는 맞춤형 도구 개발에 성공했다. 이 기술로 환자별 맞춤 유전자 치료와 부작용 최소화가 가능한 정밀 의료 시대가 앞당겨질 것이라는 기대가 커지고 있다.

박정빈 교수팀은 강원대와의 협업으로 개인별 유전체 변이를 고려해 유전자 가위의 정확한 작용 위치와 잠재적 부작용 위치를 예측하는 웹 기반 도구(Variant-aware Cas-OFFinder)를 개발했다. 개인 유전체 데이터를 입력하면 맞춤형 DNA 지도를 만들고, 이를 바탕으로 유전자 가위가 정확히 작동할 위치와 예상치 못한 부작용이 발생할 수 있는 위치를 알려준다. 기존 도구들이 표준 유전체만 분석해 개인차를 반영하지 못했던 한계를 극복한 것이다.

【연구팀이 개발한 유전자 가위 부작용을 예측하는 맞춤형 도구의 알고리즘 개요도】

이 도구는 유전자 가위가 잘못 작용할 수 있는 오프타겟*을 찾아내기 위해, 표준 유전체 정보와 개인 맞춤형 유전체 정보를 함께 사용한다. 개인의 유전체 정보는 VCF 파일 형식으로 제공된다. 

* 오프타겟(off-target): 유전자 가위가 원래 목표한 DNA 서열이 아닌 비의도적인 위치를 잘못 절단하거나 편집하는 현상.

VCF(Variant Call Format) 파일은 개인의 유전체에서 표준 유전체와 다른 부분, 즉 유전적 변이를 담고 있는 파일이다. 각 개인의 유전자에서 어떤 부분이 다른지를 기록한 유전체 요약 파일이라고 보면 된다. 개발 도구는 이 VCF 파일을 분석에 활용해, 각 개인에게서만 나타나는 오프타겟 위험까지 예측할 수 있다는 것이 특징이다.

연구팀은 새로 개발한 도구의 성능을 검증하기 위해 인간 유전체와 고추 품종을 대상으로 테스트를 진행했다. 그 결과, 개인별 DNA 차이에 따라 서로 다른 오프타겟 패턴이 나타나는 것을 확인했고, 기존 도구로는 발견할 수 없었던 고유한 오프타겟 위치를 식별하는 데 성공했다.

이 도구는 557개 생물종과 40개 유전자 가위 유형을 지원해 인간 치료부터 작물 개량까지 폭넓게 활용 가능하다. 또한, 누구나 쉽게 접근할 수 있는 무료 웹 서비스(https://rgetoolkit.com/var-cas-offinder)로 제공되며, 로그인 없이도 이용할 수 있다.

【왼쪽부터 박정빈 교수, 아비요트 멜카무 메코넨 연구원, 성강 연구원】

박정빈 교수는 “이번에 개발한 도구는 마치 유전자 가위를 위한 ‘맞춤형 내비게이션’과 같다”며 “개인별 DNA 특성에 맞춰 안전한 위치를 안내해 유전자 치료의 부작용은 줄이고 효과는 높이는 맞춤형 정밀 의료 시대를 앞당길 것”이라고 설명했다.

의생명융합공학부 수학 중 연구에 참여한 공동 제1저자 아비요트 멜카무 메코넨(정보융합공학과 박사과정)과 성강(연구 당시 학사과정, 현 KAIST 석사과정) 연구원은 “우리가 개발한 기술이 개개인의 유전자를 교정하는 데 실질적인 도움이 가능한 도구로 활용될 수 있다는 점에 큰 보람을 느낀다”고 말했다.

이번 연구는 농촌진흥청 신육종기술개발사업과 한국연구재단 중견연구자지원사업 및 바이오·의료기술개발사업, BK21 Four 한국동남권 4차산업혁명 리더 교육사업단의 지원을 받았으며, 부산대 박정빈 교수가 교신저자, 아비요트 멜카무 메코넨과 성강 연구원이 공동 제1저자, 강원대 김혜란 교수가 공동저자로 참여했다.

개인 맞춤형 유전자 편집 기술의 정확도와 안전성을 획기적으로 높일 것으로 기대되는 이번 연구 성과는 해당 분야 최상위 국제 저명 학술지인 『Nucleic Acids Research』 7월호에 게재됐다.

