[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

비만은 전 세계 사망률 1위인 질환으로 국내에서도 비만인구가 꾸준히 증가하고 있다. 비만은 체내 백색지방세포의 과도한 지방 축적으로 발생하며 다양한 질병을 유발 및 악화시켜 사망률을 높인다. 전 세계적으로 비만의 관심이 커지면서 지방조직의 병리 생리학적 특징을 모사할 수 있는 모델의 필요성이 커지고 있다.

지방조직은 지방세포, 내피세포, 줄기세포와 면역세포 등 다양한 세포로 구성되나 대부분이 지방세포로 구성되어있다. 또한 개체의 비만 정도에 따라 세포외기질의 조성이 크게 변화한다. 따라서 추출한 프라이머리 지방세포의 체외 배양을 위해서는 생리·병리학적 특성을 보유한 구조체의 선택이 필요하다.

기존의 체외 지방세포의 배양에는 세포외기질이 반영되지 않은 채 2차원 배양이 주를 이루었으며 대부분 지방 전구세포에서 지방세포로 분화를 유도하여 제작되었다. 이러한 방법은 생체 내 지방세포의 특성을 재현하는데 한계가 있다. 또한 분화된 지방세포나 조직에서 분리된 일차 지방세포는 체외에서 세포의 구조적 그리고 기능적 특성을 길게 유지할 수 없으며 병리학적 특성을 유도하는데 어려움이 많이 있다. 실제로 이러한 체외 실험법의 한계로 인해 지방조직에 대한 연구에서 동물실험이 많이 수행되고 있다. 하지만 이마저도 최근 동물실험에 대한 반대 여론이 증가함에 따라 대체 실험법이 요구되고 있다.

따라서 지방세포의 체외 배양법을 개선하고 개체의 생리·병리학적 특성을 재현할 수 있는 체외 모델의 개발이 절실하다. 최근 생체모사칩 기술을 이용한 다양한 지방조직을 모방 플랫폼이 개발되고 있으나, 여전히 지방조직이 가지는 미세구조의 복잡성을 재현하지 못하고 있다. 지방조직은 개체의 생리·병리학적 특성에 따라서 역동적으로 변화하기 때문에 기존에 많이 활용되는 2차원 배양 실험법이나 단일 조성의 하이드로젤을 이용한 3차원 배양법으로는 그 특성을 표현할 수 없다. 또한 지방 세포가 가지는 지방 액적으로 인해 부력을 가져 일반적인 세포와 달리 세포의 활용도를 높이기 위해서 세포를 고정할 수 있는 구조체가 필요하다. 또한 지방조직 내 세포의 다양성을 제공할 수 있는 적절한 배양 플랫폼이 부재한다. 게다가 지방조직은 내분비 기관으로써 다른 기관과 활발히 상호작용하므로 다른 조직과의 상호작용을 평가할 수 있는 적절한 체외 모델이 필요하다.

2. 연구내용

UNIST 박태은 교수 연구팀은 개체의 생리·병리학적 특징을 보유할 수 있는 탈세포화 기술을 이용하여 지방세포의 배양을 개선하고 정성과 비만 지방조직을 모사하는 지방조직 생체모방칩(Adipose tissue microphysiological systems, AT MPS)을 개발했다. 이는 지방조직의 탈세포화 세포외기질 기반의 하이드로젤에 3차원 배양된 프라이머리 지방세포와 지방 혈관 내피세포의 공동 배양으로 제작된다.

