서울의대 의공학교실/서울대학교병원 의공학과 허동은 교수(사진), 하버드 Wyss Institute Donald Ingber 교수 연구팀이 폐의 기본 구성요소인 폐포의 구조와 기능을 완벽하게 재현하는 장기모사 시스템을 이용하여 중증 폐질환을 모사할 수 있는 마이크로칩을 개발하였습니다. 이 칩을 통해 항암치료의 심각한 합병증으로 알려진 폐부종의 새로운 원인을 처음으로 알아냈으며 현재 개발 중인 치료제가 폐부종 치료에 효과적인 것을 밝혀냈습니다.

신약을 개발하기 위해서는 임상실험의 전 단계에서 세포배양실험이나 동물실험을 합니다. 그러나 이 실험들은 많은 비용과 시간이 소요되며 다양하고 복잡한 인체 환경을 정확히 모사하지 못하는 한계가 있습니다.

연구팀은 그 대안으로 인체 장기의 구조와 기능을 완벽하게 재현하는 장기칩을 개발하고 여기에 개발 중인 약을 실험함으로써 약의 임상효과를 정확히 예측하는 실험모델을 구상하였습니다.

폐포는 허파로 들어간 기관지의 끝에 포도송이처럼 달려 있는 작은 공기주머니로 이산화탄소가 혈액에서 나오고 산소가 혈액으로 들어가는 장소입니다. 폐부종(pulmonary edema)은 폐와 연결된 혈관내벽조직이 손상되어 체액이 폐포로 들어가 심한 호흡곤란을 일으키는 무서운 질환으로 피부암이나 신장암에 쓰이는 항암제의 부작용으로 빈번히 나타납니다. 

연구팀은 폐포의 기능을 재현하기 위해 메모리카드만 한 크기의 투명한 플라스틱 칩 내부에 두개의 미세 세포배양공간을 형성하여 위에는 공기가 지나는 폐포 세포를, 아래에는 혈액이 흐르는 모세혈관 세포를 배양한 후 두 세포 사이는 물질 이동이 가능한 분리막을 만들었습니다. 분리막 양쪽에는 주기적으로 진공상태를 만들어 칩 전체가 주기적으로 수축 운동을 하게 하여 우리 몸이 호흡할 때 팽창과 수축을 반복하는 폐포의 모습을 동일하게 재현했습니다.


 (장기칩)                                                                      (장기칩과 페포모식도)

연구팀은 이 칩을 통해 항암제에 의한 폐부종의 발생과정을 완벽하게 재현했습니다. 연구팀은 칩 하단의 모세혈관 채널에 피부암, 신장암 항암제인 interleukin-2(IL-2)를 투여하였더니 IL-2가 모세혈관 세포와 폐포 상피 조직을 손상시켜 모세혈관 채널 속 체액이 폐포로 침투하기 시작했으며 실험 4일 째에는 공기로 차있던 폐포 전체가 체액으로 채워졌습니다.(보충설명 그림 A 참조) 또한 이 과정 동안 폐포에서 자주 관찰되는 섬유소(fibrin)의 형성을 성공적으로 재현하였습니다.(보충설명 그림 B 참조)

연구팀은 우리 몸의 호흡과정에서 생기는 폐포의 수축이완 작용이 항암제에 의한 폐부종을 더욱 악화시킨다는 것을 세계 최초로 밝혀냈습니다. 연구팀은 대조군에는 칩의 수축운동 없이 모세혈관 채널에 IL-2만 투여했고 비교군에는 칩의 수축운동과 함께 IL-2를 투여했습니다. 그 결과 비교군에서 더욱 많은 체액이 폐포 채널로 침투했다. 이는 폐포의 수축 이완 과정이 세포 사이를 더욱 벌어지게 하고 그 틈으로 항암제가 들어가 폐포 상피조직을 더욱 손상시켜 폐부종이 악화되었기 때문입니다.  

연구팀은 또한 장기칩을 이용하여 현재 개발 중인 폐부종 치료제가 치료효과가 있음을 입증하였습니다. 연구팀은 비교군에서는 모세혈관 채널에 IL-2와 함께 Angiopoietin-1이나 GSK에서 개발 중인 transient receptor potential vanilloid 4 (TRPV4) ion channel inhibitor를 투여하고 대조군에는 IL-2만 투여한 후 비교 관찰하였습니다. 6시간 후 대조군에서는 조직 투과성(Barrier permeability)이 정상상태와 비교했을 때 15배까지 증가했으나 비교군에서는 통계학적으로 유효한 투과성의 증가가 측정되지 않았습니다. 조직 투과성이란 모세혈관내의 체액이 폐포로  얼마나 침투했는지를 나타내는 지표로 비교군이 대조군에 비해 10배 이상 체액의 폐포 침투를 억제하는 것으로 나타났습니다.

