바이오인

3차원 피부모델의 최신 연구개발 동향

장성재 ㅣ 한국원지력의학원

[요약문]

3차원 피부모델은 피부 이식을 비롯하여 화장품 및 소재의 독성시험, 바이오소재의 안전성 평가, 기초생물학 연구에 있어서 근간이 되는 플랫폼을 제공한다. 하지만, 최근 사용하고 있는 대부분의 in vitro 모델에는 사람 피부에 존재하는 염증 시스템과 혈관 등이 제외되어 있어 보 다 생리적으로 복잡하고 실제에 가까운 피부 모델에 대한 필요성이 증가하고 있는 추세이다.

본래 사람의 피부 면역계에는 매우 다양한 세포들이 존재하기 때문에 이를 in vitro 모델에 도 입시킨 새로운 개념의 피부모델을 개발하려는 많은 시도들이 최근 많이 진행되고 있다. 이를 실현하기 위해서는 피부 생물학과 조직공학 사이의 차이 및 특정 질병기와 건강기에 면역계의 서로 다른 역할에 대한 충분한 이해가 필요하다. 본 최신 동향에서는 피부 면역과 최신 면역 적합성 피부모델의 설계 방법에 대해 소개할 것이다.

또한, 성공적인 면역적합성 피부모델의 생산을 위해서 필요한 폭넓은 기초적, 기술적 연구 사례와 전 세계적으로 많은 연구자들이 개발 중에 있는 새로운 피부모델에 대해서도 소개할 것이다. 더불어 근미래의 전략 중 유도성 만능줄기세포(induced pluripotent stem cells, iPSCs)와 모델 환경을 조절하는 미소유체 플랫폼 (microfluidic platforms), 피부모델들 사이의 생화학적 과정을 실시간으로 모니터링할 수 있는 새로운 기법에 대해서도 언급할 것이다. 끝으로 현재 상용화된 대표적인 피부모델들에 대해서 도 간략하게 소개할 것이다.

Key Words

3차원 피부모델(3D skin models), 면역적합성 모델(immunocompetent models), 면역세포(immune cells), 유도성 만능줄기세포(induced pluripotent stem cells), 미소유체 플랫폼 (microfluidic platforms), 실시간 모니터링(real-time monitoring)

[목차]

1. 서론

2. 본론

 2.1 피부모델의 개발 과정

 2.2 면역적합성 3차원 피부모델

  2.2.1 피부면역과 피부모델

  2.2.2 최신 면역적합성 3차원 피부모델 개발 동향

  2.2.3 면역적합성 피부모델에서 감염과 염증의 모니터링

 2.3상용화된 3차원 피부모델

3. 결론

4. 맺는 말

5. 참고문헌

[내용]

1. 서론

인공피부 관련 연구는 초기 화상치료를 위해 시작되어 최근에는 화장품 등의 동물대체시험 법을 위해 필수적인 재료로 활용되고 있으며, 이를 넘어서 신약개발에 있어서 매우 중요한 화합물의 독성검사법으로 그 적용이 확대되고 있는 실정이다. 한편으로 21세기에 들어서 로봇공학과 인공지능 (artificial intelligence, AI)의 비약적인 발전과 더불어 오감을 이용하여 주변 환경을 인지하여 정보를 획득하고 지능적 판단, 행위 및 상호작용을 통하여 인간을 지원하는 기계, 전자, 정보, 생체공학의 복 합체인 지능형 로봇에 대한 연구도 활발히 진행되고 있는데, 특히, 로봇에 있어서 촉각 센싱을 가진 3차원 로봇 핑거팁 모듈을 이용한 인공피부 모듈 개발도 진행되고 있다.

본 동향보고서를 작성하기에 앞서 저자는 과학자의 습관처럼 3차원 피부모델을 이용한 연구 및 산업 분야에 대해서 인터넷을 이용해 검색을 시도해 보았다. 조사에 대표적인 국내 R&D 연구사 업 및 논문, 특허, 보고서 등을 총망라한 검색이 가능한 국가 R&D 정보 사이트인 NTIS (www.ntis.go.kr)과 이와 연계된 국가과학기술정보 사이트인 NDSL (www.ndsl.kr)을 사용하였다. NTIS 와 NDSL은 서로 링크되어 검색이 매우 용이하였다. 검색어로 사용한 키워드는 3차원, 인공피부, 피 부모델 등을 사용하였는데, 상당한 양의 자료들이 봇물처럼 쏟아진다. 표 1-3에 3차원 피부모델 및 인공피부 관련 국내 연구과제 현황 및 특허 출원 및 등록 현황, 관련 보고서를 비롯하여 최근 3년간 진행되고 있는 3차원 피부모델을 이용한 피부모델의 활용 및 적용 연구에 대하여 정리해 놓았다. 누 구나 손쉽게 접근할 수 있는 구글링(www.google.co.kr)과 의학 관련 전문 사이트인 Pubmed(www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed), 생명과학 및 공학 전문 사이트인 Scopus (www.scopus.com) 등도 사용해보니 역시 훌륭한 정보들이 매우 많았다. 국내 관련 연구자들의 경우 연구 과제 기획 등을 위 해서는 이들 중에서 역시 국내의 전반적인 국가 R&D 연구과제를 중심으로 검색을 제공하는 NTIS와 함께 NDSL을 활용한 후 관련 키워드를 정리 후 보다 전문적인 사이트로 검색을 확장시켜나가는 편 이 좋을 것으로 생각된다.

