[3차원 나노섬유 마이크로웰 플랫폼 개발]

약물이나 화장품을 개발할 때, 연구자는 처음부터 사람을 대상으로 독성 반응이나 효능 시험을 할 수 없다. 가장 먼저 실험실에서 세포 단위 실험을 하고 그 다음 동물 실험을 통해 실제 효능이 있는지, 그리고 부작용은 없는지 확인한 이후에나 사람을 대상으로 한 임상시험을 할 수 있다. 하지만 동물은 사람과 생리학적으로 많은 차이가 있기 때문에 약물의 독성 및 반응 실험의 결과가 사람과 다른 경우가 많아 효율성의 문제가 있을 뿐만 아니라 동물 실험에 대한 윤리 문제 또한 재기되고 있어 동물 실험의 존립에 대한 많은 논란이 있다.

만약 사람의 인체와 유사한 인공 장기나 세포군집체를 체외에서 만들 수 있다면 동물실험을 보완하거나 대체할 수 있고, 재생의료, 신약 스크리닝^*1 등에 널리 활용될 수 있다. 그렇기 때문에, 인공장기나 세포군집체를 만들기 위해 과학자들과 의료계의 연구가 계속돼 왔다.

기계공학과 김동성 교수·박상민 박사 팀은 물방울을 접지전극으로 활용하는 전기방사법을 적용해 인체 내 세포 미세환경을 모사한 3차원 나노섬유 마이크로웰(Microwell) 플랫폼을 개발했다. 이 플랫폼을 활용해 인간과 유사한 3차원의 세포군집체를 만들었으며 기존보다 1.5배 향상된 신진대사 기능을 갖춘 간 세포군집체를 구현하기도 했다. 이 세포군집체를 활용하면 동물실험을 보완하여 신약의 효능과 부작용을 검증 할 수 있는 길이 열리게 된다.

우리 몸은 단일 세포와 그 세포들이 모여 있는 세포군집체로 이뤄져 있다. 몸 밖에서 단일 세포들을 키울 수 있어도 몸속에서처럼 세포가 모여 있는 세포군집체를 만드는 일은 어려웠다. 연구팀은 이런 세포군집체를 체외에서 구현하기 위해 표면장력으로 동그랗게 맺힌 물방울의 모양을 활용했다.

연구팀은 표면장력에 의해 볼록하게 형성된 물방울을 접지전극으로 활용한 전기방사법을 적용해 물방울의 반대형상인 오목한 나노섬유 마이크로웰 제작에 성공했다. 이 마이크로웰은 쉽게 말하면 바닥이 오목한 그릇 모양인데 여기에 단일 세포들을 넣으면 오목한 구조 덕분에 바닥의 중심 쪽으로 세포들이 자연스럽게 동그란 모양으로 뭉쳐 세포군집체가 형성된다. 또한, 연구팀은 세포 미세환경과 유사한 나노섬유로 마이크로웰을 구성해 기존보다 1.5배 성능이 향상된 간 세포군집체를 구현하는데에도 성공했다.

또 물방울을 활용했기 때문에 크기와 모양에 유동성을 가지고 있어서 곡선으로 이뤄진 인체 내 다양한 구조적 특징을 반영할 수 있게 됐다. 이 마이크로웰 플랫폼을 활용하면 줄기세포를 키우는 데도 사용할 수 있는데 평평한 바닥에서 세포들을 키운 것 보다 기능성이 더 뛰어날 것으로 예상되어 약물 스크리닝, 재생의료, 인공장기, 생체유용물질 생산 등의 산업 분야에 적용이 가능하다.

연구를 이끈 김동성 교수는 “기존의 마이크로웰에 고기능성 세포군집체 구현을 위한 나노섬유 등 생체 내의 구조를 반영할 수 있는 새로운 방법을 제시한 것”이라며 연구성과의 의의를 밝혔다.

한편 이 연구는 미국화학회가 발간하는 국제학술지 ‘미국화학회 응용물질 및 인터페이스’(ACS Applide Materials and Interfaces)에 11월 7일 게재됐으며 미래창조과학부, 한국연구재단의 중견연구자 지원사업과 생체모사형 메카트로닉스 융합기술개발사업의 지원으로 수행됐다.
 

1. 스크리닝(screening)
약물의 작용점을 제어할 수 있는 물질을 찾는 작업