장기 칩

장기 칩(Organ on a chip)은 전자회로가 놓인 칩 위에 살아있는 특정 장기를 구성하는 세포를 배양함으로써, 해당 장기의 기능과 특성뿐만 아니라, 역학적, 생리적 세포반응을 모방하는 기술이다. 특정 장기의 세포운동이나 물리 화학적 반응의 메커니즘을 상세하게 연구할 수 있고, 또 신약개발이나, 독성평가에 대한 모델로서 이용될 것으로 기대 받고 있는 소재이다^[1][2][3][4]

Organ on a chip.

전자회로는 장기 칩의 종류에 따라 역할이 다르지만, 공통적으로 장기내부의 모세혈관을 모방해주는 역할과, physiological response를 sensing 하여 데이터로 표출하는 역할을 수행한다. 폐 칩 에서는 media fluid system으로 체액과 공기의 흐름을 전자회로를 이용하여 체내를 모방하였고,^[5] 눈 칩 에서는 세포 종류 별로 구획화 하면서, 인공눈물을 정기적으로 공급하는데 전자회로가 이용된다.

역사

최초의 장기 칩은 2010년 허동은 펜실베니아대 바이오공학과 교수의 주관으로 미국 하버드 위스연구소(Wyss Institute)에서 개발한 약 3cm 가량의 작은 크기의 플라스틱 칩 위에 전자회로와 함께 폐 세포를 배양한 폐 칩이다.^[6] 마이크로 칩 제조 방법으로 전자회로가 깔린 칩 위에 미세 세포 배양 환경을 구축하여 관류 챔버 속에 살아있는 폐 세포와 혈관 세포를 배양함으로써 실제 폐처럼 허파꽈리와 모세혈관을 갖추고 산소와 이산화탄소를 교환하는 기능을 수행한다. 이 폐칩은 폐 관련 질환에 감염되어 질환의 진행상황을 그대로 묘하며 실시간으로 관찰이 가능하다. 심지어 단일 질환이 아닌, 화학요법의 부작용으로 유발된 합병증까지 모사할 수 있는 것으로 알려져 있다.

폐 칩 이후 장기 칩은 심장^[7], 눈^[8][9], 동맥^[10], 신장^[11] 등 여러 모델이 개발되어 있으며, 장기의 세포운동이나 물리 화학적 반응의 메커니즘을 상세하게 연구할 수 있고, 또 신약개발이나, 독성평가에 대한 모델로서 이용될 것으로 기대 받고 있다.

장기 칩의 종류

대표적인 장기 칩의 종류

년 도	기 술 명	연 구 기 관	관 련 논 문
2010	Lung on a chip	미국 하버드대학 위스연구소 허동은교수팀	A Human Breathing Lung-on-a-Chip[12]
2011	Heart on a chip	미국 하버드대학 위스연구소 Kevin Kit Parker	Ensembles of engineered cardiac tissues for physiological and pharmacological study: Heart on a chip†,‡[13]
2014	Eye on a chip	미국 펜실베니아대학 허동은교수팀	A HUMAN BLINKING 'EYE-ON-A-CHIP'[14]
2016	Kidney on a chip	네덜란드 Division of Pharmacology, Utrecht Institute for Pharmaceutical Sciences, Utrecht University Rosalinde Masereeuw팀	Kidney-on-a-Chip Technology for Drug-Induced Nephrotoxicity Screening[15]

Lung on a chip

폐 칩은 최초의 장기 칩으로서, 2010년 미국 하버드대학의 위스 연구소(Wyss Institute)에서 허동은 펜실베니아 교수주관으로 개발되었다. 칩 위에 전자회로를 설치하고, 폐 세포와 모세혈관 세포를 배양하면서 폐 세포에 진공펌프를 이용하여 물리적으로 호흡을 모사하는 팽창, 수축운동을 반복적으로 조성해주었고, 모세혈관 세포영역에는 혈액을 모사하는 배양액을 흐르게 하여 산소공급과 영양분, 노폐물 교환기능을 모방하였다. 투명한 칩을 통해 호흡간 허파꽈리의 운동을 실시간으로 관찰할 수 있다.^[1][16]

