1. Lipidomics와 지질 분석의 중요성

최근 생명과학은 다양한 omics 데이터 분석을 통해 생물학적 기능을 유추하는 패러다임으로 전환되고 있다. 특히, 유전자나 분자 또는 세포 수준에서의 수많은 변인들의 연결고리를 규명함으로써 생명현상에 대한 근원적인 이해를 목표로 하는 시스템생물학(systems biology)의 질병연구에 대한 응용에 관심이 높아지고 있다. "Omics"는 유전자나 단백질의 변화를 연구하는 유전체학(genomics), 전사체학(transcriptomics), 단백질체학(proteomics)와 대사체(metabolite)를 분자수준에서 분석하는 대사체학(metabolomics)을 포함하는 단어이다. 이중 대사체는 그 종류가 매우 다양하며, 크게 친수성(hydrophilic) 대사체와 소수성(hydrophobic) 대사체로 나눌 수 있으며, 특히 소수성인 지질대사체 분석을 목표로 한 omics 연구를 lipidomics로 구분지어서 명명하고 있다. 다시 말해, lipidomics는 세포 또는 조직 내의 지질대사체의 종류와 분포의 변화 등을 확인 및 정량하고 그 결과를 다양한 생리, 병리적 상태와 연관지어 해석하는 총체적인 연구를 의미한다.

[그림 1] Omics 연구와 Lipidomics

지질대사체는 생체 내에서 다양한 역할을 수행하고 있는데, 지질은 세포막의 구성 성분이며 단백질 결합 및 기능을 위한 최적의 생리적 환경을 제공한다. 또한, 지질(lipid)은 중요한 에너지 저장소이며 세포의 신호전달에 관련한 많은 메신저 분자의 전구체이기도 하다. 이렇게 여러 가지 중요한 기능을 지닌 지질대사체는 세포 또는 조직 내에서 다양한 질병과 관련해 큰 변화를 보이는 것으로 보고된 바 있다. 특히, 다양한 지질대사(lipid metabolism)와 연관된 간 조직, 지방세포 및 신경계 조직에 속한 질병을 연구하기 위해 지질대사체의 분석이 큰 관심을 받고 있다. 예를 들어, 비만과 당뇨, 인슐린 저항성, 심혈관계질환, 암, 동맥경화증(atherosclerosis) 등의 질환은 간 조직, 지방세포, 혈액 등에서 정상과는 다른 지질대사체의 종류 및 분포를 나태나고 있는 것으로 보고 되고 있다. 또한, 조울증(bipolar disorder), 정신분열증(schizophrenia) 등의 신경계질환(neurological disease)과 알츠하이머 병(Alzheimer disease), 파킨슨 병(Parkinson disease)과 같은 신경퇴화성 질환(neurodegenerative disease)은 뇌와 신경조직 내에서 정상과는 다른 지질대사를 보이고 있다. 따라서, 이러한 여러 질병들의 진행과 정상군과는 다른 지질대사의 상관관계를 규명하고, 목표로 하는 질병을 초기에 발견할 수 있는 진단 바이오마커(biomarker)를 개발하기 위한 lipidomics의 중요성이 최근에 크게 부각되고 있다.

[그림 2] 지질대사 (Lipid Metabolism)

2. 지질 분석방법

생체 내의 다양한 지질 프로파일링에는 지질대사체를 총체적으로 분석하는 global lipid profiling과 특정 지질만을 선택적으로 분석하는 targeted lipid profiling이 있다. Lipidomics 연구는 크게 시료의 준비, 지질의 분석, 데이터 분석의 세 단계로 나눌 수 있다. 다양한 지질을 효과적으로 얻을 수 있는 최적화된 지질 추출법(lipid extraction)을 사용해 시료를 준비한 뒤, LC(liquid chromatography) 또는 SFC(supercritical fluid chromatography), 그리고 ESI-MS(electrospray ionization mass spectrometry) 등을 이용하여 지질분석을 수행하게 된다. LC와 SFC는 생체 시료로부터 얻은 지질혼합물에서 다양한 지질을 분자 단위로 분리하여 보다 더 효과적인 분석이 가능하도록 도와주며, ESI는 질량분석기(mass spectrometry)의 여러 가지 이온화 방법 중에서 가장 효과적인 방법 중의 하나로, 분자의 원형을 유지하며 이온화를 시켜서 지질의 구조를 파악하기 용이하다. 질량분석기는 고감도, 고분해능을 지닌 검출기로써 생체 시료 내에 존재하는 미량의 지질까지 분석 가능하기 때문에 지질의 정성 및 정량분석에 유용하게 사용되고 있다. 질량분석기로 지질을 분석할 때는 주로 tandem MS (MS/MS) 방법을 사용하는데, 이는 첫 번째 scan에서 어미이온(precursor ion)을 검출하고, CID(collision induced dissociation)와 같은 fragmentation을 통해 두 번째 scan에서 특정 어미이온의 딸이온(product ion or fragment ion)을 검출하여 지질의 구조를 파악하는데 매우 효과적인 방법이다. 이렇게 다양한 실험군으로 부터 얻어진 데이터는 지질대사체를 동정하고 정량분석하여 특정한 생명현상과 관련된 지질대사체의 변화를 확인하고 그 원인을 밝히기 위한 다음 연구로 진행하게 된다.

[그림 3] 질량분석기를 이용한 분석 방법

위에서 설명한 바와 같이, lipidomics는 질병연구와 관련해 효과적으로 디자인 된 시료의 확보, 고효율의 지질추출법, 다양한 지질대사체의 효과적인 분리를 위한 chromatography, 고감도/고분해능의 질량분석기, 그리고 많은 양의 데이터를 빠르고 효과적으로 분석하기 위한 database와 적절한 software까지 많은 것들을 잘 조합사여 수행할 때 최고의 결과를 얻을 수 있게 된다. 따라서 lipidomics 분석기법의 개발에는 아직도 해결되어야 할 많은 과제들이 남아있으며, 생체 내의 많은 지질대사체의 역할과 이들을 이용한 바이오마커로서의 응용에 대한 연구가 지속적으로 필요하다고 볼 수 있다.