천연 혈관을 가진 칩

신약의 효과를 어떻게 연구할 수 있을까요? 전신 반응을 파악하기 위해 여러 장기 간의 상호작용을 더 잘 이해하려면 어떻게 해야 할까요? 생의학 연구에서는 미세생리학 시스템이라고도 불리는 소위 칩상 장기(organ-on-a-chip)의 중요성이 점점 커지고 있습니다. 정밀하게 제어되는 미세유체 칩에서 조직 구조를 배양함으로써 살아있는 사람이나 동물을 대상으로 하는 실험보다 훨씬 더 정확하게 연구를 수행할 수 있습니다.

그러나 큰 장애물이 있었습니다. 혈관 없이는 이러한 소형 장기가 불완전하다는 것입니다. 체계적인 연구를 용이하게 하고 살아있는 유기체와의 유의미한 비교를 보장하기 위해서는 관류 가능한 혈관과 모세혈관 네트워크를 정밀하게 제어하고 재현 가능한 방식으로 구축해야 합니다. 바로 이것이 바로 빈 공과대학교(TU Wien)에서 달성한 것입니다. 연구팀은 초단 레이저 펄스를 사용하여 빠르고 재현 가능한 방식으로 미세 혈관을 생성하는 방법을 개발했습니다. 실험 결과 이러한 혈관은 살아있는 조직의 혈관과 동일하게 기능하는 것으로 나타났습니다. 간 소엽은 칩 위에서 매우 성공적으로 개발되었습니다.

인공 마이크로채널의 실제 세포

"특정 약물이 인체의 다양한 조직에서 어떻게 운반, 대사, 흡수되는지 연구하려면 가장 미세한 혈관 네트워크가 필요합니다."라고 TU Wien의 알렉산드르 오브시아니코프 교수가 설립한 3D 프린팅 및 바이오 제작 연구 그룹의 일원인 앨리스 살바도리는 말합니다.

이상적으로 이러한 혈관은 하이드로젤이라는 특수 소재 내에 직접 생성되어야 합니다. 하이드로젤은 살아있는 세포에 구조적 지지력을 제공하는 동시에 자연 조직과 유사하게 투과성을 지닙니다. 이러한 하이드로젤 내에 미세한 통로를 형성함으로써 혈관과 유사한 구조의 형성을 유도할 수 있습니다. 인체의 실제 혈관 내부를 덮고 있는 세포인 내피 세포가 이러한 통로 네트워크 내에 자리 잡을 수 있습니다. 이를 통해 자연 혈관의 구조와 기능을 매우 유사하게 모방하는 모델이 만들어집니다.

지금까지 가장 큰 과제는 기하학적 구조였습니다. 이러한 미세혈관 네트워크의 모양과 크기를 제어하기 어려웠습니다. 자기 조직화 기반 접근법에서는 혈관의 기하학적 구조가 샘플마다 크게 다릅니다. 이로 인해 재현 가능하고 정밀하게 제어된 실험을 수행하는 것이 불가능하지만, 이는 신뢰할 수 있는 생의학 연구에 꼭 필요한 요소입니다.

향상된 하이드로겔 및 레이저 정밀도

따라서 TU Wien의 팀은 첨단 레이저 기술에 의존했습니다. 펨토초 범위의 초단 레이저 펄스를 사용하면 고정밀 3D 구조를 하이드로젤에 직접 빠르고 효율적으로 작성할 수 있습니다.

"우리는 단 100마이크로미터 간격으로 채널을 만들 수 있습니다. 특정 장기의 혈관 밀도를 자연적으로 재현하고자 할 때 이는 필수적입니다."라고 알렉산드르 오브시아니코프는 말합니다.

