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미세유체 기반 암 면역세포치료제 개발에 대한 연구 동향

이병진, 스탠퍼드대학교 유전학과

◈ 목차

요약문

1. 서론

2. 본론

  2.1. 항암제의 종류

  2.2. 암 면역세포치료제

    2.2.1. 효율적인 세포 간 상호작용 분석을 위한 스크리닝 플랫폼

    2.2.2. 액적 기반 미세유체장치를 이용한 효율적인 세포 내 유전자전달 방법

3. 결론

◈본문

요약문

미세유체 기반 암 면역세포치료제 연구는 현재 암 치료 분야에서 혁명적인 진전을 가져오고 있다. 이 연구는 암세포를 정교하게 공격하고 면역 시스템을 강화하여 부작용을 최소화한다. 미세유체 기 술은 정확한 치료를 제공하고 개별 환자에게 맞춤형 치료를 가능하게 한다. 이 보고서는 다양한 질 병 치료에 활용되는 세포치료제 개발에 이용되는 미세유체시스템의 기술 동향에 대해 소개하고자 한다.

1. 서론

 암은 수십 년 동안 전 세계적인 주요 사망 원인 중 하나이다. 기존의 암 치료법인 수술, 방사선, 화 학 요법은 부작용이 심각하고, 암의 재발률이 높다는 한계가 있다. 이러한 한계를 극복하기 위해 면 역세포치료제가 주목받고 있다. 면역세포치료제는 환자의 면역세포를 체외에서 증식 및 활성화시킨 후, 다시 환자의 체내로 주입하여 암세포를 공격하는 치료법이다. 대표적인 면역세포치료제로는 키 메라항원수용체(CAR)-T 세포치료제가 있다. CAR-T 세포치료제는 환자의 T 세포를 유전자조작하여 암세포만을 인식하고 공격하도록 만드는 치료법이다.

 미세유체(microfluidics)는 미세한 유체 채널을 이용하여 유체를 제어하는 기술이다. 미세유체는 면 역세포치료제의 개발 및 생산에 다양한 장점을 제공한다. 미세유체장치를 이용하면 면역세포를 대 량으로 생산할 수 있다. 기존의 면역세포치료제는 환자의 혈액에서 T 세포를 분리하여 증식시켜야 하는데, 이 과정은 시간이 오래 걸리고 비용이 많이 든다. 미세유체를 이용하면 이러한 과정을 자동 화하여 면역세포를 대량으로 생산할 수 있다. 미세유체시스템을 이용하면 면역세포의 배양 및 상호 작용 환경을 정밀하게 제어할 수 있다. 미세유체 채널 내에서 유체의 흐름, 온도, pH 등을 조절하여 면역세포의 증식, 활성화, 분화 등을 조절할 수 있다. 이를 통해 암세포에 대한 공격력을 높이고 부작 용을 줄일 수 있는 면역세포를 개발할 수 있다. 이러한 장점들로 인해 미세유체시스템은 암 면역세 포치료제 개발에 중요한 기술로 주목받고 있다. 이 보고서에서는 현재 미세유체시스템을 활용하는 암 면역세포치료제 개발에 대한 연구 동향을 살펴보고자 한다.

2. 본론

2.1. 항암제의 종류

 항암제는 암세포를 죽이거나 증식을 억제하는 약물이다. 항암제는 크게 4 세대로 구분할 수 있으 며, 각 세대별로 발전 과정을 다음과 같이 살펴볼 수 있다.

• ─︎1 세대 항암제(1940 년대~1960 년대): 항암제의 초기 개발 단계에서는 약물의 독성이 높고 비 특이적인 부작용이 많았다. 이러한 약물은 주로 방사선요법과 함께 사용되었으며, 대부분의 항 암제가 세포를 공격하고 암세포뿐만 아니라 건강한 세포에도 영향을 미쳤다.

