미세유체시스템을 이용한 신경조직 연구

2014. 9., Vol. 54, No. 9 ● 31

미세유체시스템을 이용한 신경조직 연구

안 중 호 서울대학교 기계항공학부 석박사통합과정 ㅣ e-mail : [email protected] 전 누 리 서울대학교 기계항공학부 교수 ㅣ e-mail : [email protected]

이 글은 내피세포(endothelial cell)의 생리・병리학적 중요성에 대해 알아보고, 미세혈관기반의 생체 외(in vitro)모델 을 소개하며 그 연구 동향에 대해 소개하고자 한다.

생명공학에서 인공장기 칩(Organ on a Chip)의 생체 적합성을 향상시키는 것은 중요한 과제이다. 그 중, 미 세혈관은 인체 내 장기의 다양한 생물학적 현상들과 밀 접한 관련이 있기에 인공장기 칩에서 필수적인 요소이 다. 많은 생체 외 모세혈관 플랫폼이 개발되었지만, 최 근 인공장기 칩 에서 생체 내(in vivo)와 비슷한 환경을 가지는 3차원 모세혈관 형성을 완전히 결합한 모델은 아직 확립되지 못하였다.

전임상 진단 모델의 비효율성으로 지난 수십 년간 약 물 개발비용은 기하 급수적으로 늘었다.

전통적인 전임상 모델은 동물 모델과 2차원 생체 외 모델로 나눌 수 있다. 동물 모델이 가지고 있는 가장 큰 단점은 사람과 계통학적 차이이고, 2차원 생체 외 모델 은 3차원의 생체 내 환경을 모사하기에 한계가 있다. 최 근 이러한 단점을 극복하여 생체 유사성을 높이기 위한 생체 외 모델들이 제시되고 있다. 미세혈관들이 대부분 의 장기를 감싸고 있기 때문에 미세혈관을 형성하는 것 은 생체 내 특징을 모사하는 데 중요한 요소이다. 앞에 서 언급한 내피세포의 역할 중 각 장기와의 상호작용에 대해 먼저 살펴 본 후, 이러한 현상을 모사하기 위한 생 체 외 모델을 그 특징에 따라 분류하여 알아보겠다.

내피의 생리・병리학적 중요성

물 질 을 선 택 적 으 로 투 과 시 키 는 기 능 이 내 피

(endothelium)의 자연적인 역할이지만, 몇몇 기관들은

더욱 특화된 내피장벽을 형성하고 있다. 뇌혈관장벽

(blood brain barrier)을 이루고 있는 내피세포는 성상세

포(astrocyte) 및 주피세포(pericyte)와 협력하여 견고한

세포 사이의 결합을 만들어 외부 독소들로부터 중추 신

경 계 를 보 호 하 기 위 해 서 매 우 낮 은 투 과 성

(permeability)을 나타낸다. 또한 내피세포는 폐와 간

등 장기 재생에서도 필수적인 역할을 한다. Ding은 폐

의 모 세 혈 관 내 피 세 포 가 메 탈 로 프 로 테 이 나 제

14(metalloproteinase 14)를 발현시켜 폐의 재생을 유도

한다고 보고하였다. 내피세포는 다양한 병리학적인 상

황에서 중요한 역할을 하고 있는데, 대표적으로 암은,

산소와 영양분 공급을 위하여 주변의 혈관으로부터 혈

관 신생을 유도한다. 이러한 암의 혈관 신생을 막아 암

을 치료하려는 시도가 계속되고 있다. 그 밖에, 미세혈

관증(microangiopathy)은 미세혈관의 기능장애로서,

내피세포가 비정상적인 거동을 보일 때 발생하며, 미세

혈관증은 비만, 폐혈증, 당뇨 합병증 등 다양한 질병을

일으킬 수 있고, 나아가 내피세포에서 나온 신경독성의

트롬빈(thrombin)은 알츠하이머병에 걸릴 위험성을 증

인공장기 칩 시스템에서의 미세혈관 엔지니어링

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가시키는 것으로 알려져 있다.

