KAIST 박제균 교수 연구팀은 다양한 조건에서 항암제 효능의 동시에 평가할 수 있는 종양모델 칩을 개발하였다. 이는 향후 조직이나 장기 특성을 모사하고 생물학적 분석과 약물 효능 평가를 고효율로 수행함으로써 동물실험 대체용 차세대 체외 세포배양 및 분석 기술로 활용될 것으로 기대된다.

KAIST 바이오및뇌공학과 박제균 교수 연구팀은 이 중요한 격차를 해소했다. 연구팀은 조직이나 장기의 복잡한 구조와 조성을 체외환경에서 재현할 수 있는 첨단 바이오프린팅 기술을 사용하여 혈관 벽으로 둘러싸인 3D 종양 모델을 만들었다. 이 모델은 혈관 벽을 모방한 구조로서 약물 분자가 혈관 벽을 통해 확산되고 종양 덩어리 내부까지 침투하는 과정을 모사할 수 있다. 또한, 유체를 정밀 제어할 수 있는 랩온어칩(lab-on-a-chip) 안에 종양모델을 집적시킴으로써, 유동적인 세포배양 환경을 재현하여 다양한 약물 농도에서 보다 정확하고 신뢰할 수 있는 약물 테스트를 가능하게 할 수 있었다.

이러한 효능을 검증하기 위해 연구팀은 단일 칩에 세 가지 다른 조성을 가진 36개의 종양 모델을 바이오프린팅하여 구성했다. 여러 종양 모델은 종양 덩어리를 둘러싼 혈관 벽을 형성하기 위해 유동적인 배지 흐름 하에서 배양되었는데, 이는 물질전달과정에 있어 핵심적인 구조이다. 그런 다음 연구팀은 4가지 농도의 항암제를 도입하여 12가지 조건의 실험을 동시에 진행했다. 이 고처리량 시스템은 테스트 속도를 높일 뿐만 아니라 다변수 분석을 가능하게 하여 기존 방법으로 불가능했던 비교 분석을 통한 결과처리가 가능하다.

연구의 주요 결과 중 하나는 혈관 장벽이 약물 효능에 상당한 영향을 미친다는 것이었다. 연구팀은 이러한 장벽이 종양으로의 약물전달을 어떻게 방해하는지 관찰하여 이러한 중요한 구조를 무시한 기존 모델과 상당한 차이의 결과를 얻을 수 있었다. 이러한 결과는 기존 체외 배양시스템의 한계를 보여줌과 동시에 실험실 연구와 실제 임상 결과 간의 격차를 메울 수 있는 KAIST 플랫폼의 잠재력을 보여주었다. 이처럼 바이오프린팅-랩온어칩 통합기술을 활용해 모델 복잡성, 모델 수, 모델 처리량 등 다양한 변수를 고려한 체외 종양 모델을 제작할 수 있었고, 더욱 신뢰성 있는 약물 평가를 수행할 수 있었다.

박 교수는 “이 성과는 미세유체 세포 배양 및 분석 플랫폼을 기반으로 한 약물 평가에서 큰 진전을 이룬 것”임을 강조하며, “인간 조직의 복잡한 환경을 재현하고 약물이 실제 환자에게 어떻게 작용할지에 대한 보다 정확한 예측을 함으로써 기존 동물실험에 대한 의존도를 줄이고 윤리적이고 지속 가능한 대안을 제공할 수 있을 것”이라고 말했다.

이기현 박사가 제1 저자로 참여한 이번 연구 결과는 국제 학술지 '어드밴스드 헬스케어 머티리얼즈(Advanced Healthcare Materials)'에 “Bioprinted multi-composition array mimicking tumor microenvironment to evaluate drug efficacy with multivariable analysis” 이란 논문 제목으로 최근 게재되었다(https://doi.org/10.1002/adhm.202303716).

또한, 이 논문은 와일리-VCH(Wiley-VCH) 출판사의 “핫 토픽: 종양과 암(Hot Topic: Tumors and Cancer)” 세션과 “핫 토픽: 미세유체공학(Hot Topic: Microfluidics)” 세션에 동시 선정되었으며, 한국연구재단 기초연구사업의 지원을 받아 수행됐다.