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[Promocell] 체외 폐(in vitro lung) 모델: 호흡기 연구 및 약물 개발을 위한 혁신적인 솔루션!
드림셀
2024-10-18
조회수 453
체외 폐(in vitro lung) 모델
호흡기에 대한 우리의 이해는 지난 몇 년 동안 급격히 향상되었습니다. 체외 폐 모델은 의심할 여지 없이 폐 질환에 대한 이해를 높이고 생명을 구할 수 있는 새로운 치료법을 찾는 데 중요한 역할을 했습니다.
이러한 모델은 폐 생물학 연구, 호흡기 질환 연구, 약물 발견 및 테스트, 환경 노출 연구, 맞춤형 의학 접근 방식에서 매우 유용한 도구입니다.
혁신적인 체외 폐 모델이 호흡기 연구 및 약물 개발을 어떻게 변화시키고 있는지 살펴봅니다.
체외 폐 모델이란 무엇입니까?
체외 폐 모델은 인간 폐의 생리학적 및 병리학적 측면을 신체 외부로 복제하기 위해 실험실이나 클리닉에서 사용되는 고급 세포 배양 시스템입니다.
이러한 모델은 폐 생물학 및 질병 메커니즘을 연구하고 잠재적인 치료법을 테스트하기 위한 통제된 환경을 제공합니다.
체외 폐 모델은 인간의 폐 내 복잡한 상호 작용을 밀접하게 모방함으로써 연구자들에게 이전에는 얻기 어려웠던 통찰력을 얻을 수 있는 강력한 도구를 제공합니다.
in vitro lung 모델 뒤에 숨은 역학
인간의 호흡기에서 가장 중요한 기관인 폐는 주로 폐포 상피세포(I형 및 II형 세포), 폐섬유아세포, 기관지 상피세포,
소기도 상피(기저세포, 중간세포, 섬모세포, 점액세포 생성세포, 곤봉세포)로 구성되어 있습니다(그림 1).
체외 호흡기 모델은 다양한 유형의 폐 세포(예: 기관지 상피 세포, 폐 섬유아세포 및 소기도 상피 세포)와 세포외 기질(ECM) 구성 요소를
통합하여 인간 폐의 세포 다양성 및 생리학의 일부 측면을 요약합니다.
그림 1: 인간 호흡기의 세포 구성.
체외 폐 모델을 확립하는 데 도움이 되도록 당사는 상피 세포, 내피 세포, 섬유아세포 및 평활근 세포를 포함한 광범위한 인간 호흡 세포 유형을 제공합니다.
in vitro lung을 위한 혁신적인 솔루션
당사는 체외 폐 모델 구축에 도움이 될 수 있는 일차 세포 및 특수 세포 배양 배지의 포괄적인 포트폴리오를 제공합니다(그림 1). 당사의 최첨단 제품은 다음과 같습니다.
- *Human Bronchial Epithelial Cells (HBEpC): 이 세포는 기관지 모델을 만드는 데 이상적입니다. 기도 상피 세포 성장 배지(Airway Epithelial Cell Growth Medium)또는 공기-액체 인터페이스 배지(Air-Liquid Interface Medium)를 사용하여 배양할 수 있습니다.
- *Human Pulmonary Fibroblasts (HPF): HPF 세포는 폐 질환에서 섬유아세포의 역할을 연구하는 데 매우 중요합니다. 섬유아세포 성장 배지 2(Fibroblast Growth Medium 2)를 사용하여 성장시킬 수 있습니다.
- *Human Small Airway Epithelial Cells (HSAEpC): 이 세포는 소기도 모델을 만드는 데 유용하며 당사의 소기도 상피 세포 성장 배지(Small Airway Epithelial Cell Growth Medium)를 사용하여 배양할 수 있습니다.
다양한 유형의 체외 폐 모델
수년에 걸쳐 연구자들은 다양한 체외 폐 모델을 개발했습니다(그림 2). 기존의 2차원(2D) 세포 배양에서 고급 3D 오가노이드 및
유기형 모델에 이르기까지 각각 고유한 이점을 제공합니다. 체외 호흡기 모델에는 다음이 포함됩니다.
- *2D 배양 모델: 이는 체외 폐 모델의 가장 간단한 형태로, 세포가 플라스틱이나 유리에 단층으로 성장합니다. 설정이 쉬우며 기본적인 세포 및 분자 생물학 연구와 고처리량 스크리닝을 가능하게 합니다. 그러나 폐의 복잡한 3D 구조가 부족하여 생리학적 관련성을 제한할 수 있습니다.
