고려대, 당뇨병 치료 가능성 및 동물 실험 대체 가능성 열어
고려대, 당뇨병 치료 가능성 및 동물 실험 대체 가능성 열어
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故이상훈·정석 교수-미국 소아당뇨센터 Maike Sander 공동연구팀

다분야 융합연구로 당뇨 치료 등의 다양한 의생명 분야에 활용 기대
연구진
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[한국대학신문 신지원 기자] 고려대학교(총장 정진택)는 보건과학대학 바이오의공학부 및 KU-KIST융합대학원 고(故) 이상훈 교수, 공과대학 기계공학부 및 KU-KIST융합대학원 정석 교수, 미국 소아당뇨센터의 마이크 샌더(Maike Sander) 교수 및 전예슬 박사 연구팀이 벤처기업 (주)넥스트앤바이오(Next&Bio)의 연구진들과 함께 생체 내 췌장 내부의 유체 미세환경을 모사해 체외에서 췌도 미세 조직의 장기간 배양이 가능한 3차원 세포 배양 기술을 개발했다고 밝혔다. 이 결과는 논문명 〈In vivo–mimicking microfluidic perfusion culture of pancreatic islet spheroids〉제목으로 세계적인 학술지 사이언스(Science)의 자매지인 Science Advances(IF:12.804)에 게재됐다.

랑게르한스섬(Langerhans islets)이라고도 잘 알려진 췌도(췌장섬)는 체내에서 인슐린을 분비하는 조직으로, 췌장(이자) 내부에 위치하며 혈당 조절에 관련된 호르몬 분비에 특화된 약 1000여개의 세포들로 이루어진 섬 형태의 미세조직이다. 췌도가 제 기능을 못할 경우 당뇨에 걸리게 된다. 

[그림 1] 마이크로 웰, 미세 유체 채널, 삼투압 펌프로 개발된 3차원 췌도 세포 배양 미세 유체 관류 칩의 모식도. 삼투압 펌프는 통합 칩의 관류 유동을 제어하고 췌도의 미세환경을 모사하여 생물학적 특성을 유지시켜준다.
[그림 1] 마이크로 웰, 미세 유체 채널, 삼투압 펌프로 개발된 3차원 췌도 세포 배양 미세 유체 관류 칩의 모식도. 삼투압 펌프는 통합 칩의 관류 유동을 제어하고 췌도의 미세환경을 모사해 생물학적 특성을 유지시켜준다.

췌장에 직접적으로 관련된 당뇨와 기타 다른 여러 질병의 원인, 경과, 치료 등에 대한 연구는 꾸준히 진행되고 있지만 기존의 배양 접시에 배양된 세포나 동물 실험 모델만으로는 치료 약물이나 치료법이 갖는 효능을 정확히 분석하고 그 기전을 파악할 수 없다는 심각한 문제를 안고 있다. 더욱이, 동물 실험 규제라는 사회적 흐름에 따라 약물 혹은 치료법의 유효성을 검증할 수 있는 새로운 시스템에 대한 수요 또한 증가하고 있는 추세다.

연구팀은 제1저자인 전예슬 박사의 주도 하에 3차원 세포 배양 기술과 미세유체기술을 활용해 췌도의 유체 미세환경을 구현할 수 있는 새로운 3차원 세포 배양 시스템을 개발했다. 덕분에 동물 실험을 지양하면서도 약물 또는 치료법의 유효성에 대한 검증이 가능해졌으며, 췌장 조직 이식을 통한 당뇨병 치료의 가능성을 구체적으로 증명하게 됐다.

췌도가 제 기능을 못할 경우 걸리게 되는 당뇨는 전 세계적으로 약 3억5000만명의 환자가 있을 정도로 흔한 성인병이며, 환자들은 지속적인 혈당 관리로 인한 생활의 불편함과 수많은 당뇨 합병증, 순간적인 혈당 쇼크 등의 위험 속에서 매일 채혈과 인슐린 주사를 맞아가며 평생 관리해야 하는 어려움을 겪고 있음에도, 특별한 치료법이 없는 문제가 있었다.

이번에 개발한 기술은 췌장 조직을 대량으로 균일하게 배양할 수 있으며, 실제 당뇨 치료제인 톨부타마이드(tolbutamide)와 췌장 이식 시 사용되는 면역억제제인 라파마이신(rapamycin) 등의 약물 투여 시 인슐린 분비 증가, 세포 독성 완화 등의 결과를 보임으로써, 약물 평가에도 활용될 수 있어 산업적으로 가치가 있다는 점도 확인했다.

또한 만들어진 균일한 췌장 조직들을 알지네이트 파이버 내에 집어넣은 후 당뇨를 인위적으로 유발한 쥐에 이식할 경우, 특별한 투약 없이도 쥐의 당뇨병이 완화돼 쥐의 생존기간이 획기적으로 길어지는 것도 확인했다.

[그림 2] 췌도의 미세 환경 모사 및 약물 평가 결과. (가) 배양 유동 조건에 따른 세포-세포 반응 및 인슐린 분비 차이, (나) 배양 유동 조건에 따른 췌도 세포의 구조적 변화, (다) 배양 유동 조건에 따른 면역억제제에 의한 독성 분석
[그림 2] 췌도의 미세 환경 모사 및 약물 평가 결과. (가) 배양 유동 조건에 따른 세포-세포 반응 및 인슐린 분비 차이, (나) 배양 유동 조건에 따른 췌도 세포의 구조적 변화, (다) 배양 유동 조건에 따른 면역억제제에 의한 독성 분석

정석 고려대 기계공학부 교수는 “췌도 조직의 체외 배양에 있어서 특정한 유체 미세환경이 췌장 조직을 장기간 건강하게 배양할 수 있다는 점을 최초로 발견한 점에 의미가 있다”며 “이를 이용해 당뇨병에 걸린 쥐의 증상을 완화할 수 있다는 것을 증명했고, 이것은 췌장 및 췌도 관련 연구에 새로운 진전을 이룰 것으로 기대된다. 나아가 췌도 이식, 당뇨 줄기세포 연구, 췌도 베타 세포의 근본적인 이해도를 높여 당뇨 치료 등의 다양한 의생명 분야에 활용될 것”이라고 기대했다.

故 이상훈 교수의 제자였던 전예슬 박사는 “평소에 학술적 지도와 조언을 아끼지 않으셨던 지도교수님께서 이번 연구 결과를 보셨다면 더욱 기뻐하셨을 것”이라고 연구 발표의 소감을 말했다.

이번 연구는 로고스바이오시스템스와 공동으로 진행 중인 산업자원부 산업기술혁신사업과 한국연구재단 중견연구자지원사업의 지원으로 수행됐다.


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