Spatial Metabolomics & LC-MS/MS Imaging을 활용한 종양 미세환경 분석

MALDI-MSI 기반 조직 내 국소적 대사체 분포 분석과 항암제 침투(local penetration) 평가

Spatial Metabolomics & LC-MS/MS Imaging을 활용한 종양 미세환경 분석

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1. 서론: 종양 미세환경과 공간적 대사체 분석의 필요성

종양(tumor)은 단순히 암세포 덩어리가 아니라, 혈관, 면역세포, 섬유모세포, 세포외기질(ECM) 등이 얽혀 있는 복잡한 미세환경(tumor microenvironment, TME) 속에서 성장한다. 최근 항암제 개발 및 반응성 평가에서 "평균적인 세포 대사 패턴"만을 보는 기존 접근법의 한계가 지적되고 있으며, 세포군 또는 조직 내 공간적 이질성(spatial heterogeneity) 을 이해하는 것이 치료 전략 최적화에 필수적임이 강조되고 있다.

이러한 배경에서 Spatial Metabolomics 는 LC-MS/MS 및 mass spectrometry imaging (MSI) 기술을 통해 조직 내 특정 위치에서의 대사체 분포를 시각화하고 정량화할 수 있는 강력한 도구로 부상하고 있다. 특히 MALDI-MSI (Matrix-Assisted Laser Desorption/Ionization Mass Spectrometry Imaging) 은 수십 마이크론 단위의 분해능으로 조직 절편 내 대사체, 지질, 약물 및 대사산물의 분포를 공간적으로 보여줄 수 있어, 항암제 침투(local penetration)와 미세환경 기반 대사 리프로그래밍(metabolic reprogramming)을 동시에 평가할 수 있다.

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2. MALDI-MSI의 원리와 LC-MS/MS와의 융합

MALDI-MSI는 조직 절편에 매트릭스를 도포한 후 레이저를 조사하여 이온을 형성하고, 이를 질량분석기로 측정하여 화학적 분포 지도를 생성한다.

• 장점
  • 조직 절편의 공간적 맥락을 유지하면서 분자 수준의 대사체 및 약물 신호를 탐지 가능
  • 고해상도 이미징(10–50 μm 수준)을 통해 세포군별 이질성 평가 가능
  • H&E 염색과의 병합으로 병리학적 정보와 대사체 신호를 통합 분석
• LC-MS/MS와의 결합 전략
  • MALDI-MSI는 높은 공간 해상도를 제공하지만, 정량적 정확도는 낮을 수 있음 → 따라서 LC-MS/MS 기반 targeted metabolomics 와 결합하여 정량-공간 통합 분석(quantitative-spatial analysis) 전략을 구축
  • 예: 조직 내 특정 ROI(region of interest)에서 추출한 대사체를 LC-MS/MS로 absolute quantification → MALDI-MSI와 상호 보정

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3. 종양 미세환경 내 대사체 이질성 분석 전략

Spatial metabolomics를 활용하면 종양 미세환경의 영역별 대사 특성을 정밀하게 분석할 수 있다.

1. 저산소 영역(Hypoxic region)
   • Warburg effect가 극대화되어 lactate 축적, glycolysis 대사체 증가
   • MALDI-MSI를 통해 lactate gradient를 시각화하고, 종양 중심부에서의 약물 저침투와 연계 가능
2. 혈관 주위(perivascular niche)
   • 혈관 주위는 산소와 영양분이 풍부하여 TCA cycle 활성이 높음
   • 항암제 분포도 혈관 인접 영역에 국한되는 경우가 많음
3. 면역세포 침윤 영역
   • T 세포, 대식세포 등의 면역세포가 분포하는 구역은 arginine, tryptophan, kynurenine 등 면역 관련 대사체가 높게 검출됨
   • MSI 기반의 대사체 맵을 통해 면역 억제성 대사 신호(예: IDO 경로 활성)를 공간적으로 추적 가능

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4. 항암제 침투(Local Penetration) 평가

항암제 치료 실패의 주요 원인 중 하나는 종양 내 불균일한 약물 분포이다. 예를 들어, 항체-약물 접합체(ADC)나 지용성 저분자 약물은 종양 심부로의 침투가 제한될 수 있다.

• MALDI-MSI 기반 항암제 분포 분석
  • 종양 절편 내 항암제 및 그 대사산물의 분포를 직접 시각화
  • H&E 병리 이미지와 overlay하여, 종양 중심부 vs 변연부의 약물 농도 차이 분석
  • 동반대사체(lactate, glutamine 등)와의 공간 상관관계 탐색
• 사례
  • 파클리탁셀(Paclitaxel): 고형암 내 중심부로의 침투가 제한적 → MALDI-MSI로 침투 gradient 관찰
  • 항체-약물 접합체(ADC): tumor spheroid 모델에서 항체 자체는 잘 침투하나, payload 방출 위치가 제한적임을 확인

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5. 국내외 연구 및 적용 사례

• 국내: 한국파스퇴르연구소, 한국생명공학연구원 등에서 MALDI-MSI를 활용한 항암제 분포 연구 수행 → 특히 소분자 항암제와 면역항암제 병용 시 대사체 분포 연구 활발
• 국외:
  • 미국 MD Anderson Cancer Center: MSI 기반 항암제-대사체 공동 분석으로 저산소 구역의 약물 저침투 규명
  • 유럽 ETH Zurich: spatial metabolomics를 통해 종양 대사 구역별 차이를 mapping하고 drug repositioning 연구에 활용

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6. 향후 전망: Precision Oncology와 Spatial Metabolomics

1. Drug Development 단계
   • 신약 후보 물질의 tissue penetration profile을 early stage에서 평가 가능
   • 약물의 실패 원인을 pharmacokinetics vs tumor penetration으로 구분 가능
2. 임상 적용
   • 환자 조직 biopsy를 기반으로 spatial metabolomics 적용 → 환자 맞춤형 치료 전략 수립
   • responder vs non-responder 환자군의 약물 분포 및 대사체 맵 비교
3. 기술적 과제
   • 조직 처리 과정에서의 대사체 손실 최소화 필요
   • high-resolution MSI와 LC-MS/MS absolute quantification을 결합한 하이브리드 분석법 표준화 요구
   • 대규모 데이터 해석을 위한 AI 기반 spatial omics 분석 플랫폼 필요

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7. 결론

Spatial metabolomics와 LC-MS/MS imaging은 종양 미세환경에서의 대사적 이질성과 항암제 침투 패턴을 동시에 규명할 수 있는 차세대 플랫폼이다. 특히 MALDI-MSI는 조직 수준의 국소적 대사체 및 약물 분포를 시각화함으로써, 항암제 효율성 평가, 내성 메커니즘 이해, combination therapy 설계에 필수적인 정보를 제공한다. 향후 이 기술은 PK/PD 연구, 환자 맞춤형 precision oncology, drug repositioning 연구에 걸쳐 폭넓게 활용될 것으로 기대된다.