[논문]3차원 세포 배양 칩에 쓰이는 생체재료

최낙원

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최낙원 (한국과학기술연구원(KIST) 뇌과학연구소 바이오마이크로시스템연구단)

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문제 정의

특히 2011년 9월 미국국립보건원(NIH: National Institute of Health)에서 국방첨단연구원(DARPA: Defense Advanced Research Projects Agency), 식품약물관리원(FDA: Food and Drug Administration)과 공동으로 5년 동안 7,000만 달러 규모의 조직 칩 프로젝트(Tissue Chip Project)를 시작한다고 계획을 밝혔다. 이 프로젝트는 인간 생리학을 모사하는 생물공학적 조직 모델을 포함하는 3차원 인간 조직 칩 개발을 통해 약물 후보군의 안전과 효율성의 예측을 극대화하는 것을 목표로 하여 2012년 중반 미국 내 총 19개 대학 및 병원 연구팀들이 선정되어 진행 중이다. 따라서 기존에 개발된 세포/조직 칩 기술들과 더불어 이 분야의 활성화 및 발전이 더 이루어질 것으로 예상된다.

성능/효과

셋째, 칩 내에서 고형화된 하이드로젤 구조체가 수 일 또는 수 주의 배양 시간이 지남에 따라 뼈대가 되는 구조는 온전히 남아 있는 것을 선호한다(물론, 새로운 혈관 형성과 같은 응용 연구 분야에 따라 의도적으로 칩 내 주입된 하이드로젤 구조체의 부분적 분해를 유도하는 경우도 있다). 넷째, 생체 조직 칩 내 세포 배양이 진행되면서 세포-세포 외 기질, 세포 대사 활동 등의 영향으로 세포 독성을 내는 물질을 배출하는 생체재료의 선택은 피해야 한다.
둘째, 칩 혹은 몰드 내에 주입된 젤을 곧 채널과 몰드 내 패턴 모양대로 그 형태를 유지할 수 있도록 고형화 과정을 거치게 되는데 이때 고형화 조건이 세포에 독성을 미치지 않도록 해야 한다. 셋째, 칩 내에서 고형화된 하이드로젤 구조체가 수 일 또는 수 주의 배양 시간이 지남에 따라 뼈대가 되는 구조는 온전히 남아 있는 것을 선호한다(물론, 새로운 혈관 형성과 같은 응용 연구 분야에 따라 의도적으로 칩 내 주입된 하이드로젤 구조체의 부분적 분해를 유도하는 경우도 있다). 넷째, 생체 조직 칩 내 세포 배양이 진행되면서 세포-세포 외 기질, 세포 대사 활동 등의 영향으로 세포 독성을 내는 물질을 배출하는 생체재료의 선택은 피해야 한다.

후속연구

이 프로젝트는 인간 생리학을 모사하는 생물공학적 조직 모델을 포함하는 3차원 인간 조직 칩 개발을 통해 약물 후보군의 안전과 효율성의 예측을 극대화하는 것을 목표로 하여 2012년 중반 미국 내 총 19개 대학 및 병원 연구팀들이 선정되어 진행 중이다. 따라서 기존에 개발된 세포/조직 칩 기술들과 더불어 이 분야의 활성화 및 발전이 더 이루어질 것으로 예상된다.
앞서 언급한 여러 가지 고분자 하이드로젤들 중 원하는 응용 분야에 맞게 장점과 단점을 보완할 수 있도록 천연 고분자 하이드로젤과 합성 고분자 하이드로젤을 물리적으로 섞거나 혹은 화학적 결합을 통한 하이브리드 생체재료도 생체 조직 칩에 이용될 수 있다. 예를 들어, 콜라젠-PEG, 젤라틴-PEG을 이용하면 생물학적으로 용이한 성분을 추가하면서도 기계적 물성이나 광가교패터닝이 가능하도록 활용할 수 있다.
PEG에 세포를 심어 3차원 배양 등 다양한 생물학적 실험을 해오고 있는 대표적인 연구진은 콜로라도 주립 대학교에 앤세스(Anseth) 교수 연구팀이 있다. 천연 고분자 하이드로젤에 비해 상대적으로 생체 조직 칩에는 PEG의 활용도가 아직 크지 않은 면은 있으나 PEG 자체로서도 장기간 세포 배양, 생리학적/병리학적 모델 구축에 충분한 활용성을 발표한 연구 논문들이 상당 수 있으므로 앞으로 PEG을 이용한 생체 조직 칩도 더 많이 개발될 것으로 예상된다.
예를 들어, 콜라젠-PEG, 젤라틴-PEG을 이용하면 생물학적으로 용이한 성분을 추가하면서도 기계적 물성이나 광가교패터닝이 가능하도록 활용할 수 있다. 최근 들어, 조직구조체 내 세포 주위 미세환경 중 기계적 물성이 세포성장 및 조직 형성에 미치는 영향에 대해 점점 더 큰 관심이 생기고 있으므로 앞으로 다양한 조합을 통한 새로운 하이브리드 생체재료들이 개발되고 생체 조직 칩 기술과도 접목될 수 있을 것으로 예상한다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

PDMS 미세유체 칩 기반 세포 배양 칩은 어떤 방법인가?

생체 조직 칩은 크게 두 가지 유형으로 나뉘어 연구가 진행 중인데, 가장 널리 활용되고 있는 것은 하버드대학교 와잇사이즈(Whitesides) 교수 연구실에서 시작된 PDMS 미세유체 칩 기반 세포 배양 칩이다. 2000년대 초반 이래로 PDMS 미세유체 칩 내에 콜라젠(collagen)과 같은 하이드로젤을 주입하고 칩 내 미세유체 채널을 통해 세포 배양액, 성장 인자 등을 전달하여 세포를 배양하는 방법이다. 국내에서는 서울대학교 전누리, 고려대학교 정석 교수 연구팀이 가장 대표적으로 PDMS 미세유체 칩 기반 세포 배양 칩을 활발히 개발 중이다.

생체 조직 칩을 제작하는 데 주로 사용되는 생체재료는?

이 두 가지 유형의 생체 조직 칩을 제작하는 데 있어서 사용되는 생체재료는 대부분 천연 고분자 하이드로젤, 합성 고분자 하이드로젤, 또는 천연-합성 고분자 하이드로젤이 혼합된 형태인데 생체 조직 칩 제작 공정 및 온-칩 세포 배양의 관점에서 이들 생체재료를 선택하는 조건은 다음과 같이 요약할 수 있다. 첫째, 칩 외부에서 미리 젤 형태로 고형화 시키는 것이 아니라 세포를 미리 심거나 혹은 세포 없이 유체의 형태로 칩 내 미세유체 채널이나 마이크로 패턴이 조립된 몰드 안으로 주입이 용이하여야 한다.

생체 조직 칩 제작 분야에서 콜라젠의 활용 분야는?

최근 들어 국내외 생체 조직 칩 연구자들이 가장 많이 사용하고 있는 생체재료들 중 하나인데 이는 콜라젠이 동물 세포가 붙어 이동하거나 녹여내는 등의 세포들만의 리모델링도 용이한 물질이기 때문이다. 생체 조직 칩내 혈관 형성, 림프 노드 형성, 암조직 형성, 줄기 세포 배양, 신경세포 배양 등 활용 분야도 상당히 넓은 편이다. 기계적 물성 차원에서 실타래와 같은 구조를 갖고 있으므로 인장 강도는 높은 편이나 위에 언급한 생체재료들 중에서는 상당히 말랑한 편에 속한다.

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