하지만 단순히 정밀도만 중요한 것이 아닙니다. 인공 혈관은 빠르게 형성되어야 하며, 살아있는 세포로 채워진 후에도 구조적으로 안정적이어야 합니다. 앨리스 살바도리는 "세포가 주변 환경을 활발하게 변화시킨다는 것을 알고 있습니다. 이는 혈관의 변형이나 심지어 붕괴로 이어질 수 있습니다."라고 설명했습니다. "이것이 바로 재료 준비 과정 또한 개선한 이유입니다."

연구팀은 기존의 단일 단계 겔화 방식 대신, 2단계 열 경화 공정을 사용했습니다. 하이드로겔은 한 단계가 아닌, 서로 다른 온도를 사용하여 두 단계로 가열됩니다. 이를 통해 하이드로겔의 네트워크 구조가 변화하여 더욱 안정적인 소재가 탄생합니다. 이러한 소재 내부에 형성된 용기는 시간이 지나도 열린 상태를 유지하며 형태를 유지합니다.

"우리는 실제로 관류가 가능한 인공 혈관을 제작할 수 있다는 것을 보여주었을 뿐만 아니라, 더 중요한 것은 산업 규모로 활용 가능한 확장 가능한 기술을 개발했다는 ​​것입니다."라고 알렉산르 오브시아니코프는 말합니다. "30개 채널을 패터닝하는 데 단 10분밖에 걸리지 않으며, 이는 다른 기술보다 최소 60배 빠릅니다."

염증 시뮬레이션: 칩의 자연 반응

생물학적 과정을 칩에 현실적으로 모델링하려면 인공 조직이 자연 조직과 유사하게 작동해야 합니다. 그리고 이 또한 이제 증명되었습니다.

앨리스 살바도리는 "이 인공 혈관이 체내 실제 혈관과 똑같이 반응하는 내피 세포에 의해 점유된다는 것을 보여주었습니다."라고 말합니다. "예를 들어, 이 인공 혈관들은 실제 혈관처럼 염증에 반응하여 투과성이 높아집니다."

이는 많은 의학 연구 분야에서 칩상실험실 기술을 산업 표준으로 확립하는 데 중요한 진전을 의미합니다.

간 조직으로 큰 성공을 거두다

"이 접근법을 사용하여 간 모델에 혈관을 형성할 수 있었습니다. 일본 게이오 대학교와 협력하여 제어된 3D 혈관 네트워크를 통합한 간 소엽 칩을 개발했습니다. 이 칩은 생체 내 중심 정맥과 굴모양 혈관의 배열을 매우 유사하게 모방합니다."라고 알렉산드르 오브시아니코프는 말합니다.

"간의 조밀하고 복잡한 미세혈관을 복제하는 것은 오랫동안 장기칩(organ-on-a-chip) 연구에서 난제였습니다. 전체 조직 부피에 걸쳐 여러 겹의 미세혈관을 구축함으로써 충분한 영양분과 산소 공급을 확보할 수 있었고, 이는 결국 간 모델의 대사 활동 개선으로 이어졌습니다. 이러한 발전을 통해 장기칩 기술을 전임상 신약 개발에 통합하는 데 한 걸음 더 다가갈 수 있을 것으로 생각합니다."라고 와타나베 마사후미(게이오 대학교)는 말합니다.

"OoC 기술과 첨단 레이저 기술은 혈관과 간 조직의 더욱 신뢰할 수 있는 모델을 만드는 데 효과적으로 활용됩니다. 중요한 혁신 중 하나는 칩 위에 미세한 조직을 구축하여 체내 혈액 흐름과 유사하게 액체가 흐를 수 있도록 하는 것입니다. 이는 연구자들이 혈류가 세포에 미치는 영향을 더 잘 이해하는 데 도움이 됩니다. 또한 OoC 기술은 현미경으로 세포의 반응을 면밀히 관찰할 수 있도록 합니다. 이러한 모델은 과학자들이 신체의 작동 방식을 연구하는 데 도움이 될 것이며, 향후 더 나은 치료법과 의료 서비스를 개발하는 데 도움이 될 것입니다."라고 게이오 대학교의 료 수도 교수는 말했습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/05/250527124444.htm