생체 외 미세혈관 모델

이상에서 살펴본 혈관과 관련된 다양한 생리학적 현 상을 깊게 이해하기 위해 많은 생체 외 모델이 개발되 었다. 전통적인 혈관 모델은 페트리접시(petri dish), 트 렌스웰(transwell), 하이드로젤(hydrogel)에서 내피세포 를 키우는 것에서 시작되었으며, 내피세포 단일 층을 혈관 벽이라고 가정하여 내피 안에서의 암세포 및 면역 세포의 이동, 혈관 벽에서 전단응력의 영향, 혈관투과

성, 혈관생성 등의 연구가 진행되었다. 그러나 2차원 단 일 층 모델은 원통형의 혈관이 아니라 혈관의 일부분을 나타내기 때문에 우리 몸의 구조적 특성을 반영하지 못 하고, 관내유동을 모사하지 못하는 등의 한계점이 있 다. 이를 극복하고 3차원 세포환경을 갖는 혈관 모델을 만들기 위해 소프트 식각(soft lithography)과 PDMS 기 반의 마이크로플루이딕 디바이스를 이용한 다양한 기 술이 개발되었다. 마이크로-나노 구조를 통해 생체 내 환경과 비슷한 세포 미세 환경을 구현하였으며, 케모카 인(chemokine) 및 세포 사이 흐름(interstitial flow)과 같은 복잡한 환경적 요인들이 복합적으로 통제될 수 있 다. 이러한 마이크로플루이딕 칩은 적은 양의 시약과 세포를 사용하므로 추후 혈관과 관련 된 신약 후보 물질을 스크리닝 (screening)하는 데에도 쉽게 응용될 수 있다는 장점을 갖 는다.

마이크로플루이딕 기술을 적용한 혈관 모델은 크게 ① 내 피세포를 마이크로 패턴된 하 이드로젤 구조에 붙이는 방법 과 ② 내피세포 자체의 자연적 인 형태형성(morphogenesis) 을 통해 혈관생성을 마이크로 칩 안에 유도하는 방식으로 나 눌 수 있다.

내피세포를 마이크로 패턴된 하이드로젤 구조에

붙이는 모델

Chrobak은 콜라겐에 마이크 로 니들(micro needle)을 찔러 넣어 속이 빈 원통형 구조를 만

그림 1(a) 콜라겐에 마이크로 니들을 찔러 넣어 만든 3차원 원통형 혈관 모델[Chrobak et al., Microvasc. Res. 71, 185 (2006)]; (b) 실리콘 스탬프를 이용하여 콜라겐 젤 안에 미세혈관 네트워크를 형성한 모델[Zheng et al., Proc. Natl. Acad. Sci.

U.S.A. 109, 9342 (2012)]; (c) 3D 프린터를 사용하여 카보하이드레이트 글라스 구 조물을 만든 후, 배지에 의해 용해된 카보하이드레이트 글라스 속에 내피세포를 배 양한 모델(Miller et al., Nat. Mater. 11 (9), 768 (2012)]

들었으며, 내피세포를 원통형 콜라겐 내부에서 키워 3 차원 원통형의 혈관을 만들었다.[그림 1(a)]

Zheng은 혈관 하나의 형태가 아니라 네트워크를 모 사하였다. 실리콘 스탬프(silicone stamp)를 이용하여 콜라겐에 네트워크 구조를 만들었으며, 패턴된 콜라겐 에 내피세포를 부착하여 혈관을 형성하였다. 이러한 모 델은 주피세포와 내피세포와의 상호작용, 여러 배지 (media)조건에서 내피장벽의 기능차이, 주변 세포와의 상호작용, 관류 조건에서 혈액 성분들간의 상호작용 등 혈관에 관련된 다양한 현상을 관측할 수 있다.[그림 1(b)]

Miller는 3D 프린터와 하이드로젤을 이용하여 미세 혈관 네트워크를 만드는 혁신적인 방법을 제시하였다.

3D 프린터를 이용하여 카보하이드레이트 글라스 (carbohydrate glass) 네트워크를 만들었으며, 피브린 젤(fibrin gel)이 카보하이드레이트 글라스를 감싸 우리 몸 안의 세포 외 기질(extra cellular matrix)과 비슷한 환 경을 만들었다. 카보하이드레이트 글라스는 배지에 의 해 용해되므로, 그 공간 사이로 내피세포를 배양할 수 있어 견고한 미세혈관 네트워크를 형성할 수 있다.[그 림 1(c)]

이상의 관형 모양의 혈관 모델들은 몰드를 이용하여 만든 하이드로젤 구조체에 내피세포 단일 층을 붙임으 로써 혈관을 형성할 수 있다. 이 방법은 원하는 모양대 로 혈관을 형성할 수 있어, 펌프를 이용한 배지 공급 시 유동률과 전단응력을 정확하게 예측할 수 있다는 장점 이 있지만, 생체 내에서와 같이 내피세포의 자연적인 형태발생인 혈관형성(vasculogenesis/angiogenesis)을 모사하고 있지는 않다.

