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장기 모사체를 이용한 약물의 검증에 관한 연구





곽봉섭(동국대 의공학교실)

개인맞춤형 의학의 필요성
  미국국립보건원에 따르면 미국 식품의약국의 승인을 받은 항암제는 2020년 현재 560개 이상에 이른다. 항암제는 잘 확립된 프로토콜에 따라 적용되지만 환자 개인의 나이, 신체조건, 성별, 유전적 특성 등에 따라 같은 약물에서도 다른 효과를 보일 수 있다. 환자의 조직을 채취하여 생체 검사(Biosy)를 수행하지만 환자의 고통을 수반하거나 채취가 불가능한 조직, 한정된 조직 시료 등으로 인하여 다종의 약물에 대한 효과를 검증하여 개인에 적합한 약물을 찾을 수 없는 한계가 있다. 최근 환자 개인의 특성에 따른 맞춤형 의학을 위하여 유전자형(Genotype) 기반의 검증법이 활용되고 있으나 유전자가 발현되지 않을 가능성이 있어 유전자형 기반 검증법은 한계가 있다. 이에 표현형(Phenotype) 기반의 개인맞춤형 약물 검증법에 대한 필요성이 높아지고 있다. 대표적인 표현형 기반의 검증법은 환자 유래 이종이식(Patient derived xenograft)을 통한 마우스 모델의 제작 및 검증법이 사용되고 있지만 평균 검증 기간이 6개월~12개월로 긴급한 적용이 필요한 질병에 적합하지 않으며 약물 평가 비용이 환자 당 최대 1억원에 이르러 적용에 한계가 있다. 또한 반복적 계대 과정으로 인하여 분자유전학적 특성이 변화될 수 있으며 동물실험에 따른 윤리적 문제를 수반한다.
3차원 조직 제작의 필요성
  세포는 2차원 단일막(Monolayer) 형태로 자라는 특성이 있다. 하지만 우리 인체는 3차원으로 이루어져 있으며 3차원 형태에 기인한 물리적, 생화학적 특성이 있다. 예를 들어, 종양의 경우 정상 조직과 비교하여 높은 세포외기질(Extracellular matrix) 농도를 보이며, 간질액의 압력(Interstitial fluid pressure)이 높은 특징이 있으며 세포의 밀도가 높아 저산소중심부(Hypoxic core)가 발달하며 이로 인한 괴사중심(Necrotic core)이 형성되는 특징이 있다. 최근 약물전달시스템(Drug delivery system)의 발전으로 약물을 효과적으로 목적 질병부까지 운반하여 치료효과를 높이는 방법들이 고안되고 있으나 아직까지 주입 약물 대비 목적 질병부에 운반되는 약물은 전체 주입량의 5%를 넘지 않는 한계가 있다. 이는 앞서 언급한 3차원 조직의 세포밀도, 세포외기질, 압력 균형(Pressure balance) 또는 발현 단백질(Tight junction, Adherens junction, Desmosome 등) 등의 물리적, 생화학적 방해요소에 기인할 것으로 예상된다. 따라서 환자 개인으로부터 유래한 세포를 이용하여 인체 내의 질병 모델 또는 정상조직 모델을 3차원으로 정밀하게 모사하여 다종의 약물에 대한 효과를 치료 처방에 앞서 검증할 수 있다면 환자 개인에 가장 적합한 약물을 찾아 치료의 효과를 극대화할 수 있다.
3차원 조직 제작 방법
  2차원으로 자라는 세포를 3차원 형태의 조직으로 제작하기 위하여 다양한 방법들이 활용되고 있다. 가장 널리 활용되는 방법은 현적배양법(Hanging drop)으로 세포가 포함된 용액을 공중에 매달아 배양함으로써 부착면이 없는 조건을 제공하여 3차원의 형태로 제작하는 방법이다. 현적배양법은 배양용 플레이트를 이용하여 간단히 제작할 수 있는 방법이지만 제작 수율이 낮은 한계(~384drops/plate)가 있다. 미세한 원형의 구멍(Microcavity) 구조를 가지는 플레이트를 이용하여 제작하는 방법이 사용되고 있으나 역시 제작 수율이 낮은 한계(~645wells/plate)가 있다. 최근 세포의 유착방지 처리가 된 표면을 이용하여 세포를 배양할 경우 3차원 조직이 형성되는 비접착표면(Anti-adhesion surface)이 사용되고 있으나 3차원 조직의 크기나 형태를 제어할 수 없는 한계가 있다. 수상용액(Aqueous phase solution)과 유상용액(Oil phase solution)이 표면장력(Surface tension)의 차이로 서로 섞이지 않는 원리를 이용한 액적기반 미세유로(Droplet-based microfluidics)를 이용하여 수상용액 내 세포가 포함된 액적(Cell encapsulated droplet)을 다량 생산하고 배양을 통한 3차원 조직을 형성하는 기술이 개발되었다. 액적기반 3차원 조직의 생산법은 액적 당 세포의 개수를 정밀하게 조절할 수 있어 균일한 형태의 3차원 조직을 생산할 수 있으며 최대 30,000개(10,000,000개 세포기준, 조직 직경 100μm 기준)의 3차원 조직을 대량 생산할 수 있으나 액적 내 세포배양액을 교체할 수 없어 장기 배양(>24h)이 불가능한 한계가 있다.

