Revolutionizing regenerative medicine with ALI culture( ALI 배양으로 재생 의학을 혁신하다)

재생 의학에서 공기-액체 인터페이스(ALI; air-liquid interface) 배양 시스템의 관련성과 미래의 ALI 배양 응용 분야에 대한 전망에 대해 논의합니다. 

ALI 기술에 활용할 수 있는 세포주와 모델 세포주를 선택할 때 고려해야 할 요소에 대해 알아봅니다.

공기-액체 인터페이스(ALI) 기술이 오늘날 재생 의학에서 점점 더 중요해지고 있는 이유는 무엇입니까?

인구 고령화와 오염으로 인해 만성 폐쇄성 폐질환(COPD) 및 폐암과 같은 호흡기 질환의 증가는 첨단 치료 접근법의 필요성을 강조합니다. 폐 조직은 재생 능력이 제한되어 있으며, 기도 상피 세포는 하루에 1% 미만으로 재생되기 때문에 간질성 폐렴과 같은 질환에 대한 치료는 드뭅니다.

인간 기도 상피 세포를 사용하는 ALI 배양은 종과 인간 간의 중요한 생리학적 차이로 인해 많은 한계가 있는 기존 동물 모델과 비교하여 폐 질환을 연구하기 위한 정확한 모델을 제공합니다. 이 기술은 공기와 영양 배지의 계면에서 세포를 배양하는 것을 포함하며, 이는 호흡기 및 피부와 같은 상피 조직의 자연 환경을 밀접하게 모방합니다.

ALI 배양은 지난 20년 동안 주목을 받았고, 유럽 연합과 미국 FDA는 과학 분야에서 동물 실험을 줄이기 위해 이러한 방법을 옹호하고 있습니다. 재생 의학 분야에서는 환자 세포의 공학적 조직 조각의 잠재적 사용을 포함하여 개인화된 접근 방식으로 폐 질환을 치료하기 위한 노력이 진행 중입니다. 자가 폐 조직을 사용한 초기 연구는 유망합니다. 이는 연구를 실용적인 재생 의학 치료로 전환하는 데 있어 ALI 문화의 잠재력을 강조합니다.

ALI 기법은 in vivo 조건 복제 측면에서 기존의 수중 세포 배양 방법과 어떻게 비교됩니까?

주변 공기에 노출되기 때문에 ALI 배양액의 세포는 수중 배양물에서보다 대기 가스에 더 쉽게 접근할 수 있습니다. 이러한 노출은 산화 대사에 변화를 일으키고 세포 분화를 촉진합니다. 

사용되는 세포 유형에 따라 섬모 보유 세포와 점액 생성 세포가 ALI 배양에서 발생할 수 있습니다. 이것은 수중 배양 조건에서는 일반적이지 않습니다.

또한 주변 공기는 기도 상피 세포의 형태와 분극에 영향을 미칠 수 있습니다. 예를 들어, 원발성 인간 비강 상피 세포(HNEpC)는 기존의 수중 배양에서 평평합니다. 

살아있는 유기체에서 상피 세포의 분극은 주요 특성입니다. ALI 조건에서 HNEpC는 체외 생검 샘플에서 관찰된 것과 유사한 섬모 박동 빈도를 가진 비슷한 수의 섬모를 개발할 수 있습니다. 

섬모 박동과 점액 생성을 동반한 기능적 물리적 장벽을 포함한 기도 상피 세포의 적응된 구조로 인해 ALI 배양이 전통적인 2D 배양보다 선호됩니다.

수중 배양물과는 달리, ALI 배양에서는 시험 물질을 세포에 직접 첨가할 수 있습니다. 이는 흡입, 분무기 또는 에어로졸과 같은 폐 치료 접근법의 적용을 시뮬레이션합니다. 

