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인공장기 손상없는 정밀 측정으로 지방간 신약 개발 돕는다

- 비알콜성 간 질환 신약 개발 시, 미니 인공장기의 조직 강도를 매우 약한 압력으로 눌러 분석 가능

- 지방이 축적된 간 모델에서 미세한 지방 밀집 부위를 정확히 찾고, 배양액 속 살아있는 상태에서 정밀 측정

- 간 질환 대응 약물 효과 평가, 의료 연구 분야에서 널리 활용 가능

 □ 국내 연구진이 지방간 치료 신약의 약효 평가에 활용 가능한 질환 모델 인공장기 및 비파괴 경도 분석 기술을 개발했다.

  ◯ 한국화학연구원(원장 이영국) 김현우, 배명애 박사팀은 비알콜성 지방간 질환을 모사한 인공장기를 개발하고, 세포 손상을 최소화하며 조직의 특정 부위 강도를 정량적으로 측정할 수 있는 나노 탐침 기반 분석 기술을 개발했다.

□ 비알콜성 지방간은 술을 마시지 않더라도 과도한 식사나 운동 부족 등으로 인하여 간 세포에 지방이 쌓여 물렁해지면서 시작된다. 나중에는 콜라겐 같은 섬유성 물질이 과다 생성되어 단단해지는 간경화를 거쳐 간암 등 목숨을 위협하는 질병으로 발전할 수도 있다. 따라서 비알콜성 간질환 치료 신약 개발 시, 초기 단계인 지방간 상태에서부터 치료 약물을 찾는 것이 중요하다.

  ◯ 간 질환 신약 개발은 질환을 모사한 인공장기에 후보약물을 투입하고 이에 대한 반응을 측정 분석하는 과정이 반복된다. 기존의 검사 방법은 질환 모델 인공장기의 전체 부위를 파괴될 때까지 누르면서 간 조직의 딱딱한 정도(경도)를 측정했다. 이에 따라 살아있는 상태에서 계속적인 측정이 불가능하며 특정 위치의 경도 정보를 얻을 수도 없었다.

□ 연구팀은 지방간 질환 상태로 만든 간 오가노이드(인공 장기)가 살아있는 상태로 측정할 수 있는 기술을 개발했다. 나노 단위의 미세한 압력으로 좁은 영역을 선택적으로 누르고 측정값을 분석하는 계산식을 개발해, 인공장기를 파괴하지 않고 위치별 경도를 정량 측정할 수 있었다.

  ◯ 연구팀은 우선 지방이 쌓인 곳에서 강한 빛이 나오도록 인공장기에 형광염료를 염색해 위치를 먼저 찾았다. 그리고 해당 부위에 ‘매우 작은 막대기(나노 탐침)로 미세 압력을 가하는 방식’을 택했다.

  ◯ 나노 탐침이 인공장기를 누를 때 휘어지는 정도는 탐침 표면의 레이저 반사를 통해서 정밀 측정했다. 측정 결과를 연구팀이 개발한 수학적 계산식으로 분석하면, 지방 축적에 따른 경도 변화를 영률(Young’s modulus)이라는 정량적 수치로 측정하는 것이 가능하다.

  ◯ 무엇보다 기존 방식은 인공장기를 고정시키느라 약품 처리해 죽였던 반면, 이번 나노 탐침 기술은 인공장기가 계속 살아있는 상태를 유지할 수 있는 배양액 내에서 적용이 가능하다. 또한 5마이크로미터 내외의 얕은 깊이만 누름으로써 간 조직에 손상을 전혀 주지 않는다.

  ◯ 새로 개발한 ‘나노 탐침 경도 측정 기술’을 비알콜성 지방간 모델 오가노이드에 적용한 결과, 형광 빛이 강한 지방 축적 부위의 경도는 형광 빛이 약한 부위에 비해 영률 기준으로 약 35% 물렁한 결과를 보였다. 즉 원하는 부위만 정확히 찾아낸 것이다.

  ◯ 지방 축적 형광 영상을 통해 측정 위치를 찾은 결과, 전체 측정 시간은 무작위 측정 방식에 비해 절반 이상 단축되었다. 또한 측정 후 간세포 생존율이 97% 이상 유지되는 등 손상이 최소화됨도 확인했다.

□ 연구팀은 향후 하나의 인공장기를 손상없이 계속 사용하며 간 질환 진행 상황을 단계별 연속 측정하는 약물 효능 평가 기술도 만들 계획이다.

  ◯ 연구진은 “지방간 신약 개발 시 질환 모델의 변화를 간편하게 분석 가능”하다고 밝혔고, 화학연 이영국 원장은 “간 질환뿐 아니라 다른 질환의 신약 개발 과정에도 널리 응용될 것으로 기대된다.”고 말했다.

  ◯ 이번 논문은 2024년 12월 국제 학술지 ‘ACS 생체재료 과학 및 공학(ACS Biomaterials Science and Engineering(IF: 5.5))’에 게재되었다. 화학연 김현우·배영애 박사가 교신저자로, 신대섭 연구원이 1저자로 참여했다. 이번 연구는 화학연 기본사업, 산업통상자원부 “3D-조직 칩 기반 신약발굴 플랫폼 기술개발사업”의 지원을 받아 수행됐다.

 □ [그림 1] 나노탐침을 이용한 지방간 질환모델 인공장기의 비파괴 경도 측정 분석 기술

□ [그림 2] 지방 축적 위치에 따른 인공장기의 딱딱한 정도 차이 측정 기능

□ [그림 3] 나노탐침 경도 측정 후 간 세포 생존율 분석

□ [그림 4] 주요 연구진 사진(왼쪽부터 배명애 책임연구원(교신저자), 신대섭 연구원(1저자), 김현우 책임연구원(교신저자))

□ [그림 5] 신대섭 연구원(1저자)이 지방간 상태를 따라한 오가노이드(미니 인공장기 세포)가 들어 있는 배양액을 배양접시에 옮기고 있다

□ [그림 6] 신대섭 연구원(1저자)이 지방간 오가노이드(미니 인공장기 세포)가 담긴 접시를 배양 장비에 넣고 있다

□ [그림 7] 신대섭 연구원(1저자, 왼쪽)과 김현우 책임연구원(교신저자)이 지방간 오가노이드(미니 인공장기 세포)의 상태를 살펴보고 있다

□ [그림 8] 김현우 책임연구원(교신저자)이 지방간 오가노이드 부위 중, 지방 밀집 부분을 염색해서 빛나는 부위를 살펴보고 있다

□ [그림 9] 김현우 책임연구원(교신저자)이 지방간 오가노이드의 부드럽고 딱딱한 정도를 미세하게 누르는 탐침 장비로 정밀 측정하고 있다

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