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Patch clamp – 이온통로의 생물리적 특성 연구

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Patch clamp - 이온통로의 생물리적 특성 연구 기법

  • 팻취 클램프(patch clamp) 기법은 1976년 Erwin Neher와 Bert Sakmann에 의해 개발된 전기생리학적 기법으로, 1991년 이 업적으로 노벨 생리의학상을 수상하였습니다. 이 기술은 세포막에 존재하는 단일 이온 통로의 전류를 직접 측정할 수 있는 최초의 방법으로, 이후 세포 생리학, 신경과학, 심장생리학 등 다양한 분야에서 핵심적인 연구 도구로 자리잡았습니다. 
  • 팻취 클램프는 유리 마이크로파이펫을 세포막에 밀착시켜 미세전극을 세포 안과 전기적으로 연결한 뒤, 세포 안팎의 전류를 정밀하게 측정합니다. 이 기법은 전류의 미세한 변화를 실시간으로 기록할 수 있어, 이온 통로의 개폐 상태, 전압 의존성, 약물 반응성 등을 정량적으로 분석하는 데 탁월한 장점을 지닙니다.
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  • 팻취 클램프는 적용 방식에 따라 여러 가지 모드로 나뉘며, 각각의 모드는 연구 목적에 따라 선택됩니다. Cell-attached 모드는 세포막을 그대로 유지한 채 세포 외부에서 전류를 측정할 수 있어, 단일 이온 채널의 개폐 양상을 생리적 조건에서 관찰할 수 있는 장점이 있습니다. 반면, whole-cell 모드는 마이크로파이펫을 통해 세포막을 국소적으로 파괴한 뒤 세포 내 전체 전류를 측정하는 방식으로, 세포 전반의 이온 흐름을 분석할 때 유용합니다. 이 외에도 inside-out 모드는 세포막 조각의 세포질 면이 외부로 노출된 상태로 실험할 수 있어 세포 내 조절 인자의 영향을 정밀하게 분석할 수 있으며, outside-out 모드는 반대로 세포막의 외부가 노출된 상태로 외부 리간드나 약물의 작용을 분석하는 데 적합합니다. 심혈관 이온통로 연구실은 세가지 팻취 클램프 모드를 이용하여, 다양한 이온통로의 생물리적 특성연구를 수행하고 있습니다.

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대표 연구 주제 - TREK-2 (K2P 이온통로)의 조절 매커니즘 규명

  • K2P (two-pore domain potassium)인 TREK-2(K₂P2.1 또는 KCNK10)는 세포의 휴지막 전위 (resting membrane potential) 유지와 신경 세포의 흥분성 조절에 중요한 역할을 합니다. 심혈관 이온통로 연구실은 TREK-2 이온통로의 생물리적 특성과 조절 기전에 대한 연구를 수행합니다.

    TREK-2 채널은 막 인지질인 PIP₂(phosphatidylinositol 4,5-bisphosphate)에 의해 조절됩니다. 심혈관 이온통로 연구팀은 TREK-2의 근위 C-말단(proximal C-terminus)에 위치한 세 개의 아르기닌 잔기(Arg355, Arg357, Arg364)가 PIP₂에 의한 이온 통로의 이중 단계 조절에 필수적임을 밝혔습니다. 이 연구는 전세포 패치 클램프(whole-cell patch clamp) 기법을 활용하여, PIP₂가 TREK-2 채널의 활성화와 억제를 모두 유도할 수 있음을 보여주었습니다. 특히, 이 아르기닌 잔기들이 PIP₂와의 상호작용을 통해 채널의 개폐 상태를 조절한다는 것을 규명하였습니다.​

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대표 연구 주제 - hERG 이온통로 연구

  • hERG (human Ether-à-go-go-Related Gene) 채널은 심장 세포의 활동 전위 재분극(repolarization)에 핵심적인 역할을 하는 칼륨 이온 통로입니다. hERG 채널의 기능 이상은 심장 부정맥과 같은 심각한 심혈관계 질환을 유발할 수 있습니다. 김 교수님 연구팀은 hERG 채널의 기능 조절에 대한 연구를 통해 다음과 같은 발견을 하였습니다.

    4-HNE에 의한 hERG 채널 억제 메커니즘
    4-HNE(4-hydroxynonenal)는 지질 과산화(lipid peroxidation)의 산물로, 산화 스트레스 조건에서 생성됩니다. 김 교수님 연구팀은 4-HNE가 hERG 채널의 전류를 억제하고, 이를 통해 심장 활동 전위를 연장시키는 두 가지 메커니즘을 규명하였습니다. 첫째, 4-HNE는 hERG 채널 단백질의 발현 수준을 감소시켜 채널 수를 줄입니다. 둘째, 4-HNE는 채널의 전기생리학적 특성을 변화시켜, 채널의 개폐 동력을 조절합니다.​

    의의
    이 연구는 산화 스트레스와 관련된 심장 부정맥의 발생 기전을 이해하는 데 기여하며, hERG 채널의 기능 조절을 통한 새로운 치료 전략 개발에 중요한 단서를 제공합니다.​

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Aged Skin Pathophysiology and Ion Channel (SJ Kim)

  • Changes of the ion channel expression in the keratinocytes from aged human (노화인 피부 각질형성세포의 이온통로 발현변화 및 피부노화 기전 규명)
  • Maturation/development of keratinocytes and underlying changes of the ion channels (TRPV3 and TREK-2)

주요 연구 기법

Patch clamp technique

단일세포의 이온전류 또는 단일 이온통로의 활성을 직접 측정하는 기법으로 현대생리학과 세포생리학에서 가장 유용한 테크닉이라 할 수 있다. 우리 연구실에서 수행되고 있는 연구과제의 70% 정도는 이 연구기법과 직접 관련되어 있다.

Ionoptics System

Electrical field stimulation으로 반복 수축을 일으킨 단일 심근세포의 근절 길이 (sarcomere length)를 현미경 영상자동분석 장치를 통하여 정밀측정한다. 이 시스템은 아래의 형광분광법 장치와 통합되어서, 칼슘신호변화와 수축의 동시 측정도 가능하다.

Spectrofluorimetry

fura-2와 같이 이온농도의 변화에 따라 흡광스펙트럼이 변화하는 형광물질을 세포내로 넣어준 다음, 정밀한 분석기기에 의하여 세포내 이온농도를 실시간 측정할 수 있다. 도립현미경상에서 단일세포의 이온농도를 측정하는 기기와 함께, 부유세포들 (floating cells)의 이온농도를 한꺼번에 측정하는 cuvette type 등을 모두 보유하고 있다.

혈관수축성 측정기기

혈관 장력측정을 위한 Mulvany-type myograph,  생리적 압력 조건의 미세혈관 수축측정을 위한 pressurized artery video-analysis system 등이 사용된다.

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