인간의 위점막 시스템을 모사한 생체칩이 개발됐다. 헬리코박터균의 감염 상황을 재현해 위암을 비롯한 각종 위장 질환 연구의 초석이 될 것으로 기대된다.
UNIST(총장 이용훈)의 바이오메디컬공학과 박태은 교수 연구팀과 서울대학교병원(원장 김영태) 공성호 교수 연구팀은 오가노이드(Organoid)와 생체칩(Organ-on-a-chip)기술을 접목해 실제 인간의 위점막 보호 기능을 모사한 생체모사칩을 개발했다.
그림1. 인간 위 미세생리 시스템(human stomach MPS) 모식도와 위 상피세포 특이적 발현 세포의 확인
오가노이드는 줄기세포를 통해 사람의 장기를 구현한 장기유사체다. 기존 배양법보다 특이적 기능을 잘 모사해 동물 실험을 대체할 체외 모델로 각광받고 있다. 하지만 인체의 기계적 자극이나 세포 간 상호작용을 구현할 수 없다는 한계점을 보인다.
연구팀은 실제와 유사한 위점막을 구현하고 방어기제 특성을 모사하는 생체칩을 성공적으로 개발했다. 생체칩 내에 미세 유체 흐름을 통해 기계적 자극을 모방하고 세포 간 상호작용의 흐름을 원활하게 만들었다. 유체 흐름에 노출된 중간엽 기질세포가 위 줄기세포의 증식을 활성화하고 분화의 균형을 유지하게 만든다. 궁극적으로 위 점막 장벽을 발달시키는데 필요한 위 점액 분비 세포들의 비율과 성숙도를 생체수준으로 모방하게 된다.
그림2. 위점막 생체모사칩 내 상피-중간엽 기질 세포 간 상호작용에 따른 위 상피세포의 항상성(줄기세포능-분화능 조절) 유지 및 위점막 장벽 형성
연구팀은 개발한 생체칩에서 기존 모델로는 관찰할 수 없었던 헬리코박터균의 방어기제 중 하나를 발견했다. 위점막펩티드(Trefoil factor 1, TFF1)는 위점막층에 안정성을 부여하고 외부 감염 인자로부터 위 상피세포를 보호한다. 연구팀은 위점막펩티드가 집단으로 형성된 헬리코박터균에 모자이크 형태로 발현돼 울타리를 형성함으로써 효율적인 방어시스템을 구축하는 것을 세계 최초로 관찰했다. 반대로 위점막펩티드의 발현을 억제시킨 경우 더 심각한 염증 반응이 일어나는 것을 확인했다.
그림3. 헬리코박터 파일로리균 감염 모델로써 활용된 인간 위점막 장벽 생체모사칩과 위점막펩티드(TFF1) 발현 패턴 변화
박태은 바이오메디컬공학과 교수는 “이번 연구를 통해 실제 헬리코박터 파일로리균에 감염된 칩에서 상피세포 및 면역세포 간의 역동적인 염증 체계 상호작용을 관찰할 수 있는 모델로서의 가능성을 제시했다”고 전했다.
또한 제 1저자 정혜진 연구원은 “이번 연구결과는 위 점막 장벽 안정성의 종합적 이해를 돕는데 기여할 수 있고, 동물 실험을 대체할 위장 체외 모델 개발의 초석 역할을 할 수 있을 것이다”며 “위점막 장벽의 체내 환경을 재현할 수 있는 첫 번째 인간 위장관 생체모사칩으로서 위장의 박테리아 및 바이러스와 같은 감염원에 대한 약물 개발 및 치료 접근성을 향상시킬 것으로 기대한다”고 밝혔다.
이번 연구결과는 과학기술정보통신부 한국연구재단의 기초연구실지원사업 및 우수신진연구과제로 실시됐으며 와일리(Wiley)에서 출판하는 세계적인 학술지인 어드밴스드 사이언스(Advanced Science)에 7월 31일 온라인 공개됐다.