MRI 센서, 종양 압력의 급격한 상승이 암 전이 촉진 특성과 연관돼 있음을 밝혀

최고 압력보다 압력 상승 속도가 더 중요할 수 있다

새로운 MRI 센서를 통해 연구진은 성장 중인 종양 내부의 국소 기계적 응력을 추적했다. 그 결과 단순히 압력이 높은 것보다 갑작스러운 압력 상승이 암세포를 더 잘 이동하고 침습하는 상태로 만들 수 있는 것으로 나타났다. 연구진은 생쥐 종양에서 17일간 0.5~12.4킬로파스칼 범위의 응력을 추적해 같은 종양 내 위치별 차이를 포착했다.

연구는 한국 연세대 언더우드 특훈교수이자 기초과학연구원(IBS) 나노의학연구단장인 천진우 교수와 미국 캘리포니아대 샌프란시스코 캠퍼스 교수인 준영욱 교수가 이끌었다. 이들이 개발한 mechanoMR 미세입자 센서는 M3 또는 M-cube라고 불리며, 작은 젤 입자가 압축될 때 발생하는 변화를 측정 가능한 MRI 신호로 바꾼다.

핵심 발견은 변화의 속도와 관련이 있다. 응력이 점진적으로 증가하면 세포가 보호 반응을 활성화할 수 있었다. 반면 급격한 증가는 산화 스트레스 및 상피-중간엽 전이(EMT)와 관련이 있었다. EMT는 세포 간 연결이 느슨해지고 암의 확산을 뒷받침할 수 있는 특성을 갖게 되는 과정이다.

이 기술은 환자의 전이를 예측하는 검증된 검사가 아니다. 이번 실험은 실험실 모델과 동물에서 기계적 응력의 변화와 세포 행동 사이의 연관성을 확인했다. 압력 측정값으로 한 사람의 암이 다른 장기로 전이될지 판별할 수 있다는 점을 입증한 것은 아니다.

논문 발표 기록이 보여주는 것

자세한 학술 연구 내용은 연구 프리프린트에 담겼다. 제목은 MechanoMR microparticle (M3) sensors reveal dynamic stress loading as a driver of epithelial-mesenchymal transition이다. 2025년 12월 13일 게시된 이 문서 페이지에는 아직 학술지 심사를 받지 않았다고 명시돼 있다.

이후 보도에 따르면 이 연구는 2026년 9월 28일 네이처 나노테크놀로지에 게재됐으며, IBS는 10월 12일 연구 결과를 발표했다. 이는 논문 발표 과정의 서로 다른 단계다. 동료심사를 받지 않았다는 안내는 링크된 프리프린트 버전에 해당하며, 후속 보도에서 설명한 학술지 게재와 혼동해서는 안 된다.

발표 일정은 다음과 같다.

• 2025년 12월 13일: bioRxiv에 프리프린트 1판 게시
• 2026년 9월 28일: 네이처 나노테크놀로지에 연구 게재 보도
• 2026년 10월 12일: IBS 연구 결과 발표

프리프린트에는 민지 안(Minji An)이 제1저자로 기재돼 있다. 후속 자료에서는 IBS 나노의학연구단 박사후연구원인 민지 안(Minji Ahn)이 제1저자로 소개됐으며, 영문 표기가 다르다. 아래 수치 정보는 프리프린트에 기록된 내용이고, 후속 자료는 논문 발표를 다루면서 이 연구를 임상적 전이 검사로 해석해서는 안 된다고 강조한다.

작은 젤 입자가 압력 센서가 되는 원리

M3 센서는 폭 약 70마이크로미터의 알긴산 하이드로젤 입자로 이뤄지며, 내부에는 지름 13나노미터의 자성 나노입자가 들어 있다. 알긴산은 해조류에서 얻는 물질로 부드러운 젤을 형성할 수 있다. 입자에 포함된 물질은 아연이 도핑된 페라이트로, 주변 물이 MRI 신호를 내는 방식에 영향을 주는 자성 물질이다.

