보도자료

2024. 6.17.(월)부터 보도해 주시기 바랍니다.

생체환경 그대로 재현한 ‘장기칩’으로 약물 전달률 극대화!

UNIST 박태은·권태준 교수 연구팀, 장기칩 기술 이용해 최적의 약물 전달체 발굴
동물실험 대체할 장기칩, 정확한 생체모사로 표적 약물 전달 방법 제시

약물치료 효과를 극대화하려면 장기(臟器)와 혈관의 생체환경에 최적화된 약물 전달 기술이 필요하다. UNIST 연구팀이 '장기칩(Organ on a Chip)' 기술을 이용해 약물 전달 효율을 극대화하는 방법을 내놓았다.

UNIST(총장 이용훈) 바이오메디컬공학과 박태은 교수와 권태준 교수 연구팀은 쥐의 생체 세포를 배양해 혈액-뇌 장벽(Blood-brain barrier, BBB)을 재현한 장기칩이 치료 약물의 투과율을 높일 수 있음을 입증했다. 장기의 생리적 특징을 더 정확하게 나타내는 세포 기반 파지 디스플레이(phage display) 스크리닝 방법을 이용한 것이다.

손가락 두 마디 크기의 장기칩으로 혈액-뇌 장벽을 모사한 결과, 기존의 트랜스웰 모델보다 훨씬 뛰어난 뇌혈관 투과 효율을 보였다. 연구팀은 장기칩 기술이 간, 신장, 폐 등 다양한 장기에 특화된 표적치료제 개발에도 기여할 것으로 기대하고 있다.

이러한 성과는 장기칩 내부의 혈액이 혈관 벽을 따라 이동할 때 마찰력과 유사한 전단응력이 발생했기 때문에 가능했다. 덕분에 혈관 표면에 있는 당질층(Glycocalyx)의 구조와 기능이 정확하게 재현되었다. 결국 장기칩은 생체환경을 효과적으로 모사하여 유효한 약물 전달 펩타이드(단백질)를 발견하는 데 성공했다.

공동1저자인 최정원 연구원은 "장기칩 기술이 생체 환경을 밀접하게 모방하여 표적 기능을 가진 약물 전달체를 발견하는 데 강력한 도구로 활용될 수 있음을 보여준다"고 말했다.

또 다른 공동1저자인 김경하 연구원은 "장기칩 기술이 인간의 생체 조직도 정확히 모델링할 가능성이 높음을 입증했다"며, “향후 약물 전달 시스템 연구에 새로운 가능성을 열 것으로 기대된다”고 전했다.

이번 연구는 치매극복연구개발사업과 한국연구재단 우수신진지원사업, 중견연구자지원사업, 대학중점연구소지원사업, UNIST 미래선도형 특성화사업의 지원을 받아 수행되었으며, 연구 성과는 국제 학술지 'ACS NANO'에 지난 5월 22일자로 게재되었다.

(논문명: Organ-on-a-Chip Approach for Accelerating Blood–Brain Barrier Nanoshuttle Discovery)

자료문의

대외협력팀: 서진혁 팀장, 권익만 담당 (052)217-1222

바이오메디컬공학과: 박태은 교수 (052)217-2614

[붙임] 연구결과 개요, 용어설명, 그림설명

[붙임. 연구결과 개요]

1. 연구배경

세포 기반 파지 디스플레이(phage display) 스크리닝 기술은 특정 장기의 혈관에 표적이 되는 새로운 펩타이드 셔틀을 발견하는 데 널리 사용되며, 선택적 약물 전달에 잠재적인 응용이 가능함. 그러나 전통적인 세포 기반 모델은 특정 장기의 혈관의 고유한 특징을 정확히 재현하지 못해 생체내에서 활용할 수 있는 정확한 펩타이드 셔틀 스크리닝에 어려움을 겪고 있음. 혈관의 내면은 혈류에 의해 생성되는 전단 응력을 받는 혈관 내피로 덮여 있으며, 이를 통해 내피 세포의 구조적 및 기능적 특징이 기계적 전달(mechano-transduction)을 통해 유지됨. 혈관 내피의 혈류를 모방하는 장기칩(Organ-on-a-Chip)은 전통적인 정적인 트랜스웰(transwell) 모델에 비해 세포 골격 조직, 유전자 발현 및 세포내 수송 역학과 같은 장기의 생리적 특징을 더 정확하게 나타내는 유망한 플랫폼으로 떠오르고 있음.

