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[Promocell] Organ-on-a-chip(장기 칩) : 큰 영향을 미치는 소형 장기
드림셀
2024-11-20
조회수 30
OOC(Organ-on-a-Chip) 기술 덕분에 침습적 시술이나 동물 실험 없이 인간의 장기를 연구할 수 있는 현실이 되었습니다.
이 소형 장기는 약물 개발 및 생물 의학 연구를 변화시키고 있으며, 통제된 환경에서 인간 생리학에 대한 새로운 통찰력을 제공하고 있습니다.
장기 칩(organ-on-a-chip)이란 무엇입니까?
Organ-on-a-chip 모델은 체외에서 전체 장기 또는 장기 시스템의 기능과 반응을 모방하는 3D 미세유체 장치입니다.
종종 USB 드라이브보다 크지 않은 이러한 미세유체 장치에는 인간 장기의 구조와 기능을 시뮬레이션하도록 배열된 살아있는 인간 세포가 포함되어 있습니다.
특정 장기의 미세환경을 재현함으로써 이 시스템은 기존의 2D 세포 배양보다 인체 생리학을 더 정확하게 표현합니다.
장기 칩(organ-on-a-chip)은 어떻게 작동하나요?
장기 칩(Organ-on-a-chip) 시스템은 3D 구조로 배열된 다양한 세포 유형과 세포외 기질을 통합하여 인간 장기의 미세환경을 재현합니다(그림 1).
또한 혈류를 모방하는 미세유체 채널을 통합하여 지속적인 영양소 공급과 노폐물 제거를 제공합니다. 또한 이러한 시스템은 기계적 힘을 통합하여 장기 기능을 시뮬레이션할 수 있습니다.
장기 칩(organ-on-a-chip) 시스템에 사용되는 세포의 일반적인 공급원에는 내피 세포, 상피 세포, 섬유아세포, 인간 심장 근세포 및 면역 세포가 포함됩니다. 이러한 세포는 칩의 미세유체 채널 내에서 신중하게 배양되어 잠재적인 약물 화합물을 포함한 다양한 자극에 대한 상호 작용 및 반응을 연구할 수 있습니다.
시스템의 설계는 모델링되는 장기에 따라 다릅니다. 예를 들어, lung-on-a-chip 시스템은 일반적으로 호흡을 시뮬레이션하기 위해 스트레칭 동작을 통합하는 반면, liver-on-a-chip 장치는 간세포의 복잡한 대사 기능을 복제하는 데 중점을 둡니다.
그림 1: 장기 칩(organ-on-a-chip) 시스템의 개략도.
장기 칩(organ-on-a-chip) 기술의 구성 요소, 구조 및 설계. Cho S et al., 2023에서 발췌
장기 칩(organ-on-a-chip) 기술의 응용
장기 칩(Organ-on-a-chip) 기술은 약물 개발 및 생물 의학 연구에서 광범위하게 응용됩니다.
- 신약 개발: 이러한 장치를 사용하면 약물 후보를 신속하게 스크리닝할 수 있으므로 신약을 시장에 출시하는 데 드는 시간과 비용을 줄일 수 있습니다.
- 질병 모델링: 연구원들은 칩에 질병 상태를 재현하여 질병 메커니즘 및 잠재적 치료법에 대한 새로운 통찰력을 제공할 수 있습니다. 예를 들어, 암 온 어 칩(cancer-on-a-chip) 모델은 종양 성장과 전이를 연구하기 위해 개발되었습니다.
- 독성 테스트: Organ-on-a-chip 모델은 기존 2D 세포 배양에 비해 새로운 화합물의 독성을 평가하기 위한 보다 정확한 플랫폼을 제공합니다. 이는 동물 실험이 점점 더 제한되는 화장품 및 환경 건강과 같은 산업에 특히 유용합니다.
- 맞춤형 의료: 이러한 시스템은 환자 자신의 세포를 통합함으로써 치료에 대한 개인의 반응을 예측하는 데 도움이 될 수 있습니다. 이는 보다 맞춤화된 치료 접근법으로 이어져 부작용의 위험을 줄이고 치료 결과를 개선할 수 있습니다.
- 면역학 연구: 이러한 시스템을 통해 통제된 환경에서 면역 반응을 자세히 연구할 수 있습니다. 이것은 자가 면역 질환, 알레르기 및 병원체에 대한 신체의 반응을 이해하는 데 특히 유용합니다.
- 혈액-뇌 장벽 연구: 혈액-뇌 장벽을 모델링하는 특수 칩은 약물이 이 중요한 보호층을 어떻게 침투하는지 이해하는 데 도움이 될 수 있으며, 잠재적으로 신경 장애에 대한 보다 효과적인 치료로 이어질 수 있습니다.