허동은 교수는 "이번 연구의 결과는 마이크로 기술을 기반으로 개발 중인 장기모사시스템들이 난치성 질병발생과정의 메커니즘의 규명하는 기초의학연구나 새로운 치료약, 치료법의 개발에 유용하게 쓰일 수 있다는 가능성을 처음으로 제시한다는 점에서 의의가 깊다"라고 말했습니다.

현재 연구팀이 개척하고 있는 장기칩(organs-on-chips) 기술개발은 인체의 생리학적 현상을 정확히 재현하고 예측할 수 모델시스템이 없는 의학계와 의료업계의 현실에서 새로운 대안을 제시해 줄 수 있는 연구 분야로 각광받고 있습니다.

이러한 연구주제는 최근 미국의 FDA (Food and Drug Administration, 식약청), NIH (National Institutes of Health, 국립보건원), DARPA (Defense Advanced Research Project Agency, 국방성)등과 같은 핵심 정부기관에 의해서 앞으로 5년 내에 의학계가 해결해야 할 가장 중요한 과제 중에 하나로 선정되어 막대한 정부지원이 뒤따르는 차세대 융합연구의 중점분야로 새롭게 떠오르는 실정입니다.

이 연구결과는 Science의 자매지인 Science Translational Medicine 11월호에 커버 논문으로 선정되었습니다.

[보충설명]
-그림 A

그림 1: 폐부종 폐포의 단면 사진.
모세혈관 속 IL-2 항암제가 모세혈관 내피 조직과 폐포 상피 조직을 손상시켜 공기로 찼던 폐포에 체액이 들어가고 폐포 내부에 섬유소가 형성된 모습.

그림 2: 폐포를 재현한 장기칩
플라스틱 칩 내부에 형성된 위쪽 배양채널에는 폐포 세포(epithelium:폐포 상피 조직)를, 아래의 채널에는 모세혈관 세포(endothelium: 모세혈관 내피 조직)를 배양한 후 두 세포 사이는 물질 이동이 가능한 분리막을 둠. 분리막 양쪽에는 주기적으로 진공상태(cyclic vacuum)를 만들어 칩 전체가 주기적으로 수축 운동을 하게 하여 우리 몸이 호흡할 때 수축하는 폐포의 모습과 동일하게 재현.

그림 3-1: 폐포 단면도
위에는 공기로 채워진 폐포 세포, 아래는 혈액으로 채워진 모세혈관 세포, 그 사이에 분리막이 있음. 붉은색: 체액, 파란색: 공기.

그림 3-2: 장기칩의 폐포 세포를 위에서 관찰한 사진
폐부종을 재현하기 위해 장기칩의 모세혈관 채널에 항암제(IL-2)를 투입하기 전, 폐포 세포를 위에서 내려다 본 모습. 폐포 세포가 공기로 가득 채워져 있음.

그림 4-1: 폐포 단면도
IL-2가 폐포 및 모세혈관 세포를 손상시켜 모세혈관 채널(분리막 아래) 속 체액(붉은색)이 폐포 채널(분리막 위)로 침투하는 모습.

그림 4-2: 장기칩의 폐포 세포를 위에서 관찰한 사진
모세혈관 채널 속 체액이 폐포 채널로 침투하여 시간이 지남에 따라 공기(A)는 줄어들고 체액(L)이 늘어남을 확인할 수 있다.

그림 5-1: 폐포 단면도
폐포 채널(분리막 위)이 체액(붉은색)으로 가득 찬 모습.

그림 5-2: 폐포 세포를 위에서 관찰한 사진
실험 4일째 페포 채널이 체액(L)으로 가득 찬 모습.

-그림B

그림 1: 폐포 단면도
혈관 채널로 항암제 IL-2와 혈청단백질을 투입시킴

그림 2: 장기칩의 폐포 채널을 위에서 관찰한 사진
IL-2 투입 첫 날에는 폐포 채널에서 큰 변화가 없었지만 4일 후 혈관 채널에 있던 혈청단백질이 폐포 채널로 침투하여 폐부종에서 나타나는 폐포 내 섬유소(fibrin clot)가 생김. 뿌옇게 흰 부분이 섬유소.

그림 3, 4: 폐포 내 섬유소
붉은색: 폐포 채널 내 섬유소, 초록색: 폐포 상피세포(Alveolar epithelium)