장기온칩응용분야를위한미세유체기술
장기온칩이란무엇인가요?
장기 온칩(OOC) 기술(그림 1)은 미세유체 칩 내에서 세포(2D 또는 3D) 또는 조직 부분을 사용하여 인간 장기 수준의 기능이나 질병을 복제하는 것을 포함합니다. 미세유체 기술은 세포 환경을 정밀하게 제어하여, 세포에게 더욱 정확한 기계적 및 생화학적 신호를 제공합니다(1). 소량의 유체를 조작함으로써 이러한 모델들이 확장 가능하고 역동적인 세포 상호작용을 용이하게 합니다. 미세유체 기술과 OOC 기술을 결합함으로써 인간 장기 기능을 재현하고 인간 생리학 및 질병을 연구할 수 있습니다.
미세유체 칩 설계의 최근 발전은 길이 척도, 농도 구배, 유체 유도 기계적 힘과 같은 생리적 조건을 모방하기 위해 기하학적 형상과 구조를 활용합니다. 이러한 생체모방 플랫폼은 전통적인 조직 배양 모델의 많은 한계를 극복합니다.
그림 1: 살아있는 장기에서 장기 온칩까지(1).
장기온칩기술의응용분야
치료개발
장기 온칩 모델은 혁신적인 엔지니어링 방법과 재료를 통해 약물 스크리닝 및 개발에서 뛰어난 유연성을 제공합니다. 인간 유도 만능 줄기 세포(hiPSC)를 사용하여 개인 맞춤형 장기 모델을 만드는 연구에서 중요한 추세가 나타나고 있습니다. 이 모델들은 다공성 막을 사용하여 배양 웰을 미세유체 채널과 연결함으로써 복잡한 배양 설정 탐색을 용이하게 합니다. 이 구성은 공기-액체 인터페이스(ALI) 배양, 내피/상피 장벽, 그리고 세포 간 커뮤니케이션을 연구하는 데 이상적인 도구로 자리 잡고 있습니다.
신약개발
체외 장기 온칩 모델의 발전은 새로운 약물 후보물질에 대한 인간 반응 예측에 있어 유망합니다. 이러한 OOC 모델은 잠재적 약물로 인한 인체 독성을 정밀하게 예측하고 세부적으로 조사할 수 있는 길을 열어줍니다. 또한 관찰된 독성 효과에 대응하기 위한 새로운 치료 전략을 모색하는 데도 도움이 됩니다. 신약 개발 과정에서 이러한 모델에서 얻은 인사이트는 선도 화합물의 조기 식별, 수정 및 최적화를 지원하여 임상시험에서 성공 가능성이 높은 안전한 약물의 개발을 촉진합니다.
개인맞춤형의약품
장기 온칩 모델은 잠재적인 약물 관련 인간 독성을 정확하게 예측하고 조사하는 데 귀중한 자원입니다. 이를 통해 다양한 화학물질이 환자별 인체 조직에 미치는 영향을 심층적으로 평가할 수 있습니다. 또한 이러한 화합물과 관련하여 관찰된 유해한 영향에 대응할 수 있는 새로운 치료 방법을 모색할 수 있는 길을 열어줍니다. 신약 개발 여정에서 이러한 모델에서 얻은 인사이트는 조기 식별에 도움이 될 뿐만 아니라 선도 화합물의 수정 및 최적화를 가능하게 합니다. 궁극적으로 이러한 접근 방식은 더 안전한 약물의 개발을 촉진하여 엄격한 임상시험에서 성공 가능성을 높입니다.
장기온칩응용분야를위한정밀유체조작
정확한 유체 처리는 생리적 조건의 정확한 시뮬레이션을 보장하고 다양한 실험 설정을 가능하게 하는 장기 온칩 응용분야의 핵심 요소입니다. OOC 응용분야에서 정밀한 유체 조작을 달성하기 위해, 마이크로 펌프, 밸브, 미세유체 채널과 같은 미세유체 구성 요소를 사용합니다. 이러한 시스템을 통해 연구자들은 유량, 구배, 유체 구성의 동적 변화를 제어할 수 있어 칩에서 장기와 조직을 연구할 때 보다 생리적으로 관련성이 높은 환경을 제공할 수 있습니다.
OOC 모델에서 정밀한 유체 조작이 왜 중요한가요?
생리적 조건 모방
장기 온칩 장치는 인간 장기의 동적인 미세환경을 정확히 복제하기 위해 유체 흐름에 대한 정밀한 제어가 필요합니다. 이러한 제어를 통해 세포가 인체와 유사한 유체 전단 응력과 구배를 경험할 수 있습니다.
세포 상호작용 연구 및 조직공학
정확한 유체 조작을 통해 질병과 약물 반응을 이해하는 데 필수적인 내피-상피 상호작용이나 혈뇌 장벽과 같은 세포 상호작용 연구가 가능합니다. 또한 칩 내에서 영양소나 신호 분자의 구배를 만들어내어, 공학적으로 조성된 조직의 성장과 성숙을 촉진하는 데 있어 중요합니다.
