| 초록 |
□ 연구개요 간의 다양한 효소에 의한 대사작용과 심장 상태에 따른 혈액순환은 약물의 대사 및 세포 조직의 상태에 크게 영향을 미치며 신체 내 약물 효과를 결정하는 중요한 요소가 된다. 본 연구는 기존의 치료제 스크리닝 시스템에서는 불가능한 심장-간 네트워크 기반 다중 장기 네트워크와 다양한 생리학적인 배양액 흐름 환경을 체외(In vitro)에서 구현할 수 있는 신체 모사 칩 (Body-on-a Chip (BoC)) 시스템 개발을 목적으로 한다. 단위 장기 모델 구현이 아닌 심장-간 모델 네트워크를 단일칩에서 구성 및 배양 할 수 있으며, 또한 배양액 흐름 속도에 따른 심장 모델의 심박수를 주기적으로 관찰하면서 복수의 장기/조직들의 상호작용 및 생리학적 배양 환경에서 약물을 평가할 수 있으며, 약물동역학 관련 기초적이고 종합적인 정보를 얻을 수 있다. 이를 기반으로 개인 맞춤형 치료제의 효율적 개발 및 나아가서는 동물실험을 대체할 수 있는 차세대 약물 스크리닝 시스템 구현을 목표로 한다. □ 연구 목표대비 연구결과 1.3D 심장, 간 마이크로 조직 제작 - Human iPS cell을 사용하여 200~250μm 구형 크기의 마이크로 조직을 제작하였음. 심장 모델의 경우 박동 기능을 확인하였고, 간 모델의 경우 대표적인 대사물질인 알부민 분비를 확인하였음. 2.3D 심장-간 네트워크 칩 개발 미세유체 채널로 연결되어 있는 3D 마이크로 조직 챔버로 구성되어 있는 미세유체 칩 개발. 3D 마이크로 조직을 공간적으로 분리하며 유체역학적으로는 연결되어 상호작용을 볼 수 있는 네트워크 배양 칩 개발되었음. 3.3D 마이크로 조직 형태학적 분석 프로그램 개발 컨볼루셔널 인공신경망을 기반으로 3D 마이크로 조직의 형태학적 변화를 자동 측정 및 분석할 수 있는 알고리즘 개발. 3D 마이크로 조직의 크기, 박동 특성을 성공적으로 분석. 4.3D 마이크로 조직 네트워크 칩의 미세유체 흐름 제어 시스템 개발 외부 펌프, 온칩 소형 펌프, 중력기반 미세유체 흐름 제어를 통해 다양한 방법으로 미세유체 흐름을 제어할 수 있는 시스템을 개발하였음. 현미경 기반 3D 마이크로 조직의 특성을 측정하며 미세유체 흐름 제어 시스템으로 피드백을 지속적으로 보내는 closed-loop control 시스템을 통해 미세유체 흐름을 제어하였음. 미세유체 흐름에 따라 3D 심장 마이크로 조직의 박동 수가 변화됨을 확인하였음. 5.3D 마이크로 조직 네트워크 칩 내 배양 평가 3D 심장, 간 마이크로 조직을 개발한 미세유체 네트워크 칩 내에서 7일 이상 배양한 결과 기능과 viability의 감소가 발견되지 않아 성공적으로 배양됨을 확인하였음. 6.3D 심장-간 네트워크 기반 약물 평가 간-심장 간의 상호작용 하에서 작동하는 전구체 약물(Terefenadine)이 간에 의해 성공적으로 대사변환하여 심장 마이크로 조직에 영향을 끼치는 것이 확인되었음. 이를 통해 3D 심장-간 네트워크가 체외에서 성공적으로 형성되었음을 확인하였음. □ 연구개발성과의 활용 계획 및 기대효과(연구개발결과의 중요성) 치료제 개발 시 전임상시험(Preclinical test)들을통과한 치료제 후보 물질 중 80~90%이상이 임상시험에서 실패하고 있으며, 이로 인해 신약 개발 비용이 1조원 이상을 넘어서고 있다. 기존의 2차원 세포 배양 및 동물실험 기반 전임상시험들은 신체 내 치료제의 부작용 및 효능을 정확하게 예측하지 못하고 있는 실정이다. 또한 동물 실험을 줄이기 위한 3R (Replace, Reduce, Refine animal testing) 운동 역시 활발히 일어나고 있다. 실제로 2013년부터 유럽연합 EU는 화장품 관련 개발에서 동물 사용을 전면적으로 금지하였으며 국내에서도 화장품 동물 실험 금지 법안이 2015년 발의된 상태이다. 이러한 이유들로 신약, 화장품과 같은 물질의 신체 내 안전성 및 효능을 정확하게 예측하여 치료제 개발의 효율을 높이고, 나아가서는 동물 실험을 대체 혹은 보완 할 수 있는 인간 신체 모사 시스템에 대한 요구가 크게 높아지고 있는 상황이다. 특히, 간의 대사작용과 심장에 의한 혈액순환이 체내 약물 효과 및 세포, 조직 상태에 큰 영향 미치는데, 예를 들어 대사약물(Pro-drug)은 간의 대사작용에 의해 항암기능 약물로 변화되며, 심근세포가 약물의 영향을 받으면 혈액흐름에 변화가 생기며, 이러한 유체흐름 변화는 심장의 박동수 및 다른 조직 및 세포의 상태에영향을준다.그러므로심장-간네트워크기반복합적,역동적생리학적환경은약물스크리닝에매우중요하다. 이를 해결하기 위해 3차원 세포 배양 및 장기 모사 칩 (Organ-on-a-Chip)에 대한 연구가 시작되었으나 주로 단일 장기 모델의 제한적인 기능만을 모사하여, 단일칩 상에서 다중 장기 네트워크를 형성하기 어려우며 인체 내 장기들 간의 상호작용을 모사할 수 없다. 이로 인해 체외에서 다중장기네트워크를형성후다양한장기들을 함께배양하기위한조건최적화가기본적이며필수적인데, 이에 대한 연구를 진행하기 어려운 상황이다. 또한 수동적인 미세유체 흐름 제어 시스템으로 인해심박수변화에따른역동적이고능동적인배양액 흐름제어를구현하기어렵다. 단일칩에서 심장-간 네트워크 기반 다중 장기 네트워크를 형성하고 단순한 방식으로 생리학적인 flow dynamics를 구현할 수 있는 본 연구의 신체모사 칩은 신약 개발의 효율을 크게 향상시키고 맞춤형 치료제와 같은 정밀 의학을 위한 차세대 치료제 개발에도 기여할 것이며, 나아가 동물실험 대체시험시스템으로사용되어질수있다. (출처 : 연구결과 요약문 2p) |
