보도자료

2020. 11. 18 (수) 부터 보도해 주시기 바랍니다.

‘세포 구슬’ 자유자재로 찍는 3D 바이오 프린팅

UNIST 강현욱 교수팀, 세포 배양·3D 프린팅 기법 합친 스페로이드 제작법 개발
쉽고 정밀한 인체 조직 모사가능... Advanced Functional Materials 게재

구(求) 형태로 배양된 세포 덩어리인 세포 스페로이드를 원하는 위치에 바로 찍어 낼 수 있는 정밀 프린팅 기법이 개발됐다. 세포 스페로이드는 2차원으로 배양된 세포보다 더 인체 조직 구조에 가깝다는 장점이 있어 실제 인간의 장기 대신 암 전이 과정의 이해, 약물 효능 검증을 위한 ‘테스트 베드’로 주목 받고 있다.

UNIST (총장 이용훈) 바이오메디컬 공학과 강현욱 교수팀은 줄기세포나 암세포 스페로이드를 정밀하게 프린팅 하는 ‘3D 바이오 도트(dot) 프린팅’ 기술을 개발했다. ‘세포를 구형으로 뭉쳐 자라나게 하는 기술(배양)’과 세포가 포함된 바이오잉크를 3차원으로 인쇄하듯 찍는 3D 바이오 프린팅 기술을 합친 기술이다.

이 기술은 세포 스페로이드간 간격을 수 마이크로미터(㎛,10-6m) 수준까지 가깝게 만들 정도로 정밀도가 높다. 이 때문에 스페로이드간 간격을 실제 인간 세포들의 ‘언택트 교신’(paracrine interaction)을 정확히 모사 할 수 있다. 뿐만 아니라 세포의 종류에 관계없이 3D 바이오 프린팅의 장점인 삼차원 적층이나 컴퓨터를 이용한 정밀 바이오 가공 기술(CAD/CAM)을 그대로 쓸 수 있다는 장점이 있다. 인체 장기와 더 닮은 조직 모형 개발이 가속화 될 것으로 전망되는 이유다.

연구팀이 개발한 3D 바이오 도트(dot) 프린팅은 배양하고자 하는 세포가 포함된 바이오 잉크를 혼합 하이드로젤 안에 구 형태로 하나씩 찍어내는 방식이다. 이 때 바이오 잉크 주위 혼합 하이드로겔은 세포를 구형으로 뭉치는 ‘틀’ 역할을 한다. 잉크 속 가교제가 접촉면을 구형으로 굳히기 때문이다. 또 바이오 잉크 안에는 세포가 배양되면 녹아 없어지는 성분(희생재료)도 함께 들어있어, 구 형태 틀 안에서 세포가 뭉쳐지면서 자라게 된다.

^*CAD: Computer Aided Design, CAM: Computer Aided Manufacturing

^*혼합하이드로겔: 치과 등에서 치아 본을 뜨는 데 쓰는 알지네이트 등이 혼합된 하이드로겔

제1저자인 전승규 연구원은 “기존 스페로이드 3D 프린팅 기법과 달리 별도의 스페로이드 배양 과정이 필요하지 않고, 원하는 위치에 바로 스페로이드를 만들 수 있다”고 설명했다.

실제로 연구팀은 이 기술을 이용해 암세포나 췌장에서 인슐린을 분비하는 구형의 조직인 췌도(랑게르한스 섬)의 베타세포, 간세포 등을 스페로이드 형태로 제작하는데 성공 했다. 특히 간세포는 기존 스페로이드 배양법으로 배양된 세포 보다 성능과 수명이 우수했다.

^*췌도: 랑게르한스섬. 췌장에서 호르몬을 분비하는 세포 덩어리 조직으로, 여러 개의 췌도가 마치 군도처럼(群島 )서로 적당한 간격을 유지하면 떨어져 있다. 4종류 이상의 내분비세포가 있으며, 그중 베타세포는 인슐린을 분비한다.

또 연구팀은 다양한 세포 스페로이드 간의 상호작용 살피는 실험도 함께 진행했다. 개발된 바이오 도트 프린팅 기법으로 암이 섬유아세포로 침투하는 모형이나 혈관상피세포와 간세포 스페로이드간의 상호작용을 볼 수 있는 모형을 만들었다.

강현욱 교수는 “개발된 바이오 도트 프린팅 공정은 간세포, 췌도의 베타세포, 암세포 등 다양한 종류의 세포에 쓸 수 있어, 현재 진행 하고 있는 암 침습모델, 간 질환 치료 패치, 줄기세포 스페로이드 기반 이식용 이종장기 개발에 도움이 될 것”이라고 기대했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부와 교육부의 지원을 받아 진행됐다. 관련 내용은 재료 분야의 국제학술지인 어드밴스드 펑셔널 매터리얼즈 (Advanced functional materials) 9월 22일자로 온라인 공개됐다.