검색 내용을 살펴보면 최근 피부모델 관련 R&D 연구과제의 경우 3D 프린팅 기술 관련, 동 물대체시험법 개발 및 효능평가법 관련, 생체모방 3차원 오가노이드 개발 및 독성 및 안정성 평가법 개발 관련, 멀티 피부모델 기반 평가 기술 개발 관련, 세포 시트 및 스캐폴드 제작 관련 연구들이 주를 이루었으며, 관련 특허들도 출원 또는 등록된 경우가 많았다 (표 1-3). 또한, 신약 개발 관련 역 생물공학 기법을 이용한 3차원 세포배양 기반 신약평가 기술 개발과 skin-on-a-chip 바이오센서 개 발 연구 등이 정부출연연구기관은 물론 대학 등을 중심으로 진행되고 있는 것을 확인 할 수 있었다.

본 동향보고서에서는 이전에 이미 BRIC View에서 출간된 “동물대체시험법 개발로서의 인공 조직 및 인공기관모델(BRIC View 2015-T07)”, “3차원 세포배양 기술의 연구 및 상용화 동향(BRIC View 2018-T38)”에서 자세히 다루지 않은 분야인 실제 사람 피부와 보다 가까운 3차원 피부모델의 개발 관련 최신 연구동향을 해외 저널들을 중심으로 조사 및 분석하여 이 기술들의 현재의 한계점 과 미래 연구개발 방향에 대하여 중점적으로 다루도록 하겠다.

2. 본론

 2.1 피부모델의 개발과정

In vitro 수준의 피부모델은 매우 폭넓은 적용 분야를 가지며, 이 때문에 다학제 간 연구가 진행되고 있다. 피부모델은 피부 생물학의 다양한 연구 분야에 활용 가능하도록 입체적인 3차원 플 랫폼을 제공하며, 화장품 및 제약 산업에서는 물질의 안전성 테스트에도 적용이 가능하다. 피부 모델의 산업화를 위해서는 실제 피부에서와 같은 면역 반응에 대한 조절 반응 기작을 포함하는 특 화된 세포 및 생리적 서브시스템의 다양성 등 구조 및 기능적 복잡성 측면에서 해결해야 할 숙제들 이 많이 남아있다.

다양한 동물모델이 피부 연구에 사용되어 왔지만, 조작이 쉽고 저렴하다는 이유로 마우스 모 델이 가장 많이 사용되어 왔다. 과거 마우스 모델은 일반적으로 피부 생리학, 생화학, 면역학 연구에 주로 활용되어 왔으며, 또한 인체 적용을 위한 중개연구에 필수적 또는 의무적으로 활용되어 왔다. 마우스와 사람은 해부학, 생리학, 면역학적인 측면에서 많은 부분이 유사하지만, 구조와 기능적인 면 에서는 큰 차이를 보인다 [3]. 사람의 경우 마우스에 비해 피부가 더 두꺼우며 모낭의 수가 적다. 또 한, 마우스 표피에는 각질세포층이 적기 때문에 사람에 비해 피부장벽 기능이 떨어져 물질이 흡수력 이 상대적으로 높다. 피부 면역계는 세포와 세포외기질(extracellular matrix; ECM)의 복잡한 네트워크 로 구성된다. 생체에서 면역반응은 항상성 유지 및 숙주가 병원성 미생물에 대해서 방어하도록 도와 준다. 마우스와 사람의 피부 면역계는 T세포의 존재 및 위치 그리고 케모카인(chemokines)의 발현, 항미생물 펩티드 유무 등에서 큰 차이를 보인다. 이러한 차이로 인해 마우스의 in vivo 피부모델에서 의 획기적인 연구성과가 사람의 피부질환으로 적용이 종종 실패하곤 한다. 사람의 면역계를 포함한 3차원 피부모델은 면역 병리학 분야의 신지견을 제공함으로써 감염증 치료제 신약 및 약물 전달체 의 개발이 가능하게 할 것이다. 하지만, 현재 3차원 피부모델은 면역 성분을 고려하고 있지 않으 며, 이는 최근 몇몇 피부질환 모델에 대한 보고에서 특히 강조하여 언급된 부분이다. 최근 들 어 조직공학과 면역세포생물학의 발전으로 인해 많은 연구자들이 사람 피부와 기능적으로 유사하도 록 3차원 피부모델에 면역세포를 도입하기 시작했다. 면역적합성 3차원 피부모델의 개발에서 주요 도전 분야는 다양한 면역 성분을 효율적으로 포함시키는 것과 이들 간의 상호작용을 조절할 수 있도록 환경을 조성하는 것이다.

표 1. NTIS 과제 검색 결과 (키워드: 3차원, 피부모델, 인공피부)

...................(계속)

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