<KIST 김홍남 박사, 최낙원 박사, 서울대학교 이강원 교수, 서수영(KIST) 학생>

뇌로 이물질이 침입하는 것을 막는 혈관-뇌 장벽. 뇌 기능에 필수적인 물질만 출입을 허용하기에 뇌질환 치료제의 투과도 까다롭다. 때문에 치료제 후보물질들의 혈관-뇌 장벽 투과능 및 치료 효과를 검증하기 위해 혈관-뇌 장벽 등을 모사한 플랫폼이 필요한 실정 이었다.
   ※ 혈관-뇌 장벽(blood-brain barrier) : 혈관과 뇌 사이 물질 전달을 엄격히 제한하는 기능적 장벽

그 가운데 동물모델이나 배양접시 바닥에 평면형태로 형성된 세포배양 모델이 아닌 입체적인 장기 칩 형태로 혈관-뇌 장벽을 모사한 연구결과가 소개되었다. 

한국연구재단은 김홍남, 최낙원 박사(한국과학기술연구원), 이강원 교수(서울대학교) 공동 연구팀이 건국대학교 나승열 교수와 협력하여 혈관-뇌 장벽을 모사한 체외 플랫폼을 선보였다고 밝혔다.
   ※ 장기 칩 (organ on a chip) : 특정 장기를 구성하는 세포를 플라스틱, 고무 등으로 제작된 칩 상에 배양하여 해당 장기의 특성과 기능을 모방하는 기술

과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구사업 등의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 기능성 재료 분야 국제학술지 어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced functional materials)에 11월 5일 온라인 게재되었다.

혈관-뇌 장벽 칩을 이용한 뇌종양 연구와 치료제 발굴, 효능 검사 등을 위한 실마리가 될 것으로 기대된다.

연구팀은 혈관-뇌 장벽을 구성하는 3종 세포(뇌혈관 세포, 성상교세포, 혈관주위세포)를 하이드로겔 기반으로 공배양하여 실제와 유사한 혈관-뇌 장벽을 칩 상에 구현하고, 여기에 3차원 형태의 뇌 암세포를 함께 배양하여 실제와 유사한 암 미세환경이 모사된 뇌종양 모델을 구현했다.

이를 통해 이들 3종 세포가 존재할 경우 뇌 암세포가 주변 조직으로 침윤하는 특성과 항암제에 대한 약물 저항성이 커지는 것을 알아냈다. 나아가 혈관-뇌 장벽을 개방시키는 약물, 진토닌과 만니톨을 이용하여 일시적으로 혈관-뇌 장벽을 개방시켰을 때, 혈관-뇌 장벽 비투과성 항암제의 전달 효과가 증대되는 것을 통해 이 모델을 검증하였다. 

김홍남 박사는 “사람과 상이한 약물반응을 보일 수 있는 동물모델이나 실제 암 미세환경을 모사하기 어려운 암세포 단독 세포배양 모델보다 높은 신뢰도로 약물의 반응결과를 얻을 수 있을 것”이라며“환자 유래의 세포를 이용하여 환자 개인별로 약물 반응을 예측하고 약물 조합군을 찾아내는 개인맞춤의학(personalized medicine)에도 응용될 수 있을 것”이라고 내다봤다.

한편 연구팀은 이번 연구에서 뇌 암 세포주를 이용했지만 추후  정상인 및 환자에서 확보한 세포를 이용해 장기 맞춤형 특징을 모사한 모델로도 이용할 수 있을 것으로 기대하고 있다.

주요내용 설명

<작성 : 한국과학기술연구원, 서울대학교 서수영 학생연구자>

논문명
Triculture Model of In Vitro BBB and its Application to Study BBB-Associated Chemosensitivity and Drug Delivery in Glioblastoma
저널명
Advanced Functional Materials
키워드
Blood-brain barrier (혈관-뇌 장벽), blood-brain barrier-opening (혈관-뇌 장벽 개방), drug delivery (약물 전달), in vitro model (체외 모델), tumor microenvironment (암 미세환경)
DOI
https://doi.org/10.1002/adfm.202106860
저  자
김홍남, 최낙원 박사(공동 교신 저자/한국과학기술연구원) 이강원 교수 (공동 교신 저자/서울대학교), 나승열 교수 (공저자/건국대학교) 서수영 (제1저자/한국과학기술연구원, 서울대학교)

1. 연구의 필요성
 ○ 뇌 질환 중 뇌종양은 완치가 어려운 질병 중 하나인데, 뇌 암세포는 주변 조직으로 침윤하는 특성이 매우 강하고, 주변 조직에 남아 있는 잔여 세포들로 인해 재발하는 경우가 많기 때문이다. 뇌종양의 이러한 특성에 주변 미세환경*이 영향을 끼치는 것으로 알려져 있다.  
     ※ 암 미세환경 (tumor microenvironment) : 암 조직 내에 존재하는 다양한 세포들과 세포외기질, 염증성 환경 등을 포함하는 암세포 주변의 총체적 환경을 이야기하며, 암세포의 증식 및 전이 등에 영향을 끼치는 것으로 알려졌다.
 ○ 뿐만 아니라 뇌혈관에서는 약물의 전달이 제한되는데, 뇌혈관의 경우 타 조직의 혈관과 대비되는 특이적인 기능 (혈관-뇌 장벽*)을 가지고 있기 때문이다.
     ※ 혈관-뇌 장벽 (blood-brain barrier) : 혈관과 뇌 사이에서 물질 전달을 엄격하게 제한하는 기능적 장벽 구조. 뇌 조직으로 이물질이 유입되는 것을 막고, 뇌 기능에 필수적인 물질의 출입만을 선택적으로 허용한다. 해당 기능은 뇌의 항상성 유지에 필수적이지만 뇌 질환 치료제의 투과도 방해한다.
 ○ 뇌종양 치료제를 개발하는 과정에서 이러한 특징들은 필수적으로 고려되어야 하며, 뇌종양 치료제의 효과를 검증하기 위한 플랫폼으로써 뇌 암 환경을 모사하는 3차원 기반의 뇌 암 체외 모델에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.

2. 연구내용
 ○ 하이드로겔 내에 뇌-혈관 장벽을 구성하는 3종류의 주요 세포(사람 유래의 혈관세포, 혈관주위세포, 성상교세포)들을 3차원 상으로 공배양 하여 체외 뇌-혈관 장벽 플랫폼을 개발하였다. 실제 혈관-뇌 장벽의 기능이 구현된 플랫폼에 3차원으로 배양된 뇌 암 스페로이드를 함께 배양하여 뇌 암 모델로 활용하였다.
 ○ 기존에 개발된 체외 뇌 암 모델의 경우, 뇌혈관의 특이적인 기능을 함께 모사하지 않았다는 한계점을 가지고 있었다. 이번에 개발한 플랫폼에서는, 뇌혈관의 특이적인 기능인 혈