ALI 배양은 흡입 연구 및 폐 독성학을 위한 효율적인 고처리량 스크리닝을 가능하게 합니다. 서로 다른 세포 유형의 공동 또는 삼중 배양을 사용함으로써 연구자들은 기도 벽 내의 세포 상호 작용을 더 잘 연구할 수 있습니다. 또한 다공성 막의 기저측 또는 정점 쪽에 세포를 파종하여 서로 국부적으로 다른 세포 유형을 분리하는 것도 가능한데, 이는 기존의 2D 배양에서는 불가능합니다. ALI 배양은 수중 배양에서는 달성할 수 없는 더 높은 수준의 구조적 복잡성과 세포 집단의 다양성을 제공합니다.

ALI에서 일반적으로 사용되는 세포주 유형은 무엇이며, ALI 배양을 위한 모델 세포주를 선택할 때 고려해야 할 중요한 요소는 무엇입니까?

다양한 유형의 모델 세포는 재생 의학의 질문에 대한 ALI 배양에서 일반적으로 사용됩니다. 여기에는 호흡기에서 유래한 일차 체세포, 분리된 인간 줄기세포(예: 골수) 또는 불멸화된 기도 유래 세포주가 포함됩니다.

ALI 배양을 위한 모델로 세포 유형을 선택할 때 다음과 같은 몇 가지 중요한 요소를 고려해야 합니다.

• *기원과 기능: 기원과 기능 측면에서 관심 조직을 밀접하게 모방하는 세포 유형을 선택하십시오. 예를 들어, HBEpC는 기관지에 영향을 미치는 질병을 연구하는 데 적합하며, 세포주 A549는 폐포 기능을 모델링하는 데 사용됩니다.
• *차별화 능력: ALI 조건에서 성숙한 상피 세포로 분화하는 세포 유형의 능력을 평가합니다. 이는 생리학적으로 관련성이 있는 모델을 만드는 데 매우 중요합니다.
• *유전적 안정성: 유전적 이상은 실험 재현성 및 인간 생물학과의 관련성에 영향을 미칠 수 있으므로 통로에 대한 세포주의 유전적 안정성을 고려하십시오.
• *장벽 무결성(Barrier Integrity): 다공성 막에서 성장할 때 세포 유형의 경상피 전기 저항(TEER)을 평가합니다. TEER 값이 높을수록 장벽 무결성이 우수함을 나타내며, 이는 약물 투과성 및 점액 섬모 청소율을 연구하는 데 중요합니다. TEER 값이 1,000 Ω*cm2보다 높은 HNEpC가 이 응용 분야에 가장 적합합니다.
• *자극에 대한 반응: 모델 세포가 생리적 자극 또는 질병 관련 요인(예: 사이토카인, 병원체)에 어떻게 반응하는지 이해하여 의도된 연구 목표를 반영하는지 확인합니다.

다양한 응용 프로그램은 특정 모델 셀에서 가장 잘 지원됩니다. 폐포 틈새의 경우 A549, NCI-H441, NCI-H292 및 hAELVi와 같은 세포주를 철 및 수분 수송 연구 또는 천식 연구에 사용할 수 있습니다. 16HBE14o, BEAS-2B 및 Calu-3와 같은 기관지 조직 세포주는 무엇보다도 약물 수송 또는 세포 독성 연구를 위한 모델로 사용됩니다. RPMI2650는 비강 점막 조직을 모델링하는 데 사용되며 수송 연구 및 비강 내 에이전트의 적용에 유용합니다.

이러한 요인을 기반으로 적합한 세포 유형을 신중하게 선택함으로써 연구자들은 질병 메커니즘을 효과적으로 모델링하고, 치료 개입을 평가하고, ALI 배양을 사용하여 재생 의학 응용 분야를 발전시킬 수 있습니다.

ALI 최적화와 관련된 과제가 있습니까?

