바이오인

만병의 근원인 만성염증, 생체모사 장기칩으로 확인한다.

인체 염증을 모사한 생체모사 장기칩 개발 … 환자의 염증 수준 분석 및 약물 효능 평가 가능

■︎ 시간이 지나면 없어지는 급성염증과 달리 인체 내 지속적으로 발생하는 미세염증을 만성염증이라고 한다. 만성염증을 유발하는 면역세포들은 혈관을 타고 다니며 염증 발생 부위로 이동 후, 과도한 면역반응을 유도하여 다양한 질병의 원인이 된다. 이와 관련해 국내 연구진이 생체모사 장기칩을 통해 만성염증 환자의 염증 분석 및 치료제 효능 평가에 유용한 기술을 개발했다.

◎︎ 한국화학연구원(원장 이영국) 이성균, 김홍기 박사 연구팀은 최근 연구에서 새로운 생체모사 장기칩(Organ-on-a-chip)*을 선보였다. 이 장기칩은 인체의 선천성 면역세포 중 하나인 호중구가 혈관벽을 뚫고 염증 부위로 이동하는 화학주성* 현상(그림2)을 자세히 관찰할 수 있다.

* 장기칩 (Organ-on-a-chip): 인체 유래 세포들을 미세 유체칩의 3차원 환경에서 함께 배양하여 인체 장기를 따라할 수 있게 만드는 체외 플랫폼 기술을 의미함

** 화학주성(chemotaxis): 세포가 화학 유인 물질을 감지·이동하는 성질로 호중구 등 염증 면역세포들은 염증 발생을 감지하여 그 곳으로 이동함

◎︎ 개발한 생체모사 장기칩을 활용하면 면역세포인 호중구의 이동 정도 확인을 통해 ▲환자의 염증 수준 분석이 가능하고 ▲동물실험을 대체하여 만성염증 치료제 효능 평가 결과를 얻을 수 있어, 앞으로 신약 개발 연구에 도움이 될 것으로 전망된다.

■︎ 장기칩 기술은 동전 크기의 칩 안에서 3차원 구조로 다양한 인체 유래 세포를 함께 배양해 복잡한 인체 장기와 조직을 모사할 수 있어, 동물실험을 대체할 수 있는 유망기술이다.

◎︎ 특히 지난해 개정된 미국 FDA 근대화법 2.0*에 따라 동물실험 자료 없이 의약품 허가 신청이 가능해졌다. 이로 인해 인체와 유사한 장기칩이 신약 효능·독성 평가에 널리 활용될 것으로 기대되고 있다.

* FDA Modernization Act 2.0(2022.12.29.) : 동물실험 의무 폐지로 동물실험 자료가 없어도 의약품 허가 신청 근거 마련

◎︎ 전세계 장기칩 시장은 2022년 기준 1억 750만 달러로 2030년에는 약 7억 9,670만 달러에 달할 것으로 예상되고 있으며, 미국에서는 생명공학기업인 에뮬레이트(Emulate)社가 상용화를 선도하고 있다.

■︎ 본 연구에 사용된 장기칩은 반도체 공정없이 3D 프린팅을 이용해 새롭게 설계·제작되었다. 칩의 일부 구획을 의미하는 ‘채널’과 ‘채널’ 사이에 물리적 구조가 없어 세포 이동을 관찰하기에 용이하다. 그리고 하나의 칩에서 대조군(비교 채널 1)과 실험군(비교 채널 2)을 동시에 실험할 수 있어 약물의 비교 평가에 적합하다.

◎︎ 연구팀은 위 장점을 바탕으로 개발된 염증 모사 장기칩에 만성염증성 질환 환자의 혈장을 주입해 호중구의 이동을 민감하게 확인할 수 있었다.

◎︎ 기존의 연구는 주로 상용 장기칩을 이용해 호중구의 이동을 유도하거나 이를 관찰하는 수준에 머물렀다면, 본 연구는 이번에 개발한 장기칩에 만성 폐쇄성 폐질환 환자의 혈장을 사용해 호중구 이동을 직접 관찰할 수 있었다. 이에 따라 호중구의 이동 수량과 거리를 정교하게 비교하고 염증 수준을 확인할 수 있어, 환자의 염증 수준 분석 시 매우 효과적이다.

◎︎ 특히 글로벌 제약사에서 개발하던 임상 약물과 효과가 알려지지 않은 비임상 약물을 동시에 염증 모사 장기칩에서 평가한 결과 임상 약물이 더 효과가 좋다는 점을 확인했고, 실제 보고된 임상 효능과 유사한 결과를 확인할 수 있었다.

◎︎ 이번 기술 개발로, 관련 기업과의 적극적인 협업을 통해 인체 질환 모사 장기칩 기술과 이를 이용한 약물성 평가 관련 핵심기술을 선점하고 실용화 가능성을 높일 것으로 전망된다.

◎︎ 화학연 이영국 원장은 “실험동물로 대체하기 어려운 인체 질환의 모사를 통해 이번에 개발한 기술을 기초 의생명과학에 활용할 뿐만 아니라, 후속 연구로 더욱 발전시켜 신약 개발에 폭넓게 활용될 수 있기를 기대한다.”라고 말했다.

■︎ 이번 연구결과는 과학기술 분야 국제학술지 ‘어드밴스드 헬스케어 머티리얼즈(Advanced Healthcare Materials(IF : 10.0))’ 2023년 12월호 표지논문(Frontispiece)으로 게재됐다.

◎︎ 또한 이번 연구는 한국화학연구원 기본사업, 과학기술정보통신부 우수신진연구자 사업, 보건복지부 감염병 예방·치료 기술개발 사업의 지원을 받아 수행됐다.

 ■︎ 연구 결과 문답

 ■︎ 연구 관련 이미지 및 사진

[그림1] 어드밴스드 헬스케어 머티리얼즈 2023년 12월호 표지논문 선정

□ - 논문명(영) : A Comparative Inflammation-On-A-Chip with a Complete 3D Interface: Pharmacological Applications in COPD-Induced Neutrophil Migration

- 논문명(국) : 비교 평가가 가능한 3차원 인터페이스를 갖는 염증모사 장기칩: 만성 폐쇄성 폐질환에 의한 호중구 이동과 장기칩의 약리학적 응용

[그림2] 정상인/만성 폐쇄성 폐질환 환자의 호중구 혈관내피세포외 이동 모습

□ ▲(좌측) 정상인은 염증이 없을 때 호중구가 혈관 내에서만 돌아다니고, 혈관 밖으로 나가지 않는 반면, COPD(만성 폐쇄성 폐질환) 환자는 호중구가 혈관 너머 폐포로 이동하여 염증 발생을 촉진하고 질병을 악화시킴

▲(우측) 생체모사 장기칩에서 염증으로 인해 과도한 호중구 혈관 밖 이동(화학주성) 모습 모사

① 호중구가 염증 화학물질에 의해 유인됨

② 호중구가 혈관 벽으로 붙음

③ 호중구가 혈관 밖으로 탈출

④ 호중구가 폐로 이동 및 염증 조직을 과도하게 자극해 또 다른 심각한 염증 유발

...................(계속)

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