주변 조직이 젤을 압박하면 입자가 변형되면서 일부 물을 내보낸다. 이에 따라 자성 입자 주변 물의 움직임과 입자 사이의 간격이 모두 달라진다. 이런 변화가 합쳐져 자기 이완 신호가 바뀌며, 연구진은 이를 이미 알려진 응력값과 대조해 보정한다.

입자 크기와 영상 해상도를 구분하는 것이 중요하다. 센서의 폭은 약 70마이크로미터지만, MRI로 확인한 개별 입자의 해상도는 약 300마이크로미터, 즉 0.3밀리미터였다. 이는 1밀리미터 미만의 해상도라는 설명을 뒷받침하지만, 스캔으로 개별 암세포까지 구분할 수 있다는 뜻은 아니다.

이 장치는 센서 주변 조직 내부의 국소 고체 응력을 측정한다. 개별 암세포 안의 압력이나 유체의 압력만을 직접 측정하는 것은 아니다. 조직이 성장하거나 재편되는 동안 세포 주변의 기계적 환경이 어떻게 변하는지 보여주는 것이 목적이다.

종양을 추적하기 전 신호 검증

연구진은 먼저 조직이 힘을 전달하는 방식을 모방하는 아가로스 젤 안에 센서를 넣고 제어된 압력을 가했다. 이어 MRI 측정값을 입자 변형에 대한 직접 광학 측정값과 비교했다. 이를 통해 자기 신호가 무관한 변화가 아니라 실제 압축을 반영하는지 확인했다.

보정 실험은 0~15킬로파스칼(kPa) 범위에서 이뤄졌고, 후속 설명에서는 종양 압력 측정 범위를 1~15kPa로 요약했다. 이는 서로 다른 시험 내용을 설명한 수치이지 반드시 서로 상충하는 측정값은 아니다. 킬로파스칼은 응력이나 압력을 나타내는 단위로, 일정 면적에 가해지는 힘을 표현한다.

압축이 커질수록 센서 신호는 재현성 있게 변했다. 반면 다른 고분자로 만든 훨씬 단단한 입자는 동일한 응력 범위에서 감지 가능한 신호 변화를 보이지 않았다. 이 대조 실험은 부드러운 젤의 변형이 측정 원리에 필수라는 설명을 뒷받침한다.

신호는 산성도, 주변 물질, 물질의 강성이 달라져도 안정적으로 유지됐으며 최대 4주간 측정이 가능했다. 한 번의 스캔으로는 응력이 얼마나 빠르게 쌓였는지 알 수 없기 때문에 이러한 지속성은 중요하다. 천천히 상승했는지 갑자기 치솟았는지 구분하려면 반복 측정이 필요하다.

성장하는 암 모델에서 응력 추적

연구진은 종양의 물리적 환경 일부를 재현하는 세포 집합체인 3차원 종양 스페로이드에서 M3를 시험했다. 모델에는 대장암 세포 HCT116, 폐암 세포 A549, 유방암 세포 MDA-MB-231이 사용됐다. 성장 과정에서 국소 압축을 추적할 수 있도록 센서를 세포 집합체에 넣었다.

세 가지 암 모델 모두 응력이 쌓였지만, 축적 속도는 달랐다. 연구진은 이를 세포의 강성과 각 집합체가 주변 기질 안에서 성장하는 방식의 차이와 일치하는 결과로 해석했다. 이 결과는 하나의 압력 변화 양상으로 모든 종양 유형을 설명할 수 없는 이유를 보여준다.

생쥐 실험에서는 센서를 HCT116 세포와 섞어 피부 아래에 주입해 이종이식 종양, 즉 이식한 세포에서 자라는 종양을 만들었다. 이후 개별 센서 위치를 17일간 추적했다. 국소 응력은 0.5~12.4kPa였으며, 위치에 따라 축적 속도가 달랐다.

응력 지도에서는 각 종양 전체에 압력이 균일하게 분포하지 않았다. 한 사례에서는 응력이 비교적 넓게 흩어져 있었고, 다른 사례에서는 응력이 뚜렷한 두 영역으로 나뉘었다. 이를 하나의 수치로 평균 내면 특정 부위의 세포가 겪는 환경에 관한 정보가 사라진다.