올바른 기도 상피 세포를 선택하는 것은 ALI 배양의 민감도에 중요한 역할을 합니다. 또 다른 중요한 고려 사항은 적합한 세포 배양 플라스틱, 특히 다공성 멤브레인 재료를 선택하는 것입니다. 멀티웰 플레이트 형식의 반투과성 멤브레인을 다양하게 공급할 수 있습니다. 일반적인 재료에는 현미경으로 사용할 수 있는 투명 플라스틱으로 제공되는 PET와 현미경 검사에 적합하지 않은 반투명 플라스틱이 포함됩니다. 콜라겐 사전 코팅된 폴리카보네이트 또는 폴리에스테르 멤브레인도 사용할 수 있습니다.

공극 크기는 특히 약물 수송 및 세포 이동과 관련된 연구에서 매우 중요합니다. 공극 밀도는 제조업체에 따라 다를 수 있으며, 이는 배지의 영양소 가용성에 영향을 미칠 수 있습니다. 다공성 멤브레인의 물리적 특성(지형, 강성 및 유리 리간드 가용성)은 세포 접착 및 형태에 영향을 미쳐 실험 결과에 영향을 미칠 수 있습니다.

배양 배지는 세포의 미세환경을 반영하는 수동 확산 및 이온 채널 활성을 지원해야 하며, 시스템에 영향을 미치는 pH 및 완충 시스템과 같은 요인을 지원해야 합니다. ALI 챔버의 미기후를 최적화하려면 주변 온도, 습도, 정전기력 및 멤브레인 표면 소수성을 제어해야 합니다. 또한 삼투압 및 점도, 점액 및 계면활성제 지질층의 수성 내벽과 같은 배양 배지의 특성은 노출 테스트 중 테스트 에이전트의 확산 및 반응 역학에 영향을 미칠 수 있습니다.

전통적인 ALI 배양은 정적이지만, 점액은 점액 섬모 청소를 통해 폐를 순환하기 때문에 동적 배양은 생리적 상태를 더 잘 반영합니다. 따라서 생체 역학, 전단 응력 또는 순환 스트레치를 복제하는 동적 요소를 통합하기 위한 노력이 진행되고 있습니다. 동적 배양은 세포 기계전달을 변화시킬 수 있으며, 이는 차례로 생물학적 효과로 이어질 수 있습니다. 솔루션에는 규칙적인 호흡 동작 중 기계적 힘을 모방하는 lung-on-a-chip 모델, 최적화된 호흡 폐 생물 반응기 및 폐포 인터페이스를 위한 동적 체외 스트레치 모델이 포함됩니다.

재생 의학에서 ALI 기술의 미래에 대해 어떻게 생각하십니까?

재생 의학 분야에서 ALI 기술의 미래는 유망합니다. 기도 상피 세포와 섬유아세포, 평활근 세포 또는 내피 세포를 통합하는 복잡한 삼중 배양 시스템은 상세한 기도 벽 모델을 생성합니다. 면역 세포를 추가하면 폐 선천성 면역 체계를 모델링하는 데 도움이 되어 COPD, 천식, 낭포성 섬유증 및 바이러스 감염에 대한 새로운 치료법으로 이어질 수 있습니다.

ALI는 정확한 질병 모델을 가능하게 하고, 오가노이드 및 랩온어칩(lab-on-a-chip) 시스템과 통합되며, 생명공학 조직을 위한 조직 엔지니어링을 발전시킬 것입니다. 예를 들어, 과학자들은 COVID-19를 모델링하고 SARS-CoV-2 감염을 테스트하기 위해 인간 iPSC 유래 폐포 유형 2 세포와 함께 ALI 배양을 사용했습니다. 줄기 세포 응용 분야가 확장되어 자가 환자 샘플을 사용한 맞춤형 재생 요법으로 이어질 것입니다.

향상되고 신뢰할 수 있는 in vitro 테스트 플랫폼은 동물 모델에 대한 의존도를 줄여 더 빠르고 예측 가능한 독성 평가를 지원합니다. 임상 번역 및 상용화는 재생 치료에 대한 접근성을 높여 생체 내 테스트를 줄이려는 규제 목표에 부합할 것입니다. 결과적으로 재생 의학은 다양한 질병에 대한 진단 및 치료 접근 방식에 혁명을 일으킬 것입니다.