OOC 기술의 장점
장기 칩(Organ-on-a-chip) 기술은 기존 연구 방법에 비해 몇 가지 이점을 제공합니다(그림 2).
- 생리학적 관련성, 2D 세포 배양 또는 동물 모델보다 인간 생리학을 더 정확하게 표현합니다.
- 약물의 장기 특이적 효과를 연구하여 약물 개발 과정 초기에 장기 독성을 예측하는 데 도움이 되는 능력.
- 세포 반응을 실시간으로 모니터링하여 시간 경과에 따른 약물 효과에 대한 동적 연구를 수행할 수 있습니다.
- 여러 세포 유형을 단일 칩에 통합하여 복잡한 세포 간 상호 작용을 연구할 수 있는 기회.
- 환자 유래 세포를 사용한 맞춤형 약물 검사의 잠재력.
- 약물 후보 물질을 보다 효율적으로 스크리닝할 수 있도록 하여 약물 개발 프로세스의 비용과 시간을 절감합니다.
- 동물 실험에 의존하지 않는 보다 윤리적인 연구 플랫폼으로, 동물 모델 사용과 관련된 문제를 해결합니다.
- 동물 모델에서 연구하기 어려울 수 있는 희귀 질환 또는 환자별 상태를 모델링할 수 있습니다.
그림 2: 장기 칩(organs-on-a-chip)의 장점과 과제.
기존 연구 방법에 비해 OOC의 주요 이점과 그 한계에 대한 개략적인 그림.
Organ-on-a-chip의 과제와 제한된 정확성
기존 연구 모델에 비해 몇 가지 장점이 있음에도 불구하고 장기 칩(organ-on-a-chip) 시스템은 광범위한 사용을 가로막는 장벽에 직면해 있습니다(그림 2).
- 흡수 문제: 일부 칩 재료는 작은 분자를 흡수하여 실험 결과에 영향을 미칠 수 있습니다.
- 취약성: 이러한 장치의 섬세한 특성으로 인해 작업하기 어려울 수 있으며 전문적인 취급과 전문 지식이 필요합니다.명
- 확장성: 고처리량 스크리닝을 위해 이러한 시스템의 생산을 확장하는 것은 어려울 수 있습니다.
- 표준화: 이러한 모델을 개발하기 위해 보편적으로 수용되는 프로토콜과 재료가 부족하여 서로 다른 실험실 및 실험에서 결과를 비교하는 것이 어렵습니다.
- 복잡성: 인체 장기의 전체 복잡성을 재현하는 것은 여전히 중요한 과제입니다. 이러한 시스템은 2D 배양보다 생리학적으로 더 관련성이 있지만 인간 장기의 복잡성을 완전히 복제할 수는 없습니다.
- 장기적 생존 가능성: 칩의 세포를 장기간 기능 상태로 유지하는 것은 어려울 수 있으며, 장기적인 영향이나 만성 질환을 연구하는 능력을 제한할 수 있습니다.
OOC 연구의 현재 동향과 미래 전망
이 분야는 빠르게 발전하고 있습니다. 연구원들은 여러 장기 칩을 연결하여 'body-on-a-chip' 시스템을 만들기 위해 노력하고 있으며, 이는 복잡한 장기 간 상호 작용 및 약물의 전신 효과에 대한 통찰력을 제공할 수 있습니다.
표준화 노력 또한 보편적으로 수용되는 프로토콜과 자료를 개발하는 것을 목표로 하는 핵심 초점입니다. 다양한 실험실과 실험에서 일관되고 재현 가능한 결과를 보장하는 것은 장기 칩 모델의 결과를 성공적으로 변환하는 데 매우 중요합니다.
또한, 작은 분자를 흡수하는 칩 재료로 인해 부정확한 발견의 위험을 최소화하는 새로운 재료를 개발하기 위한 노력이 계속되고 있습니다. 예를 들어, 장기 칩(organ-on-a-chip) 모델에 사용되는 물질에 의한 소분자 흡수를 최소화하기 위해 유리 기반 장치의 사용이 제안되었습니다.
또한 보다 정교한 센서를 장기 칩(organ-on-a-chip) 장치에 통합하면 세포 반응을 훨씬 더 자세히 실시간으로 모니터링할 수 있습니다.
기술이 성숙하고 표준화를 위한 가드레일이 개발됨에 따라 제약 및 생명 공학 산업에서 채택이 증가할 것으로 예상됩니다.