점진적 부하와 급격한 부하가 다른 이유

프리프린트는 실험에서 EMT 유도의 주요 요인이 누적 응력이나 최고 응력이 아니라 응력의 급격한 상승이라고 밝혔다. 이는 특정 시점의 종양 압축 정도에서 종양의 기계적 환경이 시간에 따라 어떻게 변하는지로 초점을 옮긴다.

응력이 점진적으로 증가했을 때 유전자 활동 분석에서는 FOXO와 AMPK를 비롯한 보호성 항산화 경로가 활성화됐다. 이 경로는 세포가 스트레스를 관리하고 기존 상태를 유지하도록 돕는다. 연구진은 이를 상피 조직 특유의 세포 간 연결 구조를 유지하는 상피 안정성을 뒷받침하는 반응으로 설명했다.

응력이 빠르게 증가하면 산화 스트레스가 더 강하게 나타났다. 산화 스트레스는 반응성 분자가 세포 방어 체계의 통제 능력을 넘어 축적될 때 발생한다. 후속 연구 설명에서는 물리적 신호를 세포 행동의 변화로 전달하는 단백질 YAP/TAZ와 관련된 유전자 활동도 증가했다고 밝혔다.

이런 조건에서는 EMT가 촉진됐다. EMT를 겪는 세포는 서로 연결된 상태가 느슨해지고 이동성과 침습성이 커진다. 이런 특성은 암세포가 원래 조직을 벗어나는 데 도움이 될 수 있지만, 다른 부위에서 생존하고 성장해야 하는 전이가 성공적으로 일어났다는 증거와는 다르다.

EMT가 나타난 부위의 응력이 더 낮았던 이유

눈에 띄는 연구 결과 중 하나는 압력 상승이 침습적 행동을 촉진한다는 생각과 얼핏 상반돼 보인다. EMT가 나타난 부위의 국소 응력은 같은 표지가 나타나지 않은 부위보다 낮았다. 연구진은 기계적 응력의 급격한 상승이 전이를 시작하고, 그 뒤 압축이 풀릴 수 있다고 설명한다.

생쥐 종양에서 중간엽 상태를 식별하는 표지인 비멘틴을 발현하는 부위의 센서 측정값은 3.5 ± 2.8kPa였다. 비멘틴 음성 부위의 측정값은 7.4 ± 2.8kPa였다. 보고된 평균을 비교하면 비멘틴 발현 부위의 응력은 약 53% 낮았다. 다만 편차가 상당히 커 평균값만으로 진단 기준을 정할 수는 없다.

관련 스페로이드 실험에서도 비슷한 순서가 관찰됐다. 연구진은 5-아자시티딘으로 EMT를 유도한 뒤 센서 신호를 관찰했다. 초기에는 미처리 대조군과 같은 방식으로 응력이 축적됐지만, 약 5일째부터 신호가 역전돼 9일째까지 EMT 표지가 나타나는 동안 압축이 풀렸음을 보여줬다.

저자들은 이를 세포가 재배열되고 기존에 축적된 응력이 풀릴 수 있도록 조직이 유체와 비슷한 거동을 하는 상태로 바뀌는 것으로 해석했다. 이 결과는 한 시점의 측정값이 낮더라도 해당 부위에서 유해한 응력 급증이 없었다고 단정할 수 없는 이유를 설명한다. 현재 수치보다 이전의 변화 양상이 더 많은 정보를 줄 수 있다.

아직 입증되지 않은 내용

현재 가장 확실히 뒷받침되는 결론은 시험한 모델에서 응력의 변화 양상이 세포 상태에 영향을 줄 수 있다는 것이다. 이번 연구는 환자의 전이를 예측하는 압력 기준값이나 검증된 선별 검사, M3 측정값을 바탕으로 치료를 결정해야 한다는 근거를 제시하지 않았다.

