의학과 김근형 교수 연구팀, 혈관/간소엽구조 모사한 간 생체-칩 개발

- 간 및 근조직 재생용 하이브리드 바이오프린팅 플랫폼 개발

▲ (왼쪽부터) 김근형 교수, 김원진 박사, 김주연 대학원생

간 조직은 체내 필요한 단백질 합성과 해독 작용에 관련된 중요한 역할을 한다. 이러한 간 조직은 간소엽*이라고 하는 독특한 구조적/기능적 단위로 구성된다. 따라서 손상된 간 조직의 재생이나 체외 평가를 위한 간 모델을 제작하기 위해서는 이러한 간소엽 구조에 대한 이해와 모사할 수 있는 기술 개발이 필요하다.

* 간소엽은 상피세포인 간세포가 서로 연결된 간세포판(hepatocyte plate)이 육각형 구조로 이루어져 있으며, 각 꼭짓점과 중앙에 혈관과 담관 등이 분포함

또한, 간세포는 연결된 구조로 이루어져 있어 체외 배양 시 응집된 형태에서 그 성숙과 기능 발현이 유리하다. 이 때문에 연구자들은 스페로이드 형태의 간-칩 모델을 활용하곤 한다. 하지만 단순한 스페로이드 형태의 모델은 복잡한 간소엽의 생리학적 특성을 효과적으로 제공하기 힘들다.

이러한 문제점들을 해결하기 위해 의학과 김근형 교수 연구팀(제1저자 김원진 박사)은 신개념 바이오프린팅 플랫폼을 통해 미세 간세포-스페로이드와 혈관이 포함된 간소엽을 모사하여 체외 간 모델을 제작하였다. 특히, 제작된 간소엽 구조는 간세포판과 중심 혈관이 포함되었으며, 관류 시스템을 중심 혈관에 적용하여 간-칩 플랫폼을 형성하였다. 이러한 3차원 간-칩 모델은 간세포의 기능성 향상과 혈관세포의 신속한 혈관조직 형성을 가능하게 하였으며, 또한 동일한 기술을 통해 체외 간암-생체칩 모델을 개발하였다.

한편 김근형 교수 연구팀은 신개념의 복합-바이오프린팅기술을 개발하여 인간유래 지방줄기 세포의 세포배열성이 극대화된 인공 근육 및 근육-칩용 근육조직 제작에 성공하였다(제1저자 김주연 대학원생). 이 기술로 제작된 인공 근육은 volumetric muscle loss 동물모델을 통하여 기존 바이오프린팅된 인공 근육 조직에 비해서 월등한 근육조직 재생능력을 입증하였다.

김근형 교수는 “본 연구 결과들은 새로운 개념의 바이오프린팅 플랫폼 기술이며, 다양한 장기-칩 모델의 제작에 적용될 수 있을 것”이라며 “특히, 제작된 간-칩 모델은 간세포판 형성과 함께 혈관을 효과적으로 유도하여 실질적인 체외 간 생체-칩 모델로서 적용이 가능할 것으로 전망된다”고 밝혔다. 덧붙여 “향후에는 본 연구에서 제작된 간소엽 모사 인공 간 모델이 간암종이나 간 섬유화와 같은 간 조직 관련 질환 및 치료 연구에 직접적으로 적용될 수 있다”고 연구 의의를 밝혔다.

▲ 체외 간-생체 칩

각각의 연구 결과는 산업통상자원부 한국산업기술평가관리원 바이오산업핵심기술개발사업과 질병관리청 사업의 지원으로 수행되었으며, 생체재료과학 분야 JCR상위 2%인 국제 학술지인 Bioactive Materials(주저자: 김원진, IF: 18.9)*에 2월 14일, Bioactive Materials(주저자: 김주연)** 에 2월 22일 온라인 게재되었다.

* 논문명: Engineered 3D liver-tissue model with minispheroids formed by a bioprinting process supported with in situ electrical stimulation.

** 논문명: Fabrication of fully aligned self-assembled cell-laden collagen filaments for tissue engineering via a hybrid bioprinting process.