생체환경 재현한 ‘장기칩’ 치매 치료 연구에 도움
생체환경 재현한 ‘장기칩’ 치매 치료 연구에 도움
  • 황교진 기자
  • 승인 2024.06.18 11:25
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UNIST 박태은·권태준 교수 연구팀, 혈액-뇌 장벽(BBB) 재현 장기칩 연구
동물실험 대체할 장기칩, 정확한 생체모사로 약물 전달 효율 극대화
UNIST 박태은·권태준 교수팀: (앞줄 왼쪽부터 시계방향) 공동 1저자 김경하 연구원, 주진명 교수, 권태준 교수, Jonathan Sabaté del Río 연구원, 공동 1저자 최정원 연구원, 박태은 교수 / UNIST
UNIST 박태은·권태준 교수팀: (앞줄 왼쪽부터 시계방향) 공동 1저자 김경하 연구원, 주진명 교수, 권태준 교수, Jonathan Sabaté del Río 연구원, 공동 1저자 최정원 연구원, 박태은 교수 / UNIST

약물치료 효과를 극대화하려면 장기(臟器)와 혈관의 생체환경에 최적화된 약물 전달 기술이 필요하다. UNIST 연구팀이 ‘장기칩(Organ on a Chip)’ 기술을 이용해 약물 전달 효율을 극대화하는 방법을 내놓았다.

박태은 UNIST 바이오메디컬공학과 교수와 권태준 교수 연구팀은 쥐의 생체 세포를 배양해 혈액-뇌 장벽(Blood-Brain Barrier, BBB)을 재현한 장기칩이 치료 약물의 투과율을 높일 수 있음을 입증했다. 연구팀은 장기의 생리적 특징을 정확하게 나타내는 세포 기반 파지 디스플레이(phage display) 스크리닝 방법을 이용했다.

손가락 두 마디 크기의 장기칩으로 혈액-뇌 장벽을 모사한 결과, 기존의 트랜스웰 모델보다 훨씬 뛰어난 뇌혈관 투과 효율을 보였다. 연구팀은 장기칩 기술이 간, 신장, 폐 등 다양한 장기에 특화된 표적치료제 개발에도 이바지할 것으로 기대한다.

이러한 성과는 장기칩 내부의 혈액이 혈관 벽을 따라 이동할 때 마찰력과 유사한 전단응력이 발생했기 때문에 가능했다. 덕분에 혈관 표면에 있는 당질층(Glycocalyx)의 구조와 기능이 정확하게 재현됐다. 결국 장기칩은 생체환경을 효과적으로 모사하여 유효한 약물 전달 펩타이드(단백질)를 발견하는 데 성공했다.

 

트랜스웰(BBB Transwell)과 미세유체 장기칩(BBB Chip) 기반 파지디스플레이 스크리닝 비교 모식도 / UNIST
트랜스웰(BBB Transwell)과 미세유체 장기칩(BBB Chip) 기반 파지디스플레이 스크리닝 비교 모식도. BBB Transwell에 비해 BBB Chip에서 스크리닝한 BBB 셔틀이 생체에서 우수한 BBB 투과기능을 보임 / UNIST

이 연구 결과는 장기칩 기술이 내피 시스템 내의 분자 수송을 정확하게 시뮬레이션함으로써 혈관 표적 약물 전달연구를 발전시킬 것으로 예상된다. 장기칩 기술을 사용한 성공적인 파지 디스플레이 스크리닝을 입증하고, 장기칩 기술의 향후 인간 약물 전달 시스템 개발로 여러 치료제 개발에 큰 이점을 안겨 줄 것이다. 특히 다양한 장기 모델과 통합함으로써 치매를 비롯한 여러 질병의 표적 약물 전달 시스템 개발에도 이바지할 것으로 기대를 모은다.

공동 1저자인 최정원 연구원은 “장기칩 기술이 생체환경을 밀접하게 모방해 표적 기능을 가진 약물 전달체를 발견하는 데 강력한 도구로 활용될 수 있음을 보여준다”고 말했다.

또 다른 공동 1저자인 김경하 연구원은 “장기칩 기술이 인간의 생체 조직도 정확히 모델링할 가능성이 높음을 입증했다”며, “향후 약물 전달 시스템 연구에 새로운 가능성을 열 것으로 기대된다”고 전했다.

이번 연구는 치매극복연구개발사업과 한국연구재단 우수신진지원사업, 중견연구자지원사업, 대학중점연구소지원사업, UNIST 미래선도형 특성화사업의 지원을 받아 수행됐으며, “Organ-on-a-Chip Approach for Accelerating Blood–Brain Barrier Nanoshuttle Discovery”라는 제목으로 국제 학술지 <ACS NANO> 5월 22일 자에 게재됐다.

한편, 혈액-뇌 장벽(BBB) 역할의 연구는 퇴행성 신경질환과 뇌혈관질환 기전과 관련돼 알츠하이머병 치료에 획기적인 발전을 끌어낼 것으로 알려져 있다.

 

논문
Jeong-Won Choi, Kyungha Kim, Karakoz Mukhambetiyar, Na Kyeong Lee, Jonathan Sabaté del Río, Jinmyoung Joo, Chun Gwon Park, Taejoon Kwon, and Tae-Eun Park. Organ-on-a-Chip Approach for Accelerating Blood–Brain Barrier Nanoshuttle Discovery. ACS Nano 2024, 18, 22, 14388–14402 Publication Date:May 22, 2024
https://doi.org/10.1021/acsnano.4c00994



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