그림1. 3차원 조직 제작을 위한 대표적인 방법의 비교.
조직온어칩(Organ-on-a-chip) 기술의 현황
  3차원 조직은 2차원 세포 단일막과 비교하여 체 내 조직과 유사한 약물에 대한 반응을 보이는 특징이 있다. 하지만 체내 환경은 3차원 조직과 함께 주변의 미세환경(Microenvironment)을 포함하고 있으며 이러한 미세환경 역시 약물의 운반, 약물에 대한 반응에 큰 영향을 미친다. 종양을 예로 들면 신생혈관생성(Angiogenesis)을 통하여 매우 발달된 혈관 체계를 가지고 있으며, 미세한 (평균 400nm) 혈관 내피세포의 공극(Endothelial cell-cell gap)을 가진다. 이와 더불어 림프관이 형성되어 있으며 림프관을 통한 배출(Lymphatic drainage)이 이루어진다. 또한 이종의 기질세포(Stromal cells) 환경이 있으며 이런 다양한 미세환경이 물리적, 생화학적으로 유기적인 관계를 형성하고 있다. 따라서 보다 정밀한 약물에 대한 효과를 검증하기 위해 이러한 주변 미세환경의 복잡한 특성까지도 고려가 되어야 한다. 최근 관련 연구진들은 인체 내 다양한 대상 장기의 핵심 기능을 미세유로 기반(Microfluidics based)으로 한 시스템으로 구현하는 조직온어칩(Organ-on-a-chip) 기술을 개발하고 있다. 예를 들어, 하버드 대학 Wyss Institute의 Donald E. Ingber 교수팀은 폐포와 혈관, 호흡으로 인한 폐의 움직임 모사가 가능한 폐온어칩(Lung-on-a-chip)을 개발하여 공기 중의 전염성 박테리아의 감염과 혈액 내 면역 세포의 상호작용을 모사할 수 있는 시스템을 개발하였다. 또한 장과 장의 연동운동을 모사한 장온어칩(Gut-on-a-chip)을 개발하여 장의 흡수 기능을 모사할 수 있는 시스템을 개발하였다. 최근 펜실베니아주립대학교의 허동은 교수팀은 각막, 결막, 눈물샘 및 눈꺼풀의 움직임을 모사한 눈온어칩(Eye-on-a-chip)을 개발하여 시각상 반응(Ocular responses)를 검증할 수 있는 시스템을 개발하였다. 이러한 장기 모사체를 이용한 장기의 모사, 약물의 검증에 대한 가능성을 기반으로 미국국립보건원(National Institutes of Health, NIH)은 2014년부터 연간 1,700만 달러 규모의 연구비를 조직온어칩 기술 개발에 투자하고 있으며 현재까지 조직온어칩으로 모사한 대상 장기는 표1과 같다. 이에 맞춰 최근 국내에서도 과학기술정보통신부, 산업통상자원부, 보건복지부, 식품의약품안전처의 지원을 통하여 다양한 장기 모사체, 조직온어칩에 대한 연구 지원이 이루어지고 있어 국내에서도 가까운 시일에 다양한 장기 모사 시스템의 개발이 이루어질 전망이다. 개발된 장기 모사 시스템은 신약 개발 과정에 적용하여 비임상 시험 단계로 넘어가기 전 개발후보물질의 정밀한 검증 과정에 응용하거나 앞서 언급한 환자 개인맞춤형 최적 약물의 검증에 응용할 수 있을 것으로 기대된다

표1. 현재 개발된 조직온어칩의 대상 장기 종류 및 모사 기능
References

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