내피세포 자체의 자연적인 형태형성을 통해 혈관 마이크로 칩 안에 유도하는 모델

내피세포가 여러 성장인자의 자극에 의해 미세혈관 으로 분화한다는 사실은 많은 연구를 통해 알려져 있

다. 본 연구팀은 관류된 미세혈관 네트워크를 형성하는 데 두 가지 방법으로 접근하였다. 먼저 피브린 젤과 내 피세포를 함께 섞어 혈관형성(vasculogenesis) 과정을 유도하였고, 다른 방법으로 피브린 젤에 내피세포를 붙

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그림 2(왼쪽그림) 피브린 젤에 내피세포를 함께 섞어 혈관생 성 과정을 유도 함; (오른쪽 그림) 피브린 젤에 내피 세포를 붙여 신 혈관생성을 유도함.[Kim et al., Lab Chip 13, 1489 (2013)]

그림 3관류된 혈관에 마이크로 비드(microbeads, 7)를 흘 려 보냄.[Kim et al., Lab Chip 13, 1489(2013)]

인공장기 칩 시스템에서의 미세혈관 엔지니어링

여 신 혈관형성(angiogenesis)를 유도하였다. 내피세포 들이 혈관 네트워크를 형성하는 데 필요한 성장인자는 공동 배양된 섬유아 세포(fibroblast)를 통해 자연적으 로 공급되며, 4-5일이 지나면 관류 가능한 혈관 네트워 크가 형성된다. 이러한 방법은 하이드로젤을 이용한 방 법에 비해 내피세포의 성질을 이용하여 자연스러운 혈 관 네트워크를 형성할 수 있지만, 혈관의 크기와 모양 을 정교하게 조절하지 못한다.(그림 2, 3)

이상으로, 미세혈관은 암, 염증반응 및 다양한 합병

증에 관련되어 있고, 여러 기관에서 선택적 투과, 장기 재생 등 중요한 역할을 한다. 마이크로 플루이딕 칩을 이용한 생체 외 혈관 모델은 혈관과 관련된 생리/병리 학적 현상을 이해하는 데 많은 도움을 주고 있다. 이후 이러한 모델들이 인공장기 칩과 융합되어 각 장기에서 내피세포의 특성까지 모사할 수 있게 되면 진정한 의미 의 인공장기 칩을 구현하는 데 매우 중요한 역할을 할 것으로 기대된다.

기계용어해설

Colburn j계수(Colburn j factor)

밀집형 열교환기에서 휜의 모양과 배열에 따라 유동 및 열전달특성을 반영할 수 있는 계수로써 Reynolds 함수로 표현이 가능하며 열교환기의 효율(또는 성능)을 나타낼 수 있는 계수.

GaAs

보통 갈륨아세나이드 박막을 지칭하며 광전소자에 많이 이용됨.

IGCC

Integrated Gasfication Combined Cycle(석탄가스화복합 발전)의 약자로서 석탄을 가스화공정을 거쳐서 일산화탄 소와 수소가 주성분인 가스로 전환한 뒤 가스터빈 연소기 에 공급하여 복합발전 사이클(가스터빈/스팀터빈)을 구 동하여 발전하는 방식으로 일반적인 석탄화력에 비하여 친환경적임.

LPG 액상분사(Liquid Phase LPG Injection)

LPG연료를 펌프를 이용해서 고압으로 승압하고 이를 액 상상태에서 인젝터를 이용해서 분사하는 방식으로서, 믹 서 시스템에 비해 출력 성능이 약 15% 정도 증가하여 동 급 가솔린차량과 대등한 가속성능 및 출력을 낼 수 있음.

Multiple Jet Flame(다수 화염) 다수의 노즐에서 형성된 화염

Oxy-Fuel Flame(산소 연소 화염)

탄화수소계열의 연료를 순수한 산소로만 연소 시켰을 때 의 화염

가상경계법(Immersed Boundary Method)

복잡한 형상을 지나는 유동에서 쉽게 수치 해석을 할 수 있는 기법

개질기(Reformer)

연료를 한 형태에서 다른 형태로 전환하는 기기로, 메탄 이나 에탄 등 탄화수소를 수증기와 반응시켜 수소를 만드 는 기기.

경사제트

분사된 제트 중심과 충돌면이 이루는 각도가 수직으로 이 루어지지 않고 경사를 이루도록 분사된 제트

공기구동밸브(AOV: Air-Operated Valve)

제어밸브의 개도를 조절할 때 구동원을 공기압력으로 이 용하는 밸브

고분자전해질형연료전지(PEFC: Polymer Electrolyte Fuel Cell)

고분자막을 전해질로 사용하는 전지로 주로 100oC 이하 의 저온에서 작동되며, 연료로는 Anode에서는 수소를 Cathode에서는 산소를 사용함.

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