Lung-on-a-Chip fig2

Heart on a chip

심장 칩은 2011년 미국 하버드대학의 위스 연구소(Wyss Institute)에서 Kevin Kit Parker 연구팀에 의해 개발되었다. 심근, 심혈관 관련 질환 연구에 이용되며, 신약개발분야에서도 이용되고 있다.^[17]

Heart-on-a-Chip fig2

Eye on a chip

망막 칩 또한 허동은 교수 주관하에 2014년 미국 펜실베니아대학 연구팀에 의해 개발되었다. 스스로 깜빡이는 세포운동을 수행하며, 패턴이 각인 된 칩위에 망막세포를 배양함으로써 구축한 모델이다.^[18]

기술의 응용 범위

동물실험의 대체

현재까지 동물실험에 의존적이었던 신약개발과 독성평가 연구 부문에서는 일부 동물실험을 대체할 수 있을 것으로 전망되며, 인간과 다른 동물이 아닌 실제 인간의 세포에서 반응을 관찰 할 수 있다는 점에서 비교우위에 있다고 평가되고 있다. 사람을 대상으로 한 임상시험의 절차 또한 인공장기의 개발로 대체가 가능할 것으로, 비용과 시간적으로 상당히 단축 할 수 있다.^[19]

체내 세포활동 연구

기존의 2D 배양이나 3D 배양시스템으로 재현할 수 없었던 장기의 약물이나, 화학물질 등에 의한 반응활동을 세포 수준이 아닌, 조직, 장기 수준의 반응을 연구할 수 있다. 또, 다종의 조직 혹은 장기 세포를 동시에 배양하는 Multi organs on a chip 기술을 이용하면, 다종의 세포 혹은 조직간의 물리 화학적 세포 환경과 상호작용을 구현할 수 있으며, 체내 혈관을 실제 장기 수준으로 구축하였다는 점에서 기존의 방법에 비해 더욱 신체를 모방하는 모델로서 주목되고 있다. 각 장기의 역할이나 기능에 대하여 타 장기나 조직이 어떠한 영향을 미치는지, 더 고차원적인 연구가 가능해졌다고 평가받는다.^[19]

질환 메커니즘 연구

장기 칩은 특정 장기에 발병되는 질환의 정확한 진행상황을 실시간으로 관찰하고, 연구함으로써 정확한 치료법을 찾는데에 이용할 수 있는 질환 모델로서 사용될 수 있다.^[20][21][19]

신약 스크리닝

질환이 발병된 장기세포를 이용하여, 어떠한 신약에 대한 유효성과 효과를 인체에 대한 실험과 유사한 수준으로 연구가 가능하다. 이는 동물실험의 대체가능성과 직결되며, 상당한 비용적, 시간적 단축 효과와 함께 윤리문제 또한 해결할 수 있을것으로 기대된다.^[20]

줄기세포와 환자 맞춤형 의료기술로의 응용

줄기세포 기술의 발전과 함께, 미래 의료의 패러다임을 따라 환자 개인 맞춤형 치료제의 개발에도 큰 역할을 할 것으로 전망된다. 환자의 세포를 리프로그래밍하여 유도만능줄기세포를 만든 후 특정 장기세포로 분화시키면, 환자의 유전, 질환정보를 그대로 담고있는 장기세포가 된다. 이를 장기칩 기술에 응용하면 환자에 맞는 신약을 찾거나, 치료법을 개발하는데 응용될 것으로 기대된다.^[22]

환자 유래 줄기세포를 이용한 장기 칩 모델 구축

참고자료

• [Organ on a chip]^[23]