약물 테스트 및 개발
적절한 유체 처리는 특정 농도와 비율로 약물이나 화합물을 전달함으로써, 정밀한 약물 테스트와 효과 및 독성 검사를 가능하게 합니다.
자동화 및 대량 처리 스크리닝
정확한 유체 조작 시스템은 자동화될 수 있으며, 이를 통해 대량 처리 실험 및 화합물이나 조건의 스크리닝이 가능해집니다.
OOC 모델 예시
폐 온칩 – 최초의 OoC
혁신적인 인간 폐 온칩(그림 2)은 세포 또는 조직 기능에 주로 초점을 맞춘 이전 모델을 뛰어넘어 통합된 생리적 및 병리 생리학적 반응을 복제함으로써 장기 온칩(OoC) 기술을 재정의했습니다. 이 선구적인 장기 모델은 미세 다공성 막으로 분리된 두 개의 병렬 마이크로채널(하나는 인간 폐 상피 세포로, 다른 하나는 인간 내피 세포로 구성)을 갖추고 있습니다.
세포 융합이 이루어지면 상피 구획에 공기가 유입되어 공기-액체 인터페이스가 생성되어 폐포의 공기 공간 내벽을 모방합니다. 이러한 구획화된 마이크로 디바이스 설계를 통해 상피와 내피에 대한 유체 흐름, 세포 전달, 영양분 분배를 독립적으로 정밀하게 조작할 수 있습니다.
그림 2: 생물학적으로 영감을 받은 인간 호흡 폐 칩 마이크로 디바이스 설계(2).
장 온칩
소장과 대장 모두에 대해 기저 내피가 있거나 없는 장 상피 세포를 활용하는 몇 가지 혁신적인 장기 온칩(OoC) 기술 모델이 개발되었습니다. 이 모델들은 다양한 질병을 재현하고 약물 대사 및 독성을 연구하는 두 가지 목적을 가지고 있습니다.
소장 온칩에서 동적 유체 흐름은 융모 형성과 잔 세포 생성을 촉진하는 핵심 요소로 확인되었으며, 대장 칩에서 보호 점액층 형성을 촉진하는 것으로도 밝혀졌습니다. 또한 최적의 조직 분화를 위해서는 연동 운동과 유사한 기계적 움직임을 모방하는 것이 중요합니다. 예를 들어, 대장 온칩 모델에서 주기적인 기계적 스트레칭과 유체 흐름 개선은 이질 박테리아를 예로 들어 박테리아 성장을 지원했습니다.
종양 온칩
종양 온칩 모델은 종양학 연구에서 강력한 도구로 빠르게 부상하고 있습니다. 이러한 혁신적인 시스템은 생화학적 구배, 틈새 인자, 복잡한 세포 상호 작용, 종양과 기질 세포로 구성된 복잡한 조직 구조 등 종양 미세환경(TME)의 중요한 요소를 효과적으로 복제합니다(3). 종양 온칩 설계는 조직 간 인터페이스를 재창조하는 것을 목표로 하며, 암의 침입과 전이 동안 복잡한 상호작용을 복제하는 데 있어 핵심적입니다. 예를 들어, 대사 구배에 대한 세포 반응을 조사하는 등 TME를 조작하고 종양 세포의 행동을 탐구하기 위해 수많은 모델이 고안되었습니다. 생체 내 저산소 환경에서 종양 세포의 대사와 약물 내성을 이해하는 것도 TOC 모델 사용의 관심을 보여주는 또 다른 예입니다. 이 혁신적인 플랫폼은 종양 행동의 중요한 측면을 밝히고 관련 과제를 극복하기 위한 전략을 고안할 수 있는 가능성을 제공합니다.
OOC 분야에대한 Fluigent의기여
Fluigent의 사명은 특히 역동적인 장기 온칩 기술 분야에서 과학적 진보를 촉진하는 데 있습니다. 선두에 서서 연구를 발전시킬 수 있는 새로운 방법을 지속적으로 모색하고 과학적 탐구의 경계를 재정의하는 혁신적인 솔루션을 개척하기 위해 노력하고 있습니다.
또한 장기 온칩 환경을 혁신하는 발전을 주도하기 위해 노력하고 있습니다. 연구자들이 생물학적 시스템을 더욱 정밀하고 효율적으로 탐구할 수 있도록 지원하는 혁신적인 솔루션을 소싱하고 제공하는 데 전념하고 있습니다.
References
- Wu, Q.; Liu, J.; Wang, X.; Feng, L.; Wu, J.; Zhu, X.; Wen, W.; Gong, X. Organ-on-a-chip: Recent breakthroughs and prospects. Biomed. Eng. Online 2020, 19, 9.
- Huh, D. et al. Reconstituting Organ-Level Lung Functions on a Chip. Science (1979) 328, 1662– 1668 (2010).
- Imparato, G., Urciuolo, F. & Netti, P. A. Organ on Chip Technology to Model Cancer Growth and Metastasis. Bioengineering 9, 28 (2022)