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‘인체 간암과 유사한 3차원 체외 간암모델’개발
신규 3차원 세포배양 기술을 통한 신약 개발에 기여 기대
특허뉴스 염현철기자 기사입력  2017/10/08 [15:48]

한국생명공학연구원(원장 장규태, 이하 생명硏) 연구진이 사람의 간암과 보다 유사한 간암모델을 체외에서 제작하는데 성공하였다.

기존의 3차원 세포배양 방식보다, 인체의 실제 간암과 유사한 대형의 암 스페로이드*를 제작할 수 있는 새로운 배양기술(Spheroid forming unit, SFU)을 개발한 것이다.

또한, 이를 항암제 효능평가에 활용하여 기존의 2차원 배양에서 보다 생체에 가까운 결과를 얻는데 성공하였다.
* 스페로이드 : 3차원으로 배양된 세포집합체
 
논문명 및 저자정보
생명硏 연구팀(교신저자: 정초록/임정화 박사, 제1저자: 강현미 박사)이 수행한 이번 연구는 생명연의 BIG 사업(Big Issue Group 사업)**의 지원으로 수행되었고, Nature 자매지인 사이언티픽 리포트(Scientific Reports) 9월 5일자 온라인 판에 게재되었다.
(논문명: Cell spheroids with enhanced aggressiveness to mimic human liver cancer in vitro and in vivo)
** BIG(Big Issue Group) 사업 : 미래성장원천 창출을 위해 생명연 주요사업 중 중장기로 추진하는 중대형 사업으로서, 금번 성과는 ‘생체모사 배양 시스템 기반 개인 맞춤 질환모델 개발’ 연구 그룹의 성과임.
   
2차원 세포모델이란 평면의 배양시스템을 말하며 단층적인 세포배양을 의미한다.(그림 1 참고) 그러나 3차원 세포모델이란 평면적 세포 배양과 달리 입체적 세포 배양 시스템을 구성한 것으로 실제 인간의 장기와 유사한 환경을 재현한 것이 특징이다 (그림 1 참고).
 
현재 3차원 세포 모델을 제작하는 기술개발 및 시장은 점점 증가 추세이다. 향후 경제적이고 효과적으로 사람의 간암과 유사한 3차원 간암모델을 제작할 수 있는 SFU 기술은 다양한 분야에 적용가능 할 것으로 기대된다.
 
특히 3차원 세포배양이 2차원 세포배양보다 생체와 유사한 결과를 보여줄 수 있다는 기대와 줄기세포 분야의 발달로 인하여, 최근 관련 세포배양 시장이 급격히 증가하고 있다.
 
기존의 개발된 3차원 세포배양법은 비교적 작은 사이즈 때문에 생체내 종양환경을 반영하기 부족한 면이 있었고, 대형화를 위해서는 세포지지체**를 사용해야 하는 번거로움이 있었다.
** 세포지지체 : 세포가 3차원의 구형으로 성장 할 수 있는 공간을 형성하는 재료

위와 같은 한계를 극복하기 위하여 기존의 3차원 배양방법을 융합한 스페로이드 포밍유닛(spheroid forming unit, SFU) 기술을 개발하였으며, 이를 기업에 기술이전 하여 상용화를 앞두고 있다.
 
현재 다양한 원인으로 발생하는 간암은 한국에서는 발병률이 높으나, 효과적인 표적치료제는 제한적이여서, 새로운 간암 표적치료제 개발을 위해 생체와 유사하고 정확한 체외 간암모델의 필요성이 증가하고 있었다.
 
종래 사용하던 2차원 세포모델보다 항암제 평가를 보완 할 수 있는 3차원 간암모델은 보다 생체와 유사한 특성을 가지고 있어, 항암제의 효능 및 독성 등을 평가하는 정밀한 수단이 될 것으로 주목 받고 있다.
 