사람의 종양 조직에서 검증하는 과정이 아직 필요하다. 실험실 스페로이드와 생쥐 이종이식 모델에서는 기계적 조건을 통제하고 관찰할 수 있지만, 사람의 다양한 암에서도 같은 관계가 얼마나 일관되게 나타나는지는 입증하지 못한다.

MRI 관찰과 센서 삽입의 실질적 차이도 있다. MRI는 조직을 반복해서 절개하지 않고 입자를 읽을 수 있지만, 먼저 입자를 주입해야 한다. 생쥐 종양 실험에서는 종양이 자라기 전에 암세포와 센서를 섞었다. 이 방식은 이미 형성된 사람의 종양에 센서를 일상적으로 삽입하고 추적할 수 있음을 입증하지 않는다.

논문 발표 자료와 상세 프리프린트 모두 사람 대상 임상시험 일정, 규제기관 제출 시점 또는 임상 도입 기한을 제시하지 않았다. 다음 과제는 측정된 응력 변화 이력과 이에 따른 세포 반응이 사람의 조직에서도 확인되는지, 기존 평가법을 넘어 유용한 정보를 제공할 수 있는지 시험하는 것이다.

암 전이를 넘어선 연구 근거

연구에는 과도한 조직 흉터 형성이 일어나는 섬유화 관련 실험도 포함됐다. 폐섬유화 모델로 사용되는 MRC5 세포로 만든 스페로이드는 단순히 커지는 대신 수축했다. 센서에서는 압축이 더 가파르게 축적되는 것으로 나타났으며, 이는 주변 기질의 능동적 재편과 일치한다.

이 모델에 닌테다닙을 투여하자 응력 축적이 느려졌다. 이 실험은 M3를 이용해 세포 수축과 기질 재편이 국소적인 힘을 어떻게 바꾸는지 연구할 수 있음을 뒷받침한다. 그러나 센서의 새로운 임상적 용도를 입증하거나 환자에서 치료 효과를 보인 것은 아니다.

연구진은 제노푸스 라에비스 올챙이의 뇌 발달 과정에서도 이 플랫폼을 시험했다. 올챙이의 투명한 몸은 급격한 조직 변화 중 입자 변형을 직접 관찰하고 MRI 측정값과 비교할 수 있게 했다. 이를 통해 대대적인 재편이 일어나는 생체 조직에서도 센서가 작동할 수 있는지 추가로 확인했다.

IBS 나노의학연구단장 천진우 교수는 종양 실험의 성과를 다음과 같이 설명했다.

이번 연구는 MRI를 이용해 살아 있는 종양 내부의 '보이지 않는 힘'을 추적하고, 암세포에 작용하는 압력 응력의 변화가 암세포의 전이 성향과 밀접하게 연관돼 있음을 입증했다

천 교수는 조직 재생, 염증, 섬유화도 향후 활용 가능한 분야로 꼽았다. 이번 연구는 이를 위한 구체적인 출발점을 제시한다. 종양의 최고 압력만으로 전체를 판단하는 대신 국소 기계적 응력을 반복 측정하고, 그 변화 이력을 세포 행동의 변화와 연결하는 방법이다.

핵심 내용

• M3는 부드러운 알긴산 입자와 자성 나노입자를 결합해 국소 조직 압축을 MRI 신호로 변환한다.
• 개별 센서의 해상도는 약 0.3밀리미터였으며, 보정 범위는 0~15kPa였다.
• 생쥐 종양에서 17일간 측정한 응력은 0.5~12.4kPa였다.
• 응력이 급격히 상승하면 산화 스트레스와 EMT가 촉진됐고, 점진적으로 상승하면 보호성 항산화 경로가 활성화됐다.
• EMT가 나타난 부위의 평균 응력은 더 낮았으며, 이는 세포 상태가 변한 뒤 압축이 풀렸다는 설명과 일치한다.
• 링크된 2025년 12월 문서는 프리프린트이며, 후속 보도는 2026년 9월 28일 학술지 게재를 전했다.
• 이 센서는 연구 도구이며 환자의 암 전이를 예측하는 검증된 검사가 아니다.