논문명: High-precision 3D Bio-Dot printing to improve paracrine interaction between multiple types of cell spheroids

자료문의

대외협력팀: 김학찬 팀장, 양윤정 담당 (052) 217 1228

바이오메디컬공학과: 강현욱 교수 (052) 217 2527

[붙임] 연구결과 개요

1.연구배경

약물의 효능 평가를 위하여 인간의 생리학적 특징을 모방한 세포 스페로이드1) 기반의 체외 조직모델의 개발에 관한 많은 연구들이 수행되고 있다. 다수의 세포가 뭉쳐진 세포 스페로이드를 이용할 경우 세포 접합 상호작용 (contact-dependent interaction)이 향상돼 세포의 생존율, 단백질 분비 등 다방면의 세포 기능이 향상된다. 이를 제작하기 위하여 주로 세포가 부착할 수 없는 마이크로 웰(microwell, 끝부분이 동그란 세포 배양 용기)에 세포를 분주해 세포 스페로이드 형성을 유도하는 방법을 이용해왔다. 그러나 기존의 세포 스페로이드 제작 방법은 주변 분비 상호 작용(paracrine interaction)2)을 고려한 스페로이드의 정교한 배치가 불가능 하며 몇몇의 연구는 2차원 배치만 가능했다. 특히 다종의 세포 스페로이드의 배열은 가능하지 않았다.

바이오 프린팅(세포나 생체 재료가 포함된 바이오 잉크를 3D 프린팅 하는 기술) 기술을 이용해 세포 스페로이드를 패터닝하는 소수의 연구가 소개된 바 있다. 그러나 소개된 기술들은 스페로이드 배치의 분해능이 낮아 많은 양의 세포 간 혼합이 발생해 세포의 괴사를 야기했다. 따라서 세포 스페로이드를 기반으로한 체외조직 모델을 개발하기 위해서는 스페로이드를 정밀 배치하여 이들 주변 분비 상호 작용을 향상 시킬 수 있는 공정의 개발이 필요했다.

2.연구내용

상기 문제를 해결하고자 알지네이트 기반 매트릭스 바이오 잉크와 희생 바이오 잉크를 디자인 했다. 그 후 세포가 포함된 희생 바이오 잉크3)를 점 형태로 매트릭스 바이오잉크 내부에 토출시키고 배양과정에서 희생재료가 용해되어 세포가 스페로이드를 형성하도록 유도했다. 이 과정을 통해 세포 스페로이드의 형성과 삼차원 패터닝을 동시에 구현할 수 있었다. 이 공정을 바이오 도트 프린팅이라고 명명했다.

바이오 도트 프린팅을 이용하여 Hepatoma cell line (HepG2, 간암세포), neuronal cell (PC12, 신경세포), pancreatic beta cell line (Min6, 랑게르한스섬 베타세포), primary mouse hepatocyte(쥐 간세포), fibroblast (NIH3T3, 섬유아세포)와 같은 다양한 종류의 세포들의 스페로이드를 유도 했다. 세포 토출량의 조절을 통해 형성되는 세포 스페로이드의 크기를 조절 할 수 있으며, 또한 프린팅 경로를 조작하여 세포 스페로이드 간 거리를 수십마이크로 수준으로 정밀 배치 할 수 있다. 더 나아가 바이오 도트 프린팅 과정은 기존 3차원 바이오 프린팅의 장점인 컴퓨터 기반 기술을 computer-aided design & computer-aided manufacturing (CAD/CAM)에 적용할 수 있어 복잡한 삼차원 구조물을 제작할 수 있었다.

여러 종류의 세포 스페로이드 또한 패터닝이 가능했으며, 이 장점을 활용해 섬유아세포 스페로이드가 함께 패터닝 된 암 세포 스페로이드 침습 모델을 제작했다. 제작된 모델에서 암 세포가 섬유아 세포 스페로이드를 향한 침습 양상을 보여줬다.

또 바이오 도트 프린팅 된 스페로이드는 상용화된 마이크로웰에서 제작한 간세포 세포 스페로이드보다 높은 생존률을 보였으며, 간세포 기능의 지표인 알부민(간에서 만들어지는 단백질의 일종) 분비량 등이 향상됐다. 이는 바이오 도트 프린팅의 우수한 생체 적합성을 보여주는 것이다.

마지막으로 간세포 스페로이드와 혈관내피세포의 거리 조절을 통해 주변 분비 상호작용을 향상시켰고 이에 따라 알부민 분비능력, 약물 대사능력이 향상됨을 확인했다.

3.기대효과

본 연구에서 개발된 바이오 도트 프린팅 기술은 암, 간 모델 이외에도 다양한 종류의 스페로이드 기반 질병모델의 개발에 매우 유용하게 활용될 것으로 기대된다. 뿐만 아니라, 여러 조직 모델들의 상호작용을 구현할 필요가 있는 장기모사칩의 개발에도 매우 유용할 것으로 예상된다. 그 외에도 3D 바이오 도트 프린팅 기술은 현재 세포 스페로이드가 활용되고 있는 조직공학 및 재생 의학연구 전반에 진보된 기술을 제공할 것이다.

[붙임] 용어설명

1. 세포 스페로이드 (cell spheroid)

다수의 세포가 덩어리 형태를 가진 세포 원형의 집합체를 뜻함. 2D의 세포 배양 환경 보다 3D인 생체와 더 유사한 형태이기 때문에 조직공학 및 조직모델 제작 연구 전반에 활용되고 있음.

2. 희생 바이오 잉크 (sacrificial bio-ink)

바이오 프린팅 이후 온도, 배양액 등의 변화에 의해 제거되는 바이오 잉크. 희생 바이오 잉크를 프린팅 하여 인공혈관의 빈공간인 루멘을 제작하는 데 활용된 바 있음.

3. 주변 분비 상호 작용 (paracrine interaction)

세포와 소통하는 방법의 종류 중 하나로 세포가 주변 분비물질을 분비하여 주변의 다른 세포에게 신호를 전달하는 상호작용을 말함. 일종의 원격 소통이다. 반면 세포 접합 상호작용 (contact-dependent interaction)은 직접적으로 맞닿아 있는 세포간의 상호작용이다