- 논문 제목: Variant-aware Cas-OFFinder: web-based in silico variant-aware potential off-target site identification for genome editing applications(유전자 편집을 위한 웹 기반 변이 인지형 오프타겟 후보 컴퓨터 분석 도구)

- 논문 링크: https://doi.org/10.1093/nar/gkaf389 

* 상단 이미지: 연구 개념도

[Abstract]

Researchers from Pusan National University have successfully developed a web-based tool that can predict potential side effects of gene editing technologies by considering individual DNA variations. This breakthrough is expected to accelerate personalized gene therapy with minimized side effects.

The research team led by Professor Jeongbin Park from the School of Biomedical Convergence Engineering at Pusan National University, in collaboration with Professor Hye-Ran Kim from the Department of Life Sciences at Kangwon National University, has developed a web-based tool called "Variant-aware Cas-OFFinder."

This novel tool creates personalized DNA maps by analyzing individual genomic data, then identifies both the precise locations where genome editors will function correctly and potential sites where unexpected side effects might occur. The tool overcomes limitations of existing technologies that only analyze standard genomes without reflecting individual differences.

The tool's effectiveness was validated through tests on human genomes and pepper varieties, successfully identifying unique off-target patterns specific to individual DNA differences that couldn't be detected with conventional tools.

Professor Park described the tool as a "customized navigation system for genome editors" that guides safe locations based on individual DNA characteristics, reducing side effects while enhancing the effectiveness of gene therapy.

Co-first authors Abyot Melkamu Mekonnen (doctoral student) and Kang Sung (formerly undergraduate, now master's student at KAIST) expressed satisfaction that their technology could provide practical assistance in editing individual genes.

* Reference

- Authors (Pusan National University): 

  Abyot Melkamu Mekonnen (Department of Information Convergence Engineering) 

  Seong Kang (School of Biomedical Convergence Engineering) 

  Jeongbin Park (School of Biomedical Convergence Engineering) 

- Title of original paper: Variant-aware Cas-OFFinder: web-based in silico variant-aware potential off-target site identification for genome editing applications

- Journal: Nucleic Acides Research

- Web link: https://doi.org/10.1093/nar/gkaf389  

- Contact e-mail: jeongbin.park@pusan.ac.kr

생명과학과 윤부현 교수 연구팀이 암세포 중에서도 치료가 잘되지 않고 재발과 전이를 유도하는 ‘암 줄기세포(Cancer Stem Cells, CSC)’의 복잡한 메커니즘을 규명해, 표적 치료를 통한 난치암 극복 가능성을 열었다.

이번 연구는 암의 재발과 전이를 유발하는 암 줄기세포의 이질성과 대사 유연성을 분석함으로써, 기존 치료의 한계를 극복할 수 있는 새로운 치료 방향을 설정했다. 

연구팀은 암 줄기세포가 보유한 대사 및 표현형의 유연성이 암 치료 저항성의 중요한 원인이라는 최근 연구들을 종합해 고찰하고, 이를 바탕으로 효과적인 치료 접근법의 방향을 잡았다. 특히, 단일세포 오믹스(omics·體學)와 공간 전사체 분석 등 최신 기술을 통해 알려진 암 줄기세포의 이질성과 대사 적응 메커니즘에 주목하며, 이를 활용한 이중 대사 억제 및 면역 기반 치료 전략의 가능성을 소개했다.

‘암 줄기세포’는 암세포 중에서도 치료에 강한 저항성을 보이며, 종양의 재발과 전이를 유도하는 핵심 집단으로 주목받고 있다. 

대사 가소성(plasticity) 덕분에 암 줄기세포는 당을 분해하는 작용과 산화적 인산화, 그리고 글루타민과 지방산 같은 대체 연료원 사이를 전환해 다양한 환경 조건에서 생존할 수 있다. 또한, 기질 세포, 면역 구성 요소, 혈관 내피 세포와의 상호작용은 대사 공생을 촉진해 암 줄기세포의 생존과 약물 내성을 더욱 촉진한다.

기존 치료법을 회피하고 대사 스트레스에 적응하며 종양 미세환경과 상호작용하는 이러한 특성은, 암 줄기세포를 혁신적인 치료 전략의 중요한 표적이 되게 한다. 하지만 이들의 특성을 정밀하게 파악하고 표적한 연구는 지금까지는 초기 단계에 머물러 있었다.

