1. 단백질의 MALDI 이미징

현재의 질량분석기(mass spectrometry)는 초기의 질량분석기보다 민감도(sensitivity)와 정확도(accuracy)가 매우 증가하였고, 단백질과 유전자의 데이터베이스가 급속하게 방대해지면서 단백질의 정성과 정량이 용이해지게 되었다. 특히, MALDI-TOF(matrix assisted laser desorption/ionization-time of flight) 질량분석기를 이용한 조직 구획의 이미징(imaging) 기술은 빠른 속도로 발전해 나가고 있다. 기존의 면역학적인 단백질 분석법에서는 단백질의 정성은 가능하지만 정성되었던 단백질이 어떤 위치에 존재하는지에 대한 정보를 얻을 수 없었던 것에 비해, MALDI imaging 기술은 단백질의 정성 뿐 아니라 위치와 정량적인 정보까지도 모두 동시에 얻을 수 있다는 장점이 있다. 얇은 조직 구획(tissue section)에서 직접적으로 단백질에 대한 자료를 수집하여 이미지로 나타낼 수 있다. 5~15 μm 정도의 조직구획에서 동시에 몇 백개 이상의 펩타이드와 단백질을 나타낼 수 있으며, 이들의 신호의 세기를 이용하여 각 물질들의 상대적인 양까지 얻어낼 수 있다. 이를 가리켜 IMS(imaging mass spectrometry)라고 부르기도 한다.

MALDI-TOF 질량분석기를 이용한 이미징의 전반적인 실험 방법은 다음과 같다. 먼저 분석하고자 하는 조직을 동물로부터 추출한 뒤 -80°C에서 보관한다. 이를 사용할 때에는 cryocut-microtome 장비를 사용하여 5~15 μm 정도의 두께로 절편화하여 전기전도성을 갖는 유리 슬라이드(e.g., ITO(indium-tin-oxide) slide)에 붙인 후 수분을 완전히 제거하여 건조시킨다. 그리고 이 조직 위에 시료를 이온화시키기 위한 matrix를 뿌려주는데, matrix는 실험의 목적과 보고자하는 물질에 따라서 다양한 종류를 선택할 수 있다. Matrix를 도포하는 방법은 프린터 방식으로 spotting하는 방법과 spray 형식으로 넓게 뿌려주는 방법으로 나눌 수 있다. Spotting 방법은 높은 재현성을 갖는 반면에 공간적인 해상도에 제한을 받으며, spray 방법은 재현성이 조금 떨어지지만 공간적인 제한이 없는 장점이 있다. Matrix 도포가 완료된 조직은 MALDI-TOF 질량분석기 안으로 들어가 실질적인 분석을 수행하게 되며 그에 따라서 매우 많은 수의 스펙트럼을 얻게 된다. 얻어진 스펙트럼은 각각의 m/z 값들에 대하여 상대적인 신호의 크기를 사용해 색으로 이를 표현하게 되고 이것이 바로 이미지가 된다(construction image 단계). 이들은 PCA(principle component analysis)와 같은 통계적인 분석을 통하여 조직에서 공간적/양적으로 차이가 나는 m/z 값을 찾아낼 수 있으며, 이렇게 유의한 차이를 갖는 단백질을 찾아 동정하고 병변의 진단에 특이적인 패턴을 찾아내게 된다.

[그림 1] MALDI 이미징의 전반적인 실험 과정

2. 인지질의 MALDI 이미징

지질(lipid)은 뇌 안에서 신경전달, 신호전달, 세포의 사멸, 단백질의 번역 후 변형(post-translational modification)등 여러 가지 역할을 수행하고 있다. 그중에서도 인지질(phospholipid)은 세포막을 구성하고 있는 주요 성분으로, 친수성(hydrophilic)의 head group과 소수성(hydrophobic)의 fatty acid tail group으로 구성되어 있다. Head group에 따라서 인지질의 종류가 달라지게 되는데, PS(phosphatidylserine), PC(phosphatidylcholine), PI(phosphatidylinositol), PE(phosphatidyl- ethanolamine), SM(sphingomyelin) 등으로 명명되며 알츠하이머 병(Alzheimer disease), 파킨슨 병(Parkinson disease) 등의 다양한 신경질환과도 관련되어 있다.

[그림 2] 인지질의 구조와 종류

앞서 언급했던 MALDI-TOF 질량분석기를 이용한 이미징 방법을 통해 우리 실험실에서는 다양한 질병의 동물 모델로부터 조직을 얻어 이미징 분석을 수행하였고, 위에 서술한 인지질 이외에도 대사물질(metabolite), 단백질과 같은 다른 물질들에 대하여 이미징 분석을 수행하였다. 이 외에도 더 다양한 조직과 물질들에 대해 이미징 분석을 진행하고 있으며, 향후 이들에 대한 데이터베이스 구축까지 기대되고 있다.

[그림 3] 여러 가지 이미징 분석 결과