각주

1. “진짜 폐처럼 팔딱팔딱, 눈처럼 깜빡깜빡… ‘생체 칩’의 진화”. 
2. Huh, DD (2015년 3월). “A human breathing lung-on-a-chip.”. 《Annals of the American Thoracic Society》. 12 Suppl 1. PMID 25830834. 
3. “Organs-on-a-Chip for Faster Drug Development”. 
4. “A human disease model of drug toxicity-induced pulmonary edema in a lung-on-a-chip microdevice.”. PMID 23136042. 
5. Huh, DD (2015년 3월). “A human breathing lung-on-a-chip.”. 《Annals of the American Thoracic Society》. 12 Suppl 1. PMID 25830834. 
6. “동아사이언스 뉴스 '장기칩의 진화'”. 
7. Grosberg, A; Alford, PW; McCain, ML; Parker, KK (2011년 12월 21일). “Ensembles of engineered cardiac tissues for physiological and pharmacological study: heart on a chip.”. 《Lab on a chip》 11 (24). PMID 22072288. 
8. “A HUMAN BLINKING ‘EYE-ON-A-CHIP’” (PDF). 
9. Chan, YK; Sy, KH; Wong, CY; Man, PK; Wong, D; Shum, HC (2015년 5월). “In Vitro Modeling of Emulsification of Silicone Oil as Intraocular Tamponade Using Microengineered Eye-on-a-Chip.”. 《Investigative ophthalmology & visual science》 56 (5). PMID 26024114. 
10. Yasotharan, S; Pinto, S; Sled, JG; Bolz, SS; Günther, A (2015년 6월 21일). “Artery-on-a-chip platform for automated, multimodal assessment of cerebral blood vessel structure and function.”. 《Lab on a chip》 15 (12). PMID 25990299. 
11. Wilmer, MJ; Ng, CP; Lanz, HL; Vulto, P; Suter-Dick, L; Masereeuw, R (2016년 2월). “Kidney-on-a-Chip Technology for Drug-Induced Nephrotoxicity Screening.”. 《Trends in biotechnology》 34 (2). PMID 26708346. 
12. Huh, Dongeun (Dan) (2015년 3월). “A Human Breathing Lung-on-a-Chip”. 《Annals of the American Thoracic Society》 12 (Supplement 1). doi:10.1513/AnnalsATS.201410-442MG. 
13. Grosberg, Anna; Alford, Patrick W.; McCain, Megan L.; Parker, Kevin Kit (2011). “Ensembles of engineered cardiac tissues for physiological and pharmacological study: Heart on a chip”. 《Lab on a Chip》 11 (24). doi:10.1039/c1lc20557a. 
14. “A HUMAN BLINKING ‘EYE-ON-A-CHIP’” (PDF). 
15. Wilmer, Martijn J.; Ng, Chee Ping; Lanz, Henriëtte L.; Vulto, Paul; Suter-Dick, Laura; Masereeuw, Rosalinde (2016년 2월). “Kidney-on-a-Chip Technology for Drug-Induced Nephrotoxicity Screening”. 《Trends in Biotechnology》 34 (2). doi:10.1016/j.tibtech.2015.11.001. 
16. Huh, Dongeun (Dan) (2015년 3월). “A Human Breathing Lung-on-a-Chip”. 《Annals of the American Thoracic Society》 12 (Supplement 1). doi:10.1513/AnnalsATS.201410-442MG. 
17. Grosberg, Anna; Alford, Patrick W.; McCain, Megan L.; Parker, Kevin Kit (2011). “Ensembles of engineered cardiac tissues for physiological and pharmacological study: Heart on a chip”. 《Lab on a Chip》 11 (24). doi:10.1039/c1lc20557a. 
18. “A HUMAN BLINKING ‘EYE-ON-A-CHIP’” (PDF). 
19. Baker, Monya (2011년 3월 31일). “Tissue models: A living system on a chip”. 《Nature》 471 (7340). doi:10.1038/471661a. 
20. Reardon, S (2015년 7월 16일). “'Organs-on-chips' go mainstream.”. 《Nature》 523 (7560). PMID 26178942. 
21. Bavli, Danny; Prill, Sebastian; Ezra, Elishai; Levy, Gahl; Cohen, Merav; Vinken, Mathieu; Vanfleteren, Jan; Jaeger, Magnus; Nahmias, Yaakov (2016년 4월 19일). “Real-time monitoring of metabolic function in liver-on-chip microdevices tracks the dynamics of mitochondrial dysfunction”. 《Proceedings of the National Academy of Sciences》 113 (16). doi:10.1073/pnas.1522556113. 
22. Park, D; Lim, J; Park, JY; Lee, SH (2015년 11월). “Concise Review: Stem Cell Microenvironment on a Chip: Current Technologies for Tissue Engineering and Stem Cell Biology.”. 《Stem cells translational medicine》 4 (11). PMID 26450425. 
23. “Organ-on-a-chip”.