2. 연구내용

이번 연구에서는 장기칩 접근법이 장기 표적 셔틀 펩타이드를 선택하는 신뢰성과 효율성을 제공하는 방법임을 입증하고자 함. 이를 위해 혈액-뇌 장벽(BBB)을 모사하는 전통적인 트랜스웰 모델와 장기칩모델을 개발하였고, 이를 이용하여 혈액뇌장벽 투과 셔틀 스크리닝 성능을 비교함으로써 장기칩 모델이 효율적인 DDS를 스크리닝하는 데 있어 더욱 신뢰성과 효율성이 있는 모델임을 입증하였음. 혈액뇌장벽 장기칩기반 스크리닝을 통해 발견된 혈액뇌장벽 셔틀을 실제 생체에 적용하였을때, 트랜스웰을 사용하여 스크리닝된 서열보다 생체내에서 훨씬 더 우수한 뇌혈장벽 투과효율을 나타냈었음. 연구진은 이러한 향상된 효과는 장기칩에서 모사한 혈류의 흐름을 통해 혈관내피세포는 생체내와 유사한 전단응력을 받게 되고, 이를 통해 혈관 표면에 존재하는 당질층 (glycocalyx)이 정확하게 재현된 덕분임을 밝힘. 연구진은 장기칩에서의 뇌혈과 내피세포가 트랜스웰보다 더 두꺼운 당질층을 발현하는 것을 확인하였고, 이로 인해 선별된 펩타이드가 내피를 통해 선택적으로 수송되도록 함을 발견하였음.

3. 기대효과

이 연구 결과는 장기칩 기술이 내피 시스템 내의 분자 수송을 정확하게 시뮬레이션함으로써 혈관 표적 약물전달연구를 발전시키는 데 상당한 가능성을 가지고 있음을 시사함. 이 연구는 장기칩 기술을 사용한 성공적인 파지 디스플레이 스크리닝을 입증하고, 장기칩기술의 향후 인간 약물 전달 시스템 개발에 대한 잠재적인 이점을 밝힘. 이러한 접근법은 다양한 장기 모델과 통합함으로써 여러 질병 표적 약물 전달 시스템 개발에도 기여할 것으로 기대함.

[붙임. 용어설명]

1. 파지디스플레이 (Phage display)

박테리오 파지(phage, 세균을 숙주로 하는 바이러스)를 이용해 펩타이드(특정 표적을 인식하는 단백질의 일종)를 발굴하는 기술

2. 혈액-뇌 장벽 (Blood-brain barrier)

혈액-뇌 장벽. 뇌 기능에 필수적인 물질만의 출입을 허용하여 외부물질의 침입으로부터 뇌를 보호하는 역할을 하는 생체 장벽

3. 장기칩/오간온어칩 (Organ-on-a-chip)

인체 유래 세포를 USB 크기의 칩 안에서 3차원 구조로 배양해 인체 장기와 조직을 모방하는 기술

4. 전단응력 (Shear stress)

유동장에서 단위면적에 작용하는 마찰력을 의미. 혈액과 같은 유체가 흐를때 주위에 유체의 흐름에 의해 가해지는 힘이 세포에 가해질때 생기는 stress. 혈관내피세포는 지속적인 혈류와 혈압에 의하여 전단응력을 받고 있으며, 이들 힘의 변화에 따라 다양한 단백질과 유전자 발현이 변화하여 가해진 전단응력에 따라 세포의 기능이나 모습, 성질이 달라짐

5. 내피당질층 (Glycocalyx)

세포막에 위치한 다양한 형태의 당 사슬 집합체로 미세혈관 조직에서 글리코칼릭스는 면역세포 부착을 억제하여 혈관 투과성 장벽 역할을 하며 세포에 가해지는 전단응력을 (shear stress) 감지하고 상호작용함

[붙임. 그림설명]

그림1. 전통적인 트랜스웰(BBB Transwell)과 미세유체 장기칩(BBB Chip) 기반 파지디스플레이 스크리닝을 비교한 모식도. BBB Transwell에 비해 BBB Chip에서 스크리닝한 BBB 셔틀이 생체에서 우수한 BBB 투과기능을 보임

그림2. 트랜스웰과 미세유체 장기칩 기반 혈액뇌장벽 모델에서의 내피당질층(glycocalyx) 발현의 차이

UNIST 홍보팀 news@unist.ac.kr

TEL : 052)217-1230FAX : 052)217-1229