각각 정상과 비만의 지방조직에서 추출한 프라이머리 지방 세포의 체외 배양법을 향상시키기 위해서, 조직 탈세포화 기술을 이용했다. 탈세포화 기술은 조직으로부터 세포 성분들을 제거하면서 세포외기질 단백질과 일부 성장인자 단백질이 보존되어 세포에 각기 다른 시그널을 제공할 수 있게 한다. 따라서 탈세포화 조직 유래 하이드로젤은 온전한 조직과 유사한 미세 환경을 제공하여 배양된 세포의 생존과 기능성을 개선시킨다. 각각 정상과 비만 마우스의 지방조직에서 추출한 지방세포를 각각 정상과 비만 지방조직 유래 탈세포화 세포외기질을 이용하여 배양했을 때, 상용된 세포 배양 플랫폼인 콜라겐 하이드로젤에서보다 지방세포의 생존과 기능성 유지가 개선되는 것을 확인했다.

더 나아가 연구진은 이렇게 배양된 각기 다른 지방 조직은 생체모사칩내에서 지방 내피세포와 상호작용을 통해 내피세포 활성화를 유도하여 염증 반응을 매개할 수 있다는 것을 비만 지방 조직에서 관찰되는 염증 반응에 의한 면역세포의 수집을 통해 확인했다. 비만조직 생체모사칩의 혈관 내피층에서 정상일 때보다 약 2배의 면역세포의 부착을 관찰했으며 이는 TNF-α(tumor necrosis factor-α)와 같은 염증성 사이토카인에 의해 활성화된 내피세포의 면역 세포 부착능력과 유사했다. 또한 비만 모델내 내피세포에서 면역세포의 수집과 연관된 분자인 E-selectin와 전염증성 사이토카인인 TNF-a의 발현이 증가하는 것을 확인했다. 이는 비만 지방조직이 내피세포의 활성화 및 염증을 유도하는데 기여했다는 것을 보여준다.

또한 개발된 플랫폼을 활용하여 비만에서 증가하는 암의 위험성을 간단하게 시각화 및 정량했다. 특히 유방암은 비만에서 전이 확률을 높인다고 알려져 있는데, 비만조직 생체모사칩에서 유방암 세포가 혈관내피세포에 더 많이 부착되며, 이는 전이 가능성이 높아짐을 시사한다.

3. 기대효과

늘어나는 비만 인구와 그와 연관된 질병으로 인한 사망률의 증가는 지방조직에 대한 체외 모델의 중요성을 시사한다. 비만 지방조직과 내피세포의 공동 배양을 통해 비만 지방조직의 미세 환경을 모사함으로써 비만 조직으로 인한 근접한 내피세포의 활성화 및 기능 장애 뿐만 아니라 다른 세포들과의 상호작용을 관찰할 수 있어 지방 조직 및 비만에 대한 다각적 연구에 적절한 체외 배양 플랫폼으로써 이용될 수 있을 것으로 기대된다. 또한 이러한 기술을 기반으로 한 맞춤형 체외 지방조직 생체모사칩을 제작하면 환자 맞춤형 비만 치료제 개발이나 질병의 메커니즘을 규명하는데 활용될 수 있을 것으로 기대한다.

[붙임] 용어설명

1. 생체모사칩 (Microphysiological system; MPS)

인체 유래 3차원 세포 공배양 기술과 혈류 모사 미세유체역학 기술이 융합된 조직 또는 장기의 세포 간 상호 작용 및 미세환경을 체외(in vitro)에서 재현하는 혁신 기술로써 주요 생물학적 과정과 질병 상태를 재현하여 인간의 생리학을 재구성하는 유망한 체외 도구.

2. 세포외 기질 (Eextracellular matrix; ECM)

조직에서 여러 세포 사이의 공간을 채우는 3차원 구조를 가지는 생체 고분자의 네트워크로써 주변 세포에 의해 합성되어 세포 외에 분비/축적된 분자로 구성되며 세포의 거동 조절에 관여.

3. 탈세포화 (Decellularization)

조직 내 세포 유래 물질이 제거되고 조직 특이적 세포외 기질 단백질 성분은 보존시키는 세포 제거술.

[붙임] 그림설명

그림1. 탈세포화된 지방조직을 활용한 지방세포의 배양 플랫폼 구축 및 비만 AT MPS 모델 개발