생명현상은 가장 신비롭고도 오묘한 과학입니다. 우리 사회가 빠른 속도로 발달하면서 전례 없던 질병이 생겨나고, 진단과 치료를 위한 새로운 기술은 끊임없이 요구되고 있습니다. 질병을 바로 이해하기 위해서는 생명체의 기본 단위인 세포에 대한 이해가 우선되어야 하며, 세포를 다각도로 바라보는 것이 필요합니다.
우리 몸의 세포는 생화학적 자극뿐만 아니라 다양한 물리적 자극에 항상 노출되어 있으며, 이러한 자극에 반응하여 형태, 이동 특성, 분화, 사멸 등의 생리적 기능을 조절합니다. 따라서 물리적 자극을 모사하고 분석할 수 있는 기계공학적 접근으로 세포를 이해하는 것이 필수적입니다. 이에 따라 기존의 생화학적 관점의 접근에 더해 역학적 관점으로 질병을 바라보고 다양한 분석이 가능한 적절한 질병 모델의 구축이 필요합니다.
이러한 배경에서 시작된 Mechanobiology, Cell Mechanics 등의 분야는 전 세계적으로 각광받고 있으며, 다양한 연구 주제들이 파생되고 있습니다. 특히, 현재 의·약 산업 내 문제로 남아 있는 동물 모델 기반 연구 패러다임을 대체하여 좀 더 실질적으로 인간의 질병 정복에 활용 가능한 차세대 헬스케어 산업의 기반 기술로 활용될 수 있기 때문에 그 미래 가치 또한 매우 높습니다.
우리 연구실은 신체 내 존재하는 다양한 물리적 자극을 모사하여 세포를 배양하고 반응을 실시간으로 관찰할 수 있는 맞춤형 실험 플랫폼과 세포 기반의 질병 모델을 개발하여, 다양한 생리학적 혹은 병리학적 현상을 역학적 관점으로 바라보고 이해하는 연구를 진행하고 있습니다. 또한, 기계 및 물리적 자극과 세포의 상호작용을 이해하기 위해, 생체 반응을 가장 잘 모사할 수 있는 최적의 2차원, 3차원 체외 질병 모델을 구축하고 세포역학 기반의 분석을 수행합니다.
- 세포 배양 시스템 설계: 생체 내 존재하는 전단응력(Shear stress), 인장력(Tension), 전기자극(Electrical stimulation) 등을 구현하는 다양한 세포 배양 시스템을 설계하고, 유한요소법(FEM) 기반 시뮬레이션을 통해 검증하여 최적의 플랫폼을 개발합니다.
- 질병 모사 및 역학적 분석: 질병 모사 환경 및 물리적 자극에 대한 세포 거동 변화를 유동 패턴 분석과 유한요소 기반의 응력 분석 등 역학적 관점에서 해석합니다. 이를 통해 암 전이, 뇌 질환 등 주요 질병 모델에 대한 병리학적 메커니즘을 밝히고, 새로운 진단 및 치료 방법을 제안합니다.
- 고차원 빅 데이터 분석: 세포의 기능 분석을 위하여 물리적 특성인 형태, 운동성, 힘 등을 기반으로 고차원 빅 데이터 분석을 위한 AI 기반 플랫폼을 개발합니다. 이를 통해 줄기세포, 암세포 및 종양 주변 조직 세포 등의 이질성 분석에 활용하고 있습니다.
이러한 연구를 통해 우리는 질병의 본질을 더욱 깊이 이해하고, 효과적인 진단 및 치료 전략을 개발하여 의학 발전에 기여하고자 합니다.
Cells are continuously subjected to physical stimuli, leading to changes in functions such as shape, movement, and survival. Our mission is to elucidate the physical principles governing these cellular dynamics through quantitative experiments and analyses within controlled environments. At the core of our work is the interdisciplinary realm of mechanobiology, where we aim to uncover the connection between mechanical stressors—such as tension, shear, electrical fields, or structural topography—and subsequent cellular responses.
Our research endeavors to:
- Delineate the influence of physical forces on cell physiology within cell mechanics.
- Explore how cells interpret and convert mechanical signals into critical physiological events in cellular mechanobiology.
- Harness AI-based analytics to classify cells, advancing diagnostics and therapeutic strategies.
To support these endeavors, we engineer various experimental platforms designed to assess mechano-responses at the cellular scale. We develop 3D spheroid disease models that more closely replicate in vivo tissue properties than traditional 2D cultures, providing a more faithful representation for our investigations. We gain profound insights into cellular functions through gene and protein assays, complemented by mechanical stress evaluations via traction force and monolayer stress microscopy.
This integrative mechanical framework, paired with high-capacity imaging, sharpens our understanding of cellular distinctions, enhancing our predictive power over disease progression and therapeutic efficacy. Ultimately, our work contributes to advancements in medical science.