바이오인

디지털 헬스케어 산업의 비약적인 발전과 더불어 의생명과학은 질병의 치료로부터 예방과 건강관리로 그 패러다임 전환이 가속화되고 있다. 재원이 열악한 지역의 감염병 진단을 위한 효과적이고 경제적인 현장진단 검사법, 생활환경 유해인자의 검출, 질병 및 건강관리를 위한 일상적 진단검사에 이르기까지 간편하고, 정확하고, 경제적이며, 사용자 편의성이 증대된 진단 기기의 발달은 미세유체공학 기반 랩온어칩(Lab-on-a-chip) 기술의 발전과 함께 실현되고 있다. 랩온어칩 기술은 세포생물학 및 생체적합성 재료 개발의 발전으로 생체모방 장기칩(organ-on-a-chip)의 개념으로 확장되고 있기도 하다. 시험관에서 인체 생리활성에 근접한 정량적 분석 결과를 제공할 수 있는 수준으로 발전되면서 약물반응 시험의 새로운 플랫폼으로 적용 가능한 잠재성을 보여주고 있다. 체외 진단기기 및 신약 스크리닝 플랫폼으로서의 미세유체 기반 랩온어칩 기술은 디지털 헬스케어 산업을 견인하고 새로운 부가가치 창출의 주요 핵심 기술로 활용될 것으로 전망된다.

 

1. 서론

2. 랩온어칩(Lab-on-a-chip, LOC, 생체모방 칩) 개요

3. 진단기기로서 미세유체공학 기반 랩온어칩

  3.1. 현장진단 시험(point-of-care test, POCT) 기기

  3.2. 질병 진단, 예후예측

  3.3. 환경유해인자(환경오염물질, 식품 독소) 검출

  3.4. 미세유체 기기와 스마트폰의 융합

4. 약물 스크리닝 플랫폼

  4.1. 생체모방 장기(인체) 칩

  4.2. 질병(암) 모델링

  4.3. 줄기세포 연구 플랫폼

5. 3D 프린팅 기반 미세유체 기기 재료의 발전과 산업화 전망

6. 요약 및 결론

7. 참고문헌

 

2015년 여름, 대한민국은 메르스(MERS, 중동호흡기증후군)의 확산으로 불안과 불편을 감수하며 적지않은 혼란을 겪어야 했고, 2016년 현재, 전세계는 지카(Zika) 바이러스에 대한 불안과 우려에 직면해 있다. 감염병을 신속히 진단하고 체계적으로 관리 추적하여 효과적인 치료전략으로 대응하는 질병관리 및 보건 시스템의 중요성은 질병의 치료를 넘어 예방과 건강 관리가 중요한 가치관으로 자리잡고 있는 현재 우리 사회에서 좀 더 민감하게 다가온다. 감염성 질환의 정확한 현장진단은 감염병의 확산을 막고 신속한 초동 대처와 연계한 치료전략 수립에 있어 가장 중요한 부분 중 하나이다. 비단 재원이 열악한 지역에서 중요한 현장진단 검사뿐 아니라 암, 후천성면역결핍증(AIDS), 염증성 질환, 대사질환에 이르기까지 건강을 심각하게 위협하는 여러 질병의 정확한 진단 및 예측은 효과적인 치료전략 수립을 위해 중요하다. 최근 미국 NIH에서 발간한 과학 발전 전략계획(NIH-Wide Strategic Plan, Fiscar years 2016-2020)에 따르면 주요 방향이 ‘치료를 위한 발견’으로부터 ‘건강의 증진 및 질병 예방’으로 전환되면서 연구예산도 이러한 흐름에 맞춰 편성되고 있다[1]. 구글과 같은 ICT (Information and communication technology) 기업이 주도하는 디지털 헬스케어 산업의 확대는 ‘치료’에 방점을 두고 있던 기존의 의과학기술을 ‘예방과 관리’로 패러다임의 전환을 가속화시키고 있다. 환자뿐 아니라 건강한 사람들이 건강을 유지, 향상시키기 위해 몸상태를 자가 모니터링하고 예측되는 질병을 예방, 관리하고자 하는 수요는 원격 건강관리(telehealth) 산업의 확대로 이어지고 있다. 사회적, 산업적 요구에 부응하면서 기존 진단기술에 미체유체공학(microfluidics)과 미세전자기계 시스템(microelectromechanical system, MEMS)이 적용되면서 진단기기 기술의 유래없는 발전을 가져왔다. 극미량의 시료로 민감도와 정확도 면에서 진일보된 미세유체 기반 진단기기 개발은 디지털 헬스케어 산업을 견인할 주요 기술로 부각되고 있다. 랩온어칩(Lab-on-a-chip, LOC, 생체모방 칩)이라 불리는 미세유체기술 기반 플랫폼은 재료공학의 발전으로 다양한 생체적합성 재료가 적용되고, 세포생물학에 대한 이해가 깊어지면서 인체의 생리반응을 모사한 실험관 모델로 발전하여 약물에 대한 인체 생리반응을 계측 가능하게 하고 있다. 또한 PDMS (polydimethylsilane) 기반 연성 리소그래피(soft lithography)로 제작되던 미세유체 소자들이 3D 프린팅 기술(입체 리소그래피)로 제작되면서 기술 표준화를 앞당겨 기기의 상용화와 산업화가 촉진될 것으로 전망되고 있다. 앞으로 신약개발 과정에서도 랩온어칩 기반 플랫폼이 중요한 위치를 차지할 것으로 예상된다. 랩온어칩의 개념은 생체모방 장기(인체) 칩[organ(body)-on-a-chip]으로 확장되어 다양한 세포 및 생체적합성 세포외기질을 실험관 수준으로 구현하고, 보다 생체에 근접한 스페로이드 세포, 오가노이드(Organoid)를 비롯하여 줄기세포 및 역분화줄기세포를 활용하면서 신약개발의 전임상 과정에서 약물 스크리닝을 통해 후보물질을 선별하고 검증하는 실험의 새로운 플랫폼으로 활용될 가능성을 보여주고 있다. 2차원 세포배양 및 동물실험 기반 후보약물의 약동력학, 효능 및 독성 시험 시 생체 내 환경을 적절히 반영하지 못하는 단점과 동물과 인체 반응과의 비적합성 문제들을 극복함으로써 생체모방 장기(인체) 칩은 이제 임상시험에서 소요되는 시간적, 경제적 비용을 획기적으로 절감할 수 있는 대안으로 인식되고 있다. 