- *공기-액체 인터페이스(ALI): ALI 배양 시스템은 중간 2D 세포 증식 단계를 통해 일차 인간 세포를 통합하는 안정적이고 기능적인 3D 인간 기도 모델을 생성하는 데 사용할 수 있으므로 2D와 3D 사이의 격차를 해소하는 데 도움이 될 수 있습니다. ALI 배양 시스템 설정에 대한 자세한 내용은 표준화된 호흡기 연구를 위한 AppNote Air-liquid interface 배양 시스템을 제안합니다.
- *3D 오가노이드: 세포를 세포외 기질(ECM) 겔 또는 골격에서 배양할 때 세포는 단순한 장기와 같은 구조로 자체 조직화될 수 있습니다. 3D 오가노이드는 2D 모델보다 복잡하고 in vivo 환경을 더 잘 모방할 수 있어 세포 누화, 분화 및 감염을 분석할 수 있습니다. 그러나 설정 및 유지 관리가 어려울 수 있습니다.
- *유기형 모델: 이러한 모델은 폐의 사실적인 다세포 구조를 모방하고 생체 내 환경을 보다 정확하게 표현합니다. 편광된 공기-액체 계면 배양을 형성하기 위해 투과성 지지체에 배열된 세포는 기도 및 폐포 구조를 재현하여 고급 실험을 가능하게 합니다. 여러 세포 유형을 통합할 수 있으며 세포-세포 및 세포-기질 상호 작용을 연구하는 데 사용할 수 있습니다. 그러나 가장 복잡하고 설정하기 어렵습니다.
- *미세유체 "lung-on-chip" 장치: 이 장치는 엔지니어링된 마이크로채널과 멤브레인을 통합하여 공기 흐름, 액체 관류 및 기계적 변형을 적용하여 동적 폐 미세환경을 모방할 수 있습니다. 전체 폐 생리학 및 세포 상호 작용의 복잡성을 완전히 요약한 모델은 없지만, 호흡기 연구의 치료 발전으로 직간접적으로 전환될 수 있는 귀중한 통찰력을 제공합니다.
그림 2: 다양한 유형의 체외 폐 모델을 보여주는 다이어그램체외 모델은 호흡기 연구에 대한 엄청난 가능성을 가지고 있으며 동물 모델에 비해 몇 가지 이점을 제공합니다.
- *실험 조건에 대한 정밀한 제어: 체외 폐 모델을 통해 연구자들은 변수를 정밀하게 제어할 수 있어 동물 모델에서는 실현 불가능한 수준의 제어를 제공할 수 있습니다.
- *동물 모델에 대한 의존도 감소: 체외 모델을 활용하면 동물 실험의 필요성이 줄어들어 윤리적 고려 사항에 부합하고 비용이 절감됩니다.
- *재현성 및 확장성: 이 모델은 엄격한 과학 연구를 위한 재현성과 고처리량 연구를 위한 확장성을 제공합니다.
- *생리적 상태 모방: 인간의 폐 생물학을 제대로 모방하지 않는 동물 모델과 달리, 인간 세포를 사용하여 개발된 체외 모델은 인간 폐의 생리적 상태를 밀접하게 모방합니다.
- *다양성: 동물 모델과 달리 실험적 필요에 따라 쉽게 조정하거나 인간 폐 질환의 특정 기능을 모방하도록 조정할 수 있습니다.
- *확장성: 약물 스크리닝에는 많은 양의 세포가 필요한 경우가 많으며, 체외 폐 모델은 고처리량 약물 테스트를 가능하게 합니다.
체외 폐 모델의 중요성
폐 생물학 및 질병을 연구하기 위한 정확하고 신뢰할 수 있는 모델로서 체외 폐 모델의 중요성은 학문 분야의 경계를 초월합니다. COVID-19와 같은 호흡기 감염부터 비소세포폐암 및 기타 폐 악성 종양에 이르기까지 폐 질환은 환자와 의료 시스템에 큰 부담을 줍니다(그림 3). 이러한 질병에 대한 더 나은 이해를 얻기 위해 체외 모델을 사용하는 것은 효과적이고 잠재적으로 생명을 구할 수 있는 치료법을 개발하는 데 중요한 역할을 합니다.
- *폐 생물학 연구: 이 모델은 폐 기능의 기본 메커니즘을 이해하는 데 도움이 됩니다. 그들은 폐 발달 과정, 폐에서 다양한 세포 유형의 역할, 다양한 자극에 대한 폐의 반응을 연구하는 데 사용할 수 있습니다.
