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3차원 세포배양 기술의 연구 및 상용화 동향

요약문

3차원 세포배양기술은 기존 2차원 세포배양기술에 비해 생체 대응성이 뛰어나 1990년대부터 현재까지 꾸준하게 연구되어 왔으며, 최근에는 생체대응성을 더욱 높인 오가노이드 배양기술로 발전하고 있다. 90년도 초반 Eric Simon이 NIH SBIR Grant Report를 통해서 인공적인 스케폴더(Scaffold)에 인간 세포주를 3차원으로 배양하는 것을 소개한 이후에 생체대응성을 높이는 3차원 세포배양기술은 질병의 연구, 맞춤형 의학, 신약개발 등의 다양한 분야의 니즈로 인해 기술개발이 활발하게 이루어지고 있으며, 일부 기술들은 제품으로 상용화되었다. 본 동향조사리포트는 최근까지 개발되어온 3차원 세포배양기술을 소개/분류하고, 현재 활발하게 진행되고 있는 3차원 세포배양기술의 연구/상용화 동향을 소개함으로써, 3차원 세포배양기술의 저변확대에 기여하고자 한다.

키워드: 3차원 세포배양(3D cell culture), 오가노이드(Organoid), 세포배양모델(Cell culture model), 세포외기질(Extracellular Matrix), 스케폴더(Scaffold), 세포기반 분석(Cell-based assay)

분야: Biotechnology
 
 
 
 

목차

1. 서론
2. 본론
  2.1 3차원 세포배양모델이란?
   2.2 2차원과 3차원 세포배양모델의 장단점 분석
  2.3 3차원 세포배양모델 분류
  2.4 3차원 세포배양모델의 최신연구동향
  2.5 3차원 세포배양모델의 상용화 동향
  2.6 3차원 세포배양모델의 응용분야
3. 결론
4. 참고문헌

1. 서론

동물세포의 배양은 90년도 초반 Harrison이 올챙이의 척색에서 취한 신경선유, 세포를 개구리의 응고 림프액에 배양함으로써 시작되었다. 이후, 증식 재연성이 좋은 세포주의 개발, 세포 배양액의 확립, 세포배양 기구 및 장비의 발전으로 동물세포를 체외에서 안정적으로 배양할 수 있게 되었다. 동물세포의 배양은 주로 플라스틱 접시(Dish)에 세포부착용 화학물질을 코팅하고, 동물세포를 부착시켜 키우는 방식으로 동물세포를 증식 시켰다. 이러한 동물세포배양은 새로운 생리활성물질의 발견, 생리활성물질의 생산, 여러 질병모델 개발, 독성분석, 신약개발 등 생명공학과 의료분야 전반에서 널리 사용되고 있다. 하지만, 동물세포를 플라스틱 접시(Dish)에 부착시키면 단일 층으로 증식하여 생체에서 동물세포가 3차원으로 증식하는 것과 형태적으로 차이가 나며, 이러한 이질적인 환경은 세포의 유전자 발현에도 영향을 미쳐 체외의 동물세포배양은 생체내 동물세포와의 대응성이 떨어지는 문제점을 가지고 있다. 미국 브라운대 연구진이 2007년도에 Tissue Engineering 국제저널에 기고한 논문에 따르면, 동물세포는 생체 대응성이 높은 3차원 세포배양모델로 자랄 경우, 2차원적 세포배양모델과 상이한 유전자 발현을 보고하고 있다 [1]. 이러한 연구결과는 세포를 이용한 실험결과를 기초생명과학연구와 의학의 질병모델에 응용할 시 주의가 필요함을 시사한다. 특히, 약물의 효능 분석 또는 독성 분석을 위해 동물세포를 이용할 경우, 3차원 세포배양 모델이 기존의 2차원 세포배양 모델의 약물 반응성과 큰 차이를 보이는 것이 국내외적으로 많이 보고되었다 [2-6]. 특히, 암 환자에서 유래된 세포를 3차원으로 배양하면 세포-세포, 세포-세포외기질(ECM, Extracellular Matrix)의 상호작용으로 세포의 형태(morphology)뿐만 아니라 발현되는 주요 유전자의 종류와 발현 정도가 달라진다 [2-4]. 이 때문에 3차원 세포배양모델과 2차원 세포배양모델에서 세포의 약물 반응이 다르다는 보고가 많다 [5,6]. 최근에는 암환자의 개인 맞춤형 치료를 위한 정밀의료에도 3차원으로 배양된 세포의 약물반응 데이터를 유전자 데이터와 더불어 임상의 보조 자료로 사용하려는 시도가 활발하다 [7,8].

생체 대응성이 뛰어난 3차원 세포배양모델은 2차원 세포배양모델과 달리 세포, 세포외기질, 세포배양용기, 세포 성장인자 등의 조합으로 만들어져 다양한 조합에 따라서 세포배양모델이 달라지는 다양성을 가지고 있다. 최근 20-30년의 연구 기간 동안 다양한 아이디어로 3차원 세포배양모델이 개발되었고, 이중 일부는 상용화 되었지만 아직도 기술이 표준화되지 못하고 있는 실정이다. 또한 기존 모델보다 더 생체대응성을 높이려는 시도들이 최근까지도 꾸준히 발표되고 있다. 따라서, 본 보고서는 3차원 세포배양기술의 최신 기술과 상용화 동향을 공유하고, 다양한 분야의 연구자들과 함께 3차원 세포배양기술의 미래 개발 방향과 응용에 대해서 함께 생각해보고자 한다.

2. 본론

2.1 3차원 세포배양모델이란?

3차원 세포배양모델은 생체와 유사한 환경을 체외에서 인공적으로 조성하여 세포가 모든 차원에서 성장하거나 주변 환경과 상호작용할 수 있도록 허용하는 세포배양모델을 통칭한다. 그림1은 2014년도에 오스트리아 Griffith 대학 연구진이 3차원 세포배양모델을 정리하여 Biology 국제저널에 출판한 그림 [9]이다. 3차원세포배양모델은 세포외기질(Extracellular matrix, ECM)으로 구성된 3차원 공간에 여러 가지 세포를 3차원적으로 배양하며, 이때 영양분, 산소, 약물이 확산구배 및 투과로 세포에 공급되어 생체와 유사한 환경을 제공한다. 특히, 세포와 세포의 3차원 접촉으로 인한 상호작용, 세포-세포외기질의 3차원 접촉으로 인한 상호작용, 세포 분비물의 확산에 의한 측분비신호전달(Paracrine singaling) 등이 2차원 세포배양에는 없는 3차원 세포배양모델이 가지고 있는 특징이다.

...................(계속)

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