본 리포트에서는 미세유체기술 기반 랩온어칩(Lab-on-a-chip, LOC, 생체모방 칩)의 최신 기술 발전 사례들을 정리해보고, 주요 핵심 활용분야인 진단 기기와 신약개발을 위한 약물시험 플랫폼으로의 잠재적 활용가치에 대해서 심층적으로 다루고, 향후 기술 발전에 대해 전망해 보고자 한다. 

2. 랩온어칩(Lab-on-a-chip, LOC, 생체모방칩) 개요 

랩온어칩은 생물학, 화학 실험실의 구성요소를 소형화하고 이들을 하나의 칩 위에 미세유체 기반 기술로 집적하여, 미량으로 채취한 시료의 전처리부터 혼합, 반응, 분리, 분석의 전단계를 하나의 칩 위에서 수행할 수 있도록 구현한 장치를 일컫는다. 때문에, 마이크로 전분석 시스템(μTAS, micro Total Analysis System) 또는 미세유체 기기(microfluidic device) 등으로 혼용되어 사용되어왔다. 소위 손바닥 위에 올려놓을 수 있는 실험실을 나타내는 ‘랩온어칩’은 기술의 속성을 직관적으로 표현한 보편적 용어로 사용되고 있다. 미세밸브, 미세펌프, 미세필터, 혼합기 등으로 구성된 미세유체 소자와 항원, 표적 단백질, 핵산 등의 분석물 이동과 이를 제어하기 위한 바이오 필터와 채널, 시료를 분석 감지하는 센서, 그리고 이 미세유체 소자를 구동하고 제어하기 위한 엑츄에이터 등이 MEMS 가공 공정을 통해 칩 위에 집적된다. 랩온어칩에 활용되는 미세유체시스템은 매크로 환경과 달리 마이크로 환경에서 적용되는 유체의 물리적 특징에 기반하고 있다[2]. 첫째, 미세유체 환경에서는 와류운동(turbulent flow) 대신 보다 예측 가능한 층류운동(laminar flow, 유체가 섞이지 않은 상태로 층을 이루면서 흐르는 현상)이 주를 이룬다. 둘째, 공기와 유체 또는 혼합되지 않는 두 종류의 유체(오일과 물)가 접촉면을 줄여 자유에너지를 낮추는 표면장력과 계면장력(surface and interstitial tension)이 단백질과 세포를 분리하거나 표면 에너지 차이에 의한 액적(液滴, droplet, 물방울)의 수동적 이동(passive drive)을 일으키는 데 활용된다. 셋째, 마이크로 단위의 관(튜브)에서 유체의 유동을 유도하는 데는 모세관 힘이 작용한다. 랩온어칩은 기존 진단기기에 널리 적용되어 정확성과 응용성을 확장시키는 데 활용되는 핵심 기술이라 생각하면 좋을 것 같다. 랩온어칩 기반 기술은 수초에서 수분대로 빠른 분석을 가능하게 하고, 마이크로(10^-6)에서 펨토(10^-15) 단위의 극미량 시료와 시약을 활용하여 높은 민감도와 개선된 정확성으로 여러 종류의 시료를 동시분석 할 수 있게 한다. 또한 재현성 있는 정량적 정보를 얻을 수 있어서 고속처리 분석 플랫폼으로서의 잠재력을 지니고 있다 (그림 1).