• ─︎2 세대 항암제(1970 년대~1990 년대): 이 시기에 항암제 연구는 분자 수준에서 더 정교한 방향 으로 초점을 맞추었다. 항암제의 특이성을 향상시키는 데 중점을 두었으며, 이로 인해 비특이적 인 부작용이 감소하고 암세포에 대한 선택적인 효과가 향상되었다. 대표적인 두 번째 세대 항 암제로는 메토트렉세이트 및 시스플라티늄 화합물 등 DNA 손상을 유발하는 항암제, 암세포의 성장을 억제하는 항암제 등이 있다. 2 세대 항암제는 1 세대 항암제에 비해 부작용이 줄어들었 지만, 여전히 정상세포에 손상을 입힐 수 있다는 단점이 있었다.
  

• ─︎3 세대 항암제(2000 년대~현재): 현대의 항암제는 개인 맞춤형 치료의 시대를 열었다. 분자생물 학과 유전체학의 발전으로 인해 암세포의 유전자변이와 생화학적 특징을 더 정확하게 이해하 고, 항암제의 효과와 독성을 예측할 수 있게 되었다. 이로써 항암제 치료는 개인 맞춤형으로 제 공되며, 효과를 극대화하고 부작용을 최소화하는 데 중점을 둔다. 대표적인 세 번째 세대 항암 제로는 표적치료제, 면역항암제, 그리고 항암 면역표적제 등이 있다.

• ─︎4 세대 항암제(2010 년대~현재): 4 세대 항암제는 2000 년대 초부터 개발되기 시작하여 현재까 지도 활발히 연구되고 있는 항암제이다. 4 세대 항암제는 기존의 항암제에 비해 부작용이 적고 치료 효과가 우수하여, 암 환자의 삶의 질을 크게 개선할 것으로 기대된다. 차세대 면역항암제 는 암세포를 공격하는 면역세포의 기능을 강화하는 항암제로, 대표적인 차세대 면역항암제로는 키메라항원수용체(CAR)-T 세포치료제, PD-1/PD-L1 억제제 등이 있다.

2.2. 암 면역세포치료제

2.2.1. 효율적인 세포 간 상호작용 분석을 위한 스크리닝 플랫폼

 면역 시스템의 작용은 엄청난 수의 개별 세포 간 상호작용 사건에 의존한다. 이러한 상호작용은 체내에 존재하는 아군과 적군을 구별하는 데 중요한 역할을 수행하며, 면역 체크포인트 차단, T-세포 치료 및 암 백신과 같은 새로운 면역세포치료요법의 기본 작용이기도 하다. 이러한 세포 간 상호작용 의 중요성에도 불구하고 현재까지 대규모로 이를 특성화하는 기술은 거의 존재하지 않는다. 일반적 으로 세포 간 상호작용은 대량 배양 환경에서 배양액 내 사이토카인 분비, 세포독성, 표면 표지자 제 시(surface marker presentation), 또는 단일세포 전사 프로파일링(Single-cell transcriptional profiling) 과 정보를 이용하여 분석되곤 한다. 이러한 방법은 대량분석을 통해 특정 세포 유형 간 협력 행동을 특성화하는 데는 유용하지만, 특히 면역체계와 같은 많은 세포 간 상호작용을 정확하게 매핑하는 데 필요한 세부 정보를 충분히 제공하지 못한다. 이러한 동기로 새로운 기술들이 개발되고 있지만 관심 이 있는 특정 세포 간 상호작용을 분리하는 것은 여전히 어렵다. 따라서 빠르게 제어된 세포 조합을 생성할 수 있는 기술이 여전히 필요하며, 이러한 접근법은 규모의 세포 간 상호작용을 특성화하는 길을 열 수 있고 암, 면역학 및 미생물학을 포함한 여러 분야의 연구에 중요할 수 있다. 이 연구에서 저자들은 세포 간 상호작용 프로파일링을 위한 고속 스크리닝 기술을 제시한다. 이 기술의 핵심 혁 신은 전기유전영동 액적 분류기를 결합하여 지정된 조합의 시약, 비드 및 세포를 동시에 포함하는 액적들을 구축하는 것이다. 연구 팀은 해당 기술의 유용성을 시연하기 위해 사이토카인 포획 비드를 사용하여 키메라항원수용체 수식 T 세포(CAR-T) 및 CD19 제시 세포 간 상호작용을 관찰하였다. 이 실험을 통해, 암세포와 함께 배양 시 활성화되는 CAR-T 세포를 풍부하게 하고 관련된 유전자발현을 식별하였다. 이러한 방법을 통해, 원하는 조합으로 형성된 액적이 전체의 90% 이상의 비율로 형성될 수 있음을 확인하였다. 더 나아가, 이 방법을 이용하여 CAR-T 세포가 암세포를 제거하는 과정을 관 찰할 수 있음을 보여주었다. 백혈병세포인 RAJI 세포와 이를 공격하는 CAR-T 세포를 공배양하도록 액적을 조성하고 관찰하였을 때, CAR-T 세포가 활성화됨을 보여주었다.

