연구성과

기계 김동성 교수팀, 융털까지 모사하는 인공 장 모델 개발

2021-09-17 606

[다수의 3차원 융털 구조 체외 장 모델을 동시다발적으로 구현하는 혁신적 배양 시스템 제안]

우리 몸의 장 상피는 무수히 많은 수의 길쭉하게 솟은 융털 구조로 이루어져 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.

본교 연구팀이 다수의 상용 세포배양 인서트에서 장 상피 세포들이 동시에 3차원의 융털 구조를 형성하게 하는 혁신적인 배양 시스템을 개발했다.

기계공학과 김동성 교수, 석사과정 정현범 씨, 통합과정 윤재승 씨 연구팀은 텍사스주립대학교(University of Texas at Austin) 김현중 교수 연구팀과 공동연구를 통해 인간 장 상피 세포의 3차원 융털구조 형성을 동시에 재현할 수 있는 다중 배양 시스템(BASIN*1)을 개발했다. 이번 연구성과는 영국왕립화학회에서 발간하는 미세유체역학 및 마이크로타스(microTAS) 분야의 권위 국제학술지인 ‘랩온어칩(Lab on a Chip)’에 표지 논문(Back cover)으로 게재됐다.

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 시스템 이지만, 인서트 하단부의 효율적인 대류 유동 구현을 통해 장 상피 세포의 몰포겐(morphogen)*2 억제제를 제거해 24개의 상용 세포배양 인서트에서 동시다발적으로 장 형태 형성을 유도할 수 있도록 했다.

그 결과, BASIN에서 배양된 Caco-2*3 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.

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

이 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단 중견연구사업, 나노·원천기술개발사업의 지원을 받아 수행됐다.


1. BASIN
basolateral convective flow-generating multi-well insert platform 의 약자

2. 몰포겐
발생 도중의 세포에 작용하여 장래의 구조를 결정하는 화학 물질

3. Caco-2 Cell
인간 대장 선암 세포의 불멸화 된 세포주로, 주로 장 상피 장벽의 모델로 사용되는 세포