- *호흡기 질환 연구: 연구자들은 체외 폐 모델을 사용하여 천식, 만성 폐쇄성 폐 질환, 폐암 및 COVID-19와 같은 폐 질환에 대해 더 깊이 이해합니다. 질병 메커니즘을 모델링하고, 질병 바이오마커를 식별하고, 잠재적 치료의 효과를 연구하는 데 사용할 수 있습니다. 체외 폐 모델은 SARS-CoV-2 바이러스와 같은 새로운 공기 중 바이러스의 병원성 메커니즘을 이해하고 전염병 또는 팬데믹으로 발전할 가능성이 있는 호흡기 감염에 대한 새로운 예방 전략 및 치료법을 개발하는 데에도 중요합니다.
- *약물 발견 및 테스트: 체외 호흡기 모델은 신약의 효능과 안전성을 테스트하기 위한 플랫폼을 제공합니다. 약물 후보의 고처리량 스크리닝 또는 약물 흡수, 분포, 대사 및 배설을 연구하는 데 사용할 수 있습니다.
- *환경 노출 연구: 체외 폐 모델은 환경 오염 물질이 폐 건강에 미치는 영향을 연구하는 데 도움이 됩니다. 흡연, 병원균 및 직업적 노출이 폐에 미치는 영향을 모델링하는 데 사용할 수 있습니다.
- *맞춤형 의학: 이 모델은 질병 메커니즘을 연구하고 치료법을 테스트하기 위해 환자별 폐 모델을 만드는 데 사용할 수 있습니다. 이것은 개인화 된 치료 전략을 개발하는 데 도움이 될 수 있습니다.
그림 3: 호흡기 질환의 부담
세계보건기구(WHO) 웹사이트(https://www.who.int/)에서 얻은 데이터.
호흡기 연구의 미래 형성
체외 폐 모델 연구의 과제
호흡기 질환의 동물 모델에 비해 체외 모델의 수많은 장점에도 불구하고 체외 폐 모델을 사용하는 것과 관련된 어려움도 있습니다.
- *세포 상호 작용 복제의 복잡성: 발전에도 불구하고 폐 내의 복잡한 세포 상호 작용을 정확하게 복제하는 것은 여전히 어려운 과제입니다.
- *전신 효과의 제한된 표현: 체외 모델은 전체 유기체에서 볼 수 있는 전신 효과를 완전히 포착하지 못할 수 있습니다.
- *모델 및 실험실 전반의 표준화: 다양한 체외 폐 모델에서 표준화를 달성하는 것은 여전히 어려운 과제로 남아 있으며, 이는 결과 재현성에 영향을 미칩니다.
호흡기 연구를 위한 in vitro 모델 개선
최근 생명 공학, 재료 과학 및 미세 유체 역학의 발전으로 체외 호흡 모델이 크게 개선되었습니다. 발전에는 폐 모델 개발의 재현성을 개선하기 위한 혁신적인 배양 시스템과 향상된 배지 제형이 포함됩니다. 공기 계면에서의 배양은 배지 제형에 따라 뚜렷한 기관, 기관지 또는 폐포 표현형을 형성하기 위해 상피 분화를 유도합니다. 공기-액체 인터페이스(ALI) 배양과 같은 고급 기술과 탈세포화된 폐 골격 및 생체 모방 매트릭스의 사용으로 고유한 호흡기 영역을 포함하는 보다 사실적인 폐 모델을 개발할 수 있었습니다. 추가적인 발전에는 폐의 세포외 기질을 모방하기 위한 고급 생체 재료의 통합, 호흡 동작을 시뮬레이션하기 위한 미세유체 시스템의 개발, 세포 반응의 실시간 모니터링을 위한 고급 이미징 기술의 통합이 포함됩니다.
체외 폐 모델의 진화는 호흡기 연구의 패러다임 변화를 의미합니다. 배양 시스템의 지속적인 발전, 개선된 배지 제형 및 정교한 이미징 기술은 폐 생물학에 대한 이해가 계속 확장됨에 따라 기존 모델과 인간 폐의 복잡성 사이의 격차를 해소하는 보다 정교하고 신뢰할 수 있는 모델을 위한 길을 열었습니다. 체외 폐 모델의 미래는 유망하며, 이러한 모델의 생리학적 관련성과 맞춤형 의료에서의 적용 가능성을 개선하는 데 중점을 둔 지속적인 연구가 진행되고 있습니다.