그림 1. 세포 간 상호작용을 위한 액적 조합 형성 장치 및 배양

그림 2. CAR-T 세포와 RAJI 세포의 특이적 상호작용

2.2.2. 액적 기반 미세유체장치를 이용한 효율적인 세포 내 유전자전달 방법

 세포치료제(Cell therapy)는 현대 의학 및 생명과학 분야에서 혁명적인 발전을 이루고 있는 중요한 연구 분야 중 하나이다. 이 분야는 질병의 치료와 재생의학에 대한 기존의 접근 방식을 바꾸고, 많은 질병을 다룰 수 있는 새로운 가능성을 열어주고 있다.

 세포치료제란 환자 자신의 세포를 수정, 증식, 또는 이식하여 질병을 치료하거나 증상을 완화하는 치료 방법을 포함한다. 이러한 치료법은 줄기세포치료, 면역세포치료, 유전자치료 등 다양한 기술과 연구를 통해 발전해왔다. 이러한 혁신적인 접근 방식은 다양한 질병, 특히 암, 자가면역질환, 신경질 환, 그리고 심혈관질환과 같은 치료가 어려운 복잡한 질환들에 대한 새로운 가능성을 열어주고 있다. 이러한 목적을 위해서는 세포를 특정한 목적을 가진 세포로 전환해주는 과정이 필요하다. 가장 일반 적으로 사용되는 방법으로 바이러스벡터(예: 렌티바이러스 및 연관 아데노바이러스)를 사용해 세포 를 형질전환하는 데 선호된다. 바이러스는 자체 감염 경로를 활용하기 때문에 높은 세포 전달 효율과 효과적인 형질전환을 예상할 수 있지만, 유전독성, 면역원성, 높은 제조 비용 등이 주요 문제이다.

 떠오르는 유전자전달 방법으로 현재 미세유체장치를 이용한 방법이 각광받고 있다. 다양한 미세 유체 기반 세포 내 물질 전달 방법이 보고되고 있다. 한 연구 팀은 세포 내로의 물질전달을 더 나은 수준으로 끌어올리기 위해 기계적인 압착을 이용함과 동시에 액적 기반의 미세유체장치를 결합한 방 법을 활용했다. 두 섞이지 않는 유체를 사용하여 단일세포와 세포 내로 전달하고자 하는 분자를 먼 저 캡슐화해 수성-유성(Water-in-Oil, W/O) 액적을 생성한다. 이러한 액적은 세포를 변형시키는 좁은 구경의 틈새(aperture)를 통과하고 세포막의 일시적인 불연속성을 형성하여 외부 전기장치 없이도 플라스미드 DNA 전달과 같은 것이 가능하다. 이 방법을 사용하면 화물 소비가 크게 줄어들며 미세 채널은 대부분 캐리어 오일로 채워져 있어 거의 막힘이 없음을 보여주었다. 연구 팀은 이들이 제안한 액적 기반의 압착 방법을 사용하여 사람 유래의 T 림프구를 포함하는 다양한 면역세포에 다양한 대형 분자(2,000kDa 이하의 덱스트란, 996nt mRNA 및 7.9kbp 플라스미드 DNA)를 최대 98%가량의 높은 효율 및 최대 1×106 세포/분에 달하는 고처리량으로 전달할 수 있음을 증명하였다.

그림 3. 미세액적 내 함입된 세포에 유전자를 효율적으로 전달할 수 있도록 하는 미세유체장치

...................(계속)

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