국내 연구진이 체내 에너지를 저장하고 호르몬과 같은 물질을 분비하는 백색지방조직을 모방한 생체모사칩을 개발했다. 이 기술을 활용하면 비만으로 발생할 수 있는 합병증과 암의 실마리를 찾을 수 있을 것으로 기대된다.
박태은 울산과학기술원(UNIST) 바이오메디컬공학과 교수팀은 인체 백색지방조직의 생리·병리학적 특징을 모방한 생체모사칩(Microphysiological System)을 개발했다고 6일 밝혔다. 생체모사 기술은 인체 실험을 최소화하면서 관련 질병에 대한 실험을 할 수 있어 활발한 연구가 진행 중인 분야다.
지방조직은 대부분 지방세포로 이뤄진 체내 결합 조직의 한 종류다. 이 중 백색지방조직은 에너지 저장과 항상성 유지, 지방산·호르몬 분비의 역할을 하는 내분비 기관이다. 백색지방조직에 지방이 과도하게 축적되는 현상이 세계 사망률 1위를 차지하고 있는 비만이다.
비만으로 인한 당뇨병과 심혈관계 질환 같은 합병증의 해법을 찾기 위해선 백색지방조직에 대한 분석이 필수적이다. 이에 전 세계적으로 백색지방조직의 생리·병리학적 특징을 닮은 모델을 개발하고 있다. 기존 배양법으로는 단일구 형태의 지방 덩이를 함유하는 지방세포로의 분화가 어렵다는 문제점이 있었고, 분화된 세포의 기능성을 유지하는 것도 어려웠다.
연구팀은 지방조직에서 분리한 세포외 기질(Extra Cellular Matrix, ECM)을 기반으로 하는 하이드로젤(점액과 유사한 점도를 가진 물을 용매로 하는 겔) 구조체 안에 지방조직을 구현하는 방식을 활용해 생체모사칩을 개발했다. 구조체 상부에는 지방세포가 3차원으로 배양된 미세채널이, 하부에는 지방 내피세포가 동시에 배양됐다. 이로써 지방조직의 미세환경까지 고려한 생리·병리학적 특징을 재현할 수 있다는 게 연구팀의 설명이다.
세포외 기질은 조직에서 여러 세포 사이에 공간을 채우는 3차원 구조로, 세포의 분비물이 축적된 분자로 구성된다. 특히 지방조직의 세포외 기질은 비만화 과정에서 조성과 특성이 급격히 변해 지방세포의 움직임을 직·간접적으로 조절한다.
연구팀은 정상·비만 지방조직에 대한 '탈세포화' 기술로 세포외 기질로 이뤄진 하이드로젤을 만들었다. 이 하이드로젤은 조직 특유의 생리·병리학적 특징을 가지고, 정상·비만 지방조직의 특수한 미세환경을 정확히 모사했다. 하이드로젤 구조체 안에서 배양된 1차 지방세포는 장기간 기능을 유지할 수 있다.
연구팀은 정상과 비만의 지방조직 생체모사칩을 제작해 비만으로 인한 혈관 내피세포에서 발생하는 기능 장애를 관찰했다. 비만 지방조직 생체칩으로 실험을 진행한 결과, 비만 지방에서는 면역세포 수가 약 2배 높아지는 것을 확인했다. 비만으로 지방 내염증 반응이 빈번해져 혈관 내피세포가 활성화한 영향이라는 게 연구팀의 설명이다.
아직 명확히 밝혀지지 않은 비만과 암의 연관성에 대해서도 연구를 진행했다. 연구팀은 비만 지방조직 생체칩을 통해 암세포의 조직에 부착되는 양과 이동성이 약 2배씩 증가하는 현상을 발견했다. 비만 지방조직과 암세포의 직접적인 상호작용을 시각화·정량화할 수 있다는 의미다.
윤희정 연구원은 "비만 지방조직의 미세환경을 모사한 생체모사칩으로 혈관 내피세포의 활성화, 염증, 기능 장애, 다른 세포들과의 상호작용을 관찰할 수 있다"며 "지방관 관련된 다양한 질병 기전을 규명하거나 비만 치료제 개발 등에 이용될 수 있을 것"이라고 전했다.
연구 성과는 생체소재 분야 국제학술지 '악타 바이오머터리얼리아(Acta Biomaterialia)'에 지난 1월 29일에 게재됐다.
[참고 자료]
Acta Biomaterialia, DOI: 10.1016/j.actbio.2023.01.040