줄기세포연구센터 정초록 박사는 “최근 생체를 모방하여 체외에서 각종 질환모델을 개발하고 이를 활용하여 동물실험을 보완 하고자 하는 연구가 활발히 진행되고 있다”며, “본 연구팀의 3차원 세포모델은 보다 정확한 결과를 도출하여 신약 개발의 실패율을 낮추는데 기여 할 것으로 기대된다”고 밝혔다.
 
용어설명
 1. 스페로이드 (Spheroid)
3차원 세포 구조체
2. 스페로이드 포밍유닛(Spheroid forming unit, SFU)
세포 스페로이드를 경제적이고, 효과적으로 제작하기 위해 본 연구진이 개발한 세포배양 기구/기술
3. 생체모방 (Biomimetics)
생체의 독특한 특징을 체외에서 모사하는 기술.
4. 실험동물 대체기술 (Animal alternative experiments)
실험동물사용에 관한 윤리적/법적 규제가 강화 되고, 종간(種間)차이에 발생할 수 있는 결과의 오류를 보완하기 위한 실험동물을 대체할 수 있는 기술. 인공피부모델, 인공각막 모델 등은 이미 상용화 되어 있음.
5. 세포지지체 (Scaffold)
세포의 3차원 배양을 위하여 사용하는 생체재료, 젤(gel)에서부터 디스크(disk) 타입 까지 다양한 지지체가 개발되어 있음.
6. 표적치료제 (targeted therapeutics)
암에서만 특이적으로 발현하는 바이오마커를 표적으로 하여 암세포 특이적 세포살상을 유발하는 물질. 간암의 경우 현재 환자들에게 적용되는 표적 치료는 소라페닙(Sorafenib, 다중 키네이즈 저해제)이 유일하지만, 생존기간을 3~6개월 연장하는데 기여하고 있음.
7. 혈관내피세포 (Human Umbilical Vein Endothelial Cells, HUVECs)
사람의 탯줄에서부터 분리된 혈관내피세포
8. 암줄기세포 (Cancer stem cell)
암세포가 되는 것으로 분화방향이 결정되어 있는 줄기세포, 항암제 내성 및 암재발의 원인으로 제시되고 있음. 
   


▲    2차원 세포 모델과 3차원 세포모델   © 특허뉴스
 
그림설명1. 2차원 세포 모델과 3차원 세포모델
평평한 플레이트에 배양된 2차원세포 (왼쪽 상단)과 2차원 세포모델의 개념도 (왼쪽 하단), SFU 기술로 제작된 대형의 3차원 종양모델 (오른쪽 상단)과 기존 3차원 세포모델의 개념도 (오른쪽 하단)
 

▲  스페로이드 포밍유닛 (SFU)의 기술 개요와 SFU로 제작된 체외 간암모델의 특징   © 특허뉴스
 
그림설명2. 스페로이드 포밍유닛 (SFU)의 기술 개요와 SFU로 제작된 체외 간암모델의 특징
SFU를 활용하여 3차원 체외종양 모델을 제작하는 방법(상단)과 SFU를 활용하여 제작된 다양한 3원차원 간암모델 및 특징(하단); 영양분과 산소 농도의 분배에 의한 세포증식상태의 다양성을 보이고, 저산소 유도인자의 발현이 관찰.



▲   체외 간암모델의 종양원성 증가와 사람의 간암의 유전자발현과 비교 및 항암제 평   © 특허뉴스
  
그림설명 3. 체외 간암모델의 종양원성 증가와 사람의 간암의 유전자발현과 비교 및 항암제 평가
혈관내피세포와 공배양에 의한 체외 간암모델의 간암관련 유전자의 발현증가, pERK 및 pAKT 활성화 (상단), 3차원 체외 간암모델과 사람-간암의 유전자 발현의 유사성 확인 및 이를 활용한 항암제 평가 (하단)
 

기사입력: 2017/10/08 [15:48]  최종편집: ⓒ e-patentnews.com
 
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