생명/의료

소형 칩에 의한 장기 재건

발행일 : 2019 / 07 / 05

최근, 중국과학원 다롄(大連)화학물리연구소 친젠화(秦建華) 연구팀은 인체장기칩(Human organs-on-chips) 기술을 이용하여 새 적층 미세유체칩 장치를 설계했다. 동전 크기밖에 안 되는 해당 플라스틱 칩에서 배양한 인체 다기능성 줄기세포는 뛰어난 생체적합성을 보유함과 아울러 체내 이자섬(Pancreatic island)과 아주 유사한 오가노이드(Organoid)를 유도할 수 있다. 해당 연구성과는 “Lab on a chip” 저널의 앞표지 문장으로 게재됐다.

첨단기술 제품의 “두뇌”로 불리는 칩은 핸드폰, 컴퓨터, 수치제어 장비 등 첨단기술 제품뿐만 아니라 인체 장기 재건 운반체로도 이용될 수 있다. 인체장기칩은 최근 개발된 새 생물 과학기술이며 또한 물리, 화학, 생물학, 의학, 재료학, 공학 및 미세전자기계 등 다학제적 “10대 이머징 테크놀러지”이다.

적층 미세유체칩에 배양한 오가노이드는 최초로 인체 이자섬 조직과 유사한 기능을 보유했다. 해당 오가노이드는 인체 내 다양한 이자섬 세포 유형을 포함할 뿐만 아니라 뛰어난 인슐린 분비 및 글루코스 자극 응답 기능을 보유한다.

인구 노령화 및 생활양식의 변화에 따라 중국의 당뇨병 환자수는 급속히 증가하고 있으며 이 또한 환자, 사회 및 가정에 거대한 부담을 가져다주고 있다. 당뇨병 발병 메커니즘은 비교적 복잡한바 그 임상증상은 대부분 혈당 상승을 동반한 심혈관계 질환 및 신부전 등 다양한 합병증으로서 주요 병리적 변화는 인슐린 분비 부전 또는 이자섬 기능 진행성 손상이다. 특히 1형 당뇨병은 자체로 인슐린을 생성할 수 없기에 일생동안 인슐린 치료가 필요하다.

당뇨병 치료 기술 수단이 지속적으로 개선되고 있지만 이자섬 손상 복원 및 재건은 어려움으로 되고 있다. 이자섬 오가노이드의 체외 재건은 당뇨병 메커니즘 연구, 이자섬 이식 치료 및 약물 연구개발 등에 중요한 의미가 있다.

연구팀은 줄기세포 자가조립 원리와 생물공학 방법을 결합하여 적층 관류가 가능한 미세유체 장기칩에서 인체 다기능성 줄기세포의 내배엽층 유도 분화, 3D 세포배양, 이자섬 조직 발달 및 오가노이드 형성 과정을 달성함으로써 최종적으로 기능성 생체공학적 이자섬 오가노이드를 구축했다.

연구 결과, 칩내 이자섬 배양 환경의 기계적 유체 요인은 오가노이드 발달 촉진, 기능 성숙 및 유지에 아주 유리하다. 체외에서 구축한 이자섬 오가노이드는 체내 환경과 비교적 큰 차이가 존재하기에 적합한 체외 배양 환경 마련은 어려움으로 되고 있다.

상기 어려움을 해결하기 위해 연구팀은 오가노이드칩에 대한 생체공학적 설계 및 제조를 기반으로 하고 바이오 유체, 역학적 자극, 세포 간 작용 및 생화학적 요인 농도 등 조직/기관의 발달에 요구되는 복잡한 미세환경에 대한 체외 시뮬레이션을 통해 줄기세포의 방향성 분화 발달 및 오가노이드 형태 발생 유도에 유리한 조건을 형성했다.

장기칩 내에 형성된 생물역학적 요인은 오가노이드 형성과정에서의 영양물질 교환에 유리할 뿐만 아니라 오가노이드의 혈관 형성 및 성숙을 촉진한다. 이는 체외에서 핵심 기능을 보유한 중요한 조직/기관을 제조하는데 새 전략 및 아이디어를 제공했다.

연구팀은 인체장기칩 및 생물의학 다학제간 연구를 수행하여 해당 “미니” 오가노이드 모델 및 첨단과학 생물기술을 인간생활에 접근시킴으로써 인간 생명건강 개선에 진력했다. 현재 연구팀은 일련의 생체공학적 장기칩 시스템을 구축했으며 뇌, 간, 심장 등 다양한 중요한 오가노이드를 성공적으로 배양함과 아울러 생명 초기의 환경 노출 및 약물 테스트 등 연구에서의 응용을 시도했다.

대량의 연구를 통해 임신기간의 병원체, 약물 및 환경오염 등에 대한 노출은 유산(Abortion) 또는 태아 대뇌 발달 비정상을 유발하는 주요 요인일 뿐만 아니라 당뇨병, 심혈관계 질환 등 성년기 중대 만성질환 감수성과 관련됨을 발견했다. 그러나 적합한 체외 모델의 결핍으로 지금까지 관련 분야에 대한 심층적 연구를 수행하지 못했다.

전단계 대량 테스트를 통해 연구팀은 장기칩 기술을 이용하여 뇌의 동적 미세환경을 시뮬레이션했으며 복잡한 구조 기능을 보유한 뇌기관을 배양했다. 해당 줄기세포에서 유래된 뇌기관으로 특정 뉴런, 다양한 뇌영역 및 피층 구조의 분화 특성 등을 포함한 인간뇌 조기 발달 과정을 재현할 수 있다. 또한 해당 뇌기관으로 다양한 환경 요인 노출이 태아 대뇌 발달에 미치는 영향을 연구할 수 있다. 연구팀은 또한 알코올, 니코틴 및 중금속 카드뮴 등은 인간 신경계 전구세포의 분화에 영향을 미치며 다양한 뇌영역 및 피층의 발달 비정상을 유발함과 아울러 태아 뇌발달에 영향을 미침을 발견했다. 해당 연구는 뇌질환 약물 개발 등에 새 모델을 제공했다.

이외에 연구팀은 간기관(Liver organs) 칩 장치를 개발함과 아울러 어레이를 통해 관류 가능한 칩에 대량의 기능성 마이크로형 간기관을 형성했다. 해당 기관은 간세포 및 간관(Hepatic duct) 세포를 포함하며 인체 간과 유사한 알부민 및 요소(Urea) 분비 기능 그리고 특정 약물에 대한 독성반응을 보유하고 있기에 간질환 모델, 이식실험 및 약물선별 등에 심층적으로 이용될 수 있다.

후속 연구과정에서 연구팀은 다학제간 방법 및 협력 전략을 융합해 해당 오가노이드의 생물학적 기능을 한층 더 향상키고 다양한 장기 사이의 상호작용을 연구하여 오가노이드 구축 어려움을 해결함으로써 체외에서 구조 기능이 인체 3D 장기 모델과 더욱 접근하는 장기를 획득하여 생명의학 연구, 조직/기관 재건 및 약물 개발 등에 새로운 전략 및 플랫폼을 제공할 전망이다.

향후 해당 오가노이드칩 장치에 다양한 바이오센서를 통합해 외계 자극에 대한 반응을 모니터링할 계획이다. 예를 들면 다양한 개체 또는 환자 유래 오가노이드의 약물에 대한 반응 및 고투과성 약물 선별 등을 테스트함으로써 동물실험 원가를 대폭 절감하여 신약 개발을 추진할 전망이다.