융털까지 모사하는 인공 장 모델 개발

이재혁 / 기사승인 : 2021-09-18 15:03:03
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다수의 3차원 융털 구조 체외 장 모델 동시다발적으로 구현하는 배양 시스템 제안
▲ 이번 연구성과는 미세유체역학 및 마이크로타스 분야 국제학술지 ‘랩온어칩’에 표지 논문으로 소개됐다. (사진= 포스텍 제공)

국내 연구진에 의해 융털까지 모사하는 인공 장 모델이 개발됐다. 특히 대량 생산이 가능해 향후 약물 평가 모델로서 신약 개발 등에 활용될 것으로 기대된다.

포스텍(POSTECH)은 기계공학과 김동성 교수 연구팀과 텍사스주립대학교(University of Texas at Austin) 김현중 교수 연구팀이 공동연구를 통해 다수의 상용 세포배양 인서트에서 장 상피 세포들이 동시에 3차원의 융털 구조를 형성하게 하는 혁신적인 배양 시스템을 개발했다고 16일 밝혔다.

우리 몸의 장 상피는 무수히 많은 수의 길쭉하게 솟은 융털 구조로 이뤄져 있으며 이 융털 구조는 내벽의 총면적을 증가시켜 소화된 영양분을 더 잘 흡수하게 하는 역할뿐 아니라 장벽의 항상성 및 장 내 미생물과의 공생에도 중요한 역할을 한다.

이러한 융털 구조의 중요성에도 불구하고 체외에서 장 상피 세포를 배양할 경우 장 상피 세포들이 융털 구조를 형성하지 않아 실제 장의 구조 및 기능을 닮은 체외 인공 장 모델 개발에 어려움이 있었다.

이에 연구팀은 인간 장 상피 세포의 3차원 융털구조 형성을 동시에 재현할 수 있는 다중 배양 시스템(BASIN)을 개발했다.

지금까지 장 상피 세포의 형태 발생을 유도해 실제 장과 유사한 3차원 융털 구조와 기능을 갖는 배양 플랫폼(Organ-on-a-chip 등)이 개발된 바 있지만 대부분 매우 복잡한 구성을 가져 체외 모델을 대량으로 구현하기 힘들고 장치 사용도 어렵다는 한계가 있었다.

연구팀은 많은 표본에서 장 상피 세포의 형태 발생을 동시다발적으로 유도하는 것에 초점을 두고 실제 장의 구조와 기능과 유사한 체외 장 모델 개발에 주력했다.

연구팀이 개발한 BASIN은 24개의 상용 세포배양 인서트와 실험실에서 흔히 볼 수 있는 오비탈 셰이커(Orbital shaker), 대류 형성을 가능케 하는 개방형 기저측 챔버(Basolateral chamber) 세 가지 구성으로만 이루어진 아주 간단한 시스템이지만 인서트 하단부의 효율적인 대류 유동 구현을 통해 장 상피 세포의 몰포겐(morphogen) 억제제를 제거해 24개의 상용 세포배양 인서트에서 동시다발적으로 장 형태 형성을 유도할 수 있도록 했다.

그 결과 BASIN에서 배양된 Caco-2 인간 장 상피 세포들은 융털과 유사한 3차원 구조를 이루며 자랐고 실제 장의 융털과 유사한 세포 특성 분포를 나타내는 것을 확인했다.

또한 BASIN을 사용해 외부 화학 물질이 장 상피에 미치는 영향을 조사하고 장 누수 증후군 등 장 질환 연구 모델 개발 등 실용적 적용 가능성을 검증했다.

포스텍 김동성 교수는 “장 상피 세포의 3차원 융털 구조 형성을 다수의 세포배양 인서트에서 동시다발적으로 재현했으며 특히 상용 제품과의 호환성을 극대화해 누구나 쉽게 사용할 수 있도록 했다”고 밝혔다.

이어 김 교수는 “실제 장의 구조와 기능이 유사한 체외 장 모델의 대량생산 가능성은 약물 평가 모델로서 신약 개발 등에 활용될 수 있다”고 기대감을 밝혔다.

과학기술정보통신부·한국연구재단 중견연구사업, 나노·원천기술개발사업의 지원을 받아 수행된 이번 연구의 성과는 영국왕립화학회에서 발간하는 미세유체역학 및 마이크로타스(microTAS) 분야의 권위 국제학술지인 ‘랩온어칩(Lab on a Chip)’에 표지 논문(Back cover)으로 게재됐다.

메디컬투데이 이재혁 (dlwogur93@mdtoday.co.kr)

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