쉽게 약물 농도 조절 가능한 3차원 암세포 배양 플랫폼 개발

서울대병원-성균관대, 약물과 세포 안정적 주입하는‘다중 입구 회전타원체 생성기’개발
측면 주입구 통해 추가 약물 및 기질 세포 추가 전달...종양미세환경 성공적 재현

[이데일리 이순용 기자] 최근 환자 뇌암세포에서 약물의 효능을 테스트하고 종양-기질 세포 비율을 조절할 수 있는 ‘다중 입구 회전타원체 생성기’가 국내 연구진에 의해 개발됐다. 이는 향후 뇌암 항암제 치료법 개발에 활용될 수 있을 전망이다.

서울대병원 백선하 교수 · 성균관대 박성수 교수(한석규 박사과정) 공동 연구팀은 3D 종양 회전타원체 모델을 구축해 종양미세환경에서 쉽고 안정적으로 약물 농도를 제어할 수 있는 다중 입구 회전타원체 생성기를 개발했다고 27일 밝혔다.

암 환자의 약물 반응을 예측하기 위해서는 종양미세환경을 잘 반영하는 회전타원체와 같은 3차원 종양 모델이 사용된다. 이러한 3차원 종양 모델은 실제 종양과 유사하며, 암 환자 약물 스크리닝의 효과적인 방법으로 여겨진다.

항암제의 고처리 스크리닝을 위한 세포 배양 방법에는 3D 하이드로겔 멀티웰 스크리닝, 미세 유체 칩, 오가노이드-환자 유래 세포 배양 등 다양한 방법이 있다. 하지만 위 방법들은 과정의 복잡성과 장시간 소요, 높은 비용 등으로 인해 한계가 있다.

이에 연구팀은 약물과 세포를 간단하고 안정적으로 주입할 수 있는 ‘다중 입구 회전타원체 생성기’를 개발했다. 이 생성기는 중앙 주입구와 측면 주입구로 구성되어 중앙 주입구는 종양 회전타원체를 형성하기 위해 매달린 방울을 형성하고, 측면 주입구는 추가 약물이나 기질 세포를 회전타원체에 나르는 데 사용된다.

안정적인 행잉드롭을 통해 약물 검사와 종양 미세 환경 구성을 용이하게 하는 다중 입구 회전타원체 생성기 개략도. 종양 세포가 중앙 주입구를 통해 주입되어 종양 회전 타원체를 형성할 때, 다른 직경의 측면 주입구를 통해 추가 약물이나 기질 세포가 통합된다.

다중 입구 회전타원체 생성기는 단일 입구 생성기와 달리, 행잉드롭에 가해지는 압력을 증가시키지 않고 측면 주입구를 통해 추가 용액을 전달할 수 있기 때문에 행잉드롭이 떨어질 위험이 줄어든다. 또한 측면 주입구의 직경 변경을 통해 생성기 내에 보유할 수 있는 용액의 부피 조절할 수 있어, 매달려 있는 드롭의 최종 약물 농도를 쉽게 조정할 수 있다.

측면 주입구의 직경 변경을 통한 최종 약물 농도 조정.

추가적으로, 기존에 종양 회전타원체의 종양-기질 비율을 수동적으로 혼합해 제어했던 방식과 달리, 다중 입구 회전타원체 생성기는 직경이 서로 다른 측면 주입구에 다양한 부피의 기질 세포를 주입해 종양-기질 비율을 쉽게 제어할 수 있었다. 연구팀은 측면 주입구를 통해 기질세포 40μL를 주입 시, 종양-기질 비율을 약 66%까지 증가시킬 수 있는 것을 확인했다. 이는 인체의 종양미세환경을 효과적으로 구현해냈음을 의미한다.

신경외과 백선하 교수는 “다양한 종양-기질 비율을 가진 회전타원체들은 암 환자의 예후에 미치는 영향을 관찰하는 고속 처리 대량 스크리닝(High Throughput Screening)에 유용하게 사용될 수 있을 것”이라며 “이번 연구 결과가 향후 뇌암 항암제 치료법 개발에 활용되어 치료의 어려움으로 인해 고통받고 있는 환자와 가족들에게 조금이나마 보탬이 되기를 희망한다”고 말했다.

성균관대 기계공학과 박성수 교수는 “본 연구를 통해 3D 종양 스페로이드 모델의 복합 약물 스크리닝과 종양미세환경의 재현을 성공적으로 이뤄냈다”라며 “앞으로 약물 개발 및 암 관련 기초·응용 연구뿐만 아니라 화학, 화장품, 식품 생산, 재료 과학 등 다양한 분야에 적용이 가능한 도구가 되기를 기대한다”라고 말했다.

이번 논문은 국제학술지 ‘ACS 어플라이드 머티리얼즈 앤 인터페이시즈(ACS Applied Materials & Interfaces)’ 최근호에 표지모델로 게재됐다.

이순용 (sylee@edaily.co.kr)