김태형 교수 연구팀, Bottom-up system 기반 전기화학 항암 약물 스크리닝 플랫폼 개발

- 높은 생체 재현성의 차세대 체외 약물 스크리닝 기술, 기존 체외 약물 스크리닝 기술 개선으로 전임상 보완/대체 가능성 제시

▲(왼쪽부터)김태형 교수, 김철휘 박사, 중앙대 구복남 박사과정생

글로벌메디컬공학과 김태형 교수 연구팀은 높은 생체 재현율의 체외 항암 약물 스크리닝이 가능한 새로운 개념의 Bottom-up system 암 스페로이드* 형성 플랫폼을 개발했다고 밝혔다.

* 스페로이드: 다수의 세포가 모여 3차원 구조를 이룬 세포 집합체

기존 암세포에 대한 체외 약물 스크리닝은 2차원 세포 배양 방식에 기반한 센싱 기술에 국한되어, 생체 재현성이 낮고 약물의 효능을 정확히 파악하기 어려웠었다. 특히, 암세포에 대한 약물의 항암을 확인하기 위한 스크리닝에서는 연관 한계가 더욱 두드러진다. 대다수의 암은 생체 내에서 3차원의 종양 형태로 존재하는데, 이는 세포 간 신호/물질 전달 등 상호작용의 결과이며 약물에 대한 반응에도 밀접히 관여한다. 2차원으로 배양된 세포에서는 이러한 상호작용이 충분히 발생할 수 없기 때문에 약물에 대한 반응 역시 생체와 상이하게 나타날 수 있는 것이다. 뿐만 아니라, 2차원 배양 환경에서는 약물이 세포에 쉽게 도달하여 반응성이 과장될 가능성도 존재한다.

본 연구팀에 의해 개발된 높은 구형도의 암 스페로이드 배양 및 전기화학적 신호 탐지가 가능한 복합 플랫폼은 구형도** 0.9 이상 (1에 가까울수록 온전한 구형)의 스페로이드를 하나의 플랫폼 상에 100여 개 이상 동시에 형성이 가능하며, 이들에서 유래된 전기화학 신호를 실시간으로 정밀하게 분석이 가능하다. 개발된 플랫폼은 섬유아세포와 암세포의 공배양 시스템이 적용되어 종양 미세환경을 보다 구체적으로 반영하며, 약물에 대한 반응성 및 침투성을 효과적으로 재현할 수 있다. 본 연구에서는 서로 다른 작용경로를 가지는 두 가지의 약물(Cisplatin 및 Hydroxyurea)을 결장 선암(腺癌)***에 투여하여 임상 결과와 상응하는 결과를 도출한 바 있다.

** 구형도: 구조의 형태가 구형에 가까운 정도

*** 선암(腺癌): 선상피로부터 발생하는 암종의 총칭

▲ 기존 전기화학 기반 체외 약물 스크리닝 방식과 Bottom-up system 기반 전기화학 항암 약물 스크리닝 플랫폼 비교 모식도

교신저자인 김태형 교수는 “Bottom-up system 암 스페로이드 형성 플랫폼은 고도화된 암세포 스페로이드 표적의 3차원적 신호 측정을 기반으로 생체에 대한 높은 재현성을 체외에서 구현할 수 있다.”며 “기존의 체외 항암 약물 스크리닝 기술에 혁신을 가져올 것으로 기대한다.”고 밝혔다.

이 연구결과는 한국연구재단, 나노 및 소재기술 개발 사업, 범부처 재생의료기술개발사업, 한국보건산업진흥원의 한국형 ARPA-H 프로젝트의 지원으로 수행되었으며 환경공학분야 국제학술지 Chemical Engineering Journal(JCR 상위 3.1%)에 5월 15일에 게재될 예정이다.

※ 논문명: Enhanced sphericity and uniformity in adenocarcinoma spheroids on chip via fibroblast co-culture for electrochemical drug screening

※ 저널: Chemical Engineering Journal (IF: 13.4)

※ DOI: https://doi.org/10.1002/adhm.202404819

※ 저자명: 김태형(교신저자), 김철휘(제1저자), 구복남(제1저자)