약물치료 효과를 극대화하려면 장기(臟器)와 혈관의 생체환경에 최적화된 약물 전달 기술이 필요하다. UNIST 연구팀이 ‘장기칩(Organ on a Chip)’ 기술을 이용해 약물 전달 효율을 극대화하는 방법을 내놓았다.

바이오메디컬공학과 박태은 교수와 권태준 교수 연구팀은 쥐의 생체 세포를 배양해 혈액-뇌 장벽(Blood-brain barrier, BBB)을 재현한 장기칩이 치료 약물의 투과율을 높일 수 있음을 입증했다. 장기의 생리적 특징을 더 정확하게 나타내는 세포 기반 파지 디스플레이(phage display) 스크리닝 방법을 이용한 것이다.

<트랜스웰(BBB Transwell)과 장기칩(BBB Chip) 기반 파지디스플레이 스크리닝 비교 모식도>

손가락 두 마디 크기의 장기칩으로 혈액-뇌 장벽을 모사한 결과, 기존의 트랜스웰 모델보다 훨씬 뛰어난 뇌혈관 투과 효율을 보였다. 연구팀은 장기칩 기술이 간, 신장, 폐 등 다양한 장기에 특화된 표적치료제 개발에도 기여할 것으로 기대하고 있다.

이러한 성과는 장기칩 내부의 혈액이 혈관 벽을 따라 이동할 때 마찰력과 유사한 전단응력이 발생했기 때문에 가능했다. 덕분에 혈관 표면에 있는 당질층(Glycocalyx)의 구조와 기능이 정확하게 재현되었다. 결국 장기칩은 생체환경을 효과적으로 모사해 유효한 약물 전달 펩타이드(단백질)를 발견하는 데 성공했다.

<트랜스웰과 미세유체 장기칩 기반 혈액뇌장벽 모델에서의 내피당질층(glycocalys) 발현의 차이>

공동1저자인 최정원 연구원은 “장기칩 기술이 생체 환경을 밀접하게 모방해 표적 기능을 가진 약물 전달체를 발견하는 데 강력한 도구로 활용될 수 있음을 보여준다”고 말했다.

또 다른 공동1저자인 김경하 연구원은 “장기칩 기술이 인간의 생체 조직도 정확히 모델링할 가능성이 높음을 입증했다”며, “향후 약물 전달 시스템 연구에 새로운 가능성을 열 것으로 기대된다”고 전했다.

이번 연구는 치매극복연구개발사업과 한국연구재단 우수신진지원사업, 중견연구자지원사업, 대학중점연구소지원사업, UNIST 미래선도형 특성화사업의 지원을 받아 수행됐으며, 연구 성과는 국제 학술지 ‘ACS NANO’에 지난 5월 22일자로 게재됐다.

(논문명: Organ-on-a-Chip Approach for Accelerating Blood–Brain Barrier Nanoshuttle Discovery)