연구팀은 이번 리뷰에서 암 줄기세포(CSC)의 치료 저항성과 관련된 최신 연구 동향을 분석·정리하고, 3D 오가노이드 모델*, CRISPR-Cas9(유전자가위) 기반 기능 분석, AI(인공지능) 융합 분석 기법 등의 응용 사례를 종합해 향후 CSC 정밀 타깃 치료 개발의 전망을 조망했다.

* 3D 오가노이드 모델: 줄기세포나 조직세포를 3차원적으로 배양해 실제 인체 기관과 유사한 구조와 기능을 재현한 실험 모델.

【암 줄기세포(CSC)의 생존과 악성화를 돕는 주변 환경 요인 분석】

연구책임자인 윤부현 교수는 “암 줄기세포는 기존 치료로 제거되지 않고 남아있다가 암을 재발시키는 주범으로, 이들의 대사적 생존 전략을 정밀 타격하는 것이 궁극적인 치료 혁신의 핵심”이라며 “이번 연구는 다양한 암에 적용 가능한 맞춤형 치료의 단초를 제공한 의미 있는 성과”라고 말했다.

해당 연구 결과는 생화학·분자생물학 분야 세계 최고 권위의 학술지인 『Signal Transduction and Targeted Therapy』 8월 5일자에 게재됐다.

- 논문 제목: Cancer stem cells: landscape, challenges and emerging therapeutic innovations(암 줄기세포: 연구 현황, 도전 과제 및 신흥 치료 혁신)

- 논문 링크: https://www.nature.com/articles/s41392-025-02360-2 

이번 연구는 생명시스템학과 이학수 박사와 김병수 박사과정생, 박준형 박사과정생이 제1저자, 세종대 윤혜숙 교수가 공동저자로 참여했으며, 생명과학과 윤부현 교수가 교신저자로 연구를 이끌었다. 한국연구재단 및 미래지구연구소 지원으로 수행됐다.

* 상단 연구진 사진: 왼쪽부터 윤부현 교수, 이학수 박사, 김병수 박사과정생, 박준형 박사과정생.

[Abstract]

Cancer stem cells (CSCs) represent a highly plastic and therapy-resistant cell subpopulation within tumors that drive tumor initiation, progression, metastasis, and relapse. Their ability to evade conventional treatments, adapt to metabolic stress, and interact with the tumor microenvironment makes them a critical target for innovative therapeutic strategies. Recent advances in single-cell sequencing, spatial transcriptomics, and multi-omics integration have significantly improved our understanding of CSC heterogeneity and metabolic adaptability. Metabolic plasticity allows CSCs to switch between glycolysis, oxidative phosphorylation, and alternative fuel sources such as glutamine and fatty acids, enabling them to survive under diverse environmental conditions. Moreover, interactions with stromal cells, immune components, and vascular endothelial cells facilitate metabolic symbiosis, further promoting CSC survival and drug resistance. Despite substantial progress, major hurdles remain, including the lack of universally reliable CSC biomarkers and the challenge of targeting CSCs without affecting normal stem cells. The development of 3D organoid models, CRISPR-based functional screens, and AI-driven multi-omics analysis is paving the way for precision-targeted CSC therapies. Emerging strategies such as dual metabolic inhibition, synthetic biology-based interventions, and immune-based approaches hold promise for overcoming CSC-mediated therapy resistance. Moving forward, an integrative approach combining metabolic reprogramming, immunomodulation, and targeted inhibition of CSC vulnerabilities is essential for developing effective CSC-directed therapies. This review discusses the latest advancements in CSC biology, highlights key challenges, and explores future perspectives on translating these findings into clinical applications.

- First author: Haksoo Lee1,2, Byeongsoo Kim1, Junhyeong Park1

- Corresponding author: BuHyun Youn1,3,4
  1. Department of Integrated Biological Science, Pusan National University
  2. Institute for Future Earth, Pusan National University

  3. Department of Biological Sciences, Pusan National University

  4. Nuclear Science Research Institute, Pusan National University

- Title of original paper: Cancer stem cells: landscape, challenges and emerging therapeutic innovations

- Journal: Signal Transduction and Targeted Therapy

- Web link: https://www.nature.com/articles/s41392-025-02360-2  

- Contact e-mail: bhyoun72@pusan.ac.kr