바이오프린팅(bioprinting) 기술로 다양한 조건의 항암제 효능을 동시에 평가하는 스크리닝 기술이 국내에서 개발됐다.
36가지 종양 미세환경을 유체 채널 내부에 모사해 12가지 실험 조건에 따른 항암제 효능을 동시에 평가하는 것이 새로 개발된 기술의 핵심이다.

실제 인체에 항암제가 투여되면 약물 분자는 혈류를 따라 수송된다.
이 약물 분자들은 혈관 벽을 투과하고 확산한다.
확산한 분자는 종양 덩어리 내부까지 점차 침투해 약물 효능이 나타나게 된다.

KAIST는 바이오및뇌공학과 박제균 교수 연구팀이 복잡한 종양 미세 환경이 구현된 랩온어칩(lab-on-a-chip)을 개발해 여러 분석 변수가 반영된 약물 스크리닝을 수행하는 데 성공했다고 16일 밝혔다.

연구팀이 개발한 랩온어칩은 기존 바이오프린팅 및 랩온어칩 기술의 한계점을 극복, 장점을 극대화했다는 점에서 의미를 갖는다.

바이오프린팅은 세포와 생체재료로 구성된 바이오 잉크로 생체조직 및 기관과 유사한 기능적 구조물을 제작하는 3D 프린팅 기술로, 조직이나 장기의 복잡한 형상과 조성을 체외환경에서 재현할 수 있게 한다.
다만 기존에 바이오프린팅은 제작된 생체모델의 배양 환경 제어와 분석이 어려운 한계를 보였다.

랜온어칩은 미세유체 회로로 구성된 채널 안에서 전처리·분리·희석·혼합·반응·검출 등 각종 시료분석에 필요한 기능을 일괄적으로 수행할 수 있게 만든 미세유체 소자 및 시스템으로, 그간 미세한 유체 통로 내부에 생체 환경을 모사하는 데 한계가 있었다.

연구팀은 이러한 한계를 극복하는 동시에 각각의 장점을 극대화하는 데 연구 방향을 맞췄다.
또 바이오프린팅 기술로 서로 다른 구성의 36개 종양 모델을 랩온어칩 안에 조성한 후 동일한 소자 안에서 12가지 실험 조건에서 각각의 항암제 효능을 동시에 평가하는 데 성공했다.

우선 연구팀은 바이오프린팅이 우수한 공간적 자유도를 가졌고, 다양한 생체재료를 활용할 수 있다는 장점을 이용해 서로 다른 조성(3가지)으로 이뤄진 36개 종양 모델을 하나의 미세 유체소자에 집적시켰다.

이어 세포를 유동 배양해 물질 수송에 핵심 구조물인 혈관 벽과 종양 덩어리를 모사해 4가지 농도의 항암제를 종양 모델에 유입함으로써 하나의 소자에서 12가지 실험 조건의 약물 평가를 수행했다.

이 과정에서 연구팀은 혈관 벽의 영향으로 약물 분자의 수송 능력이 떨어지고, 종양 덩어리 내부까지 침투되는 현상을 관찰할 수 있었다.
무엇보다 체내 수송 과정을 모사하지 못했던 기존 종양 모델과 약물 효능에 큰 차이를 보인다는 것을 확인했다고 연구팀은 강조했다.

이번 연구는 바이오프린팅-랩온어칩 통합기술로 모델 복잡성, 모델 수, 모델 처리량 등 다양한 변수를 고려한 체외 종양 모델을 제작하고, 신뢰성 높은 약물 평가를 수행할 수 있었다는 데 의미가 있다.

박제균 교수는 “바이오프린팅과 랩온어칩의 통합기술로 제작된 미세 유체 세포배양과 분석 플랫폼을 통해 신뢰성 있는 약물 평가 모델을 개발했다”며 “향후 이 기술은 다양한 조직과 장기의 특성을 모사하고, 생물학적 분석과 약물 효능 평가를 고효율로 수행할 차세대 체외 세포배양 및 분석 기술로 활용될 수 있을 것”이라고 말했다.

한편 KAIST 바이오및뇌공학과 이기현 박사가 제1 저자로 참여한 이번 연구 결과는 국제 학술지 '어드밴스드 헬스케어 머티리얼즈' 6월 3일자 온라인판에 게재됐다.
연구는 한국연구재단 기초연구사업(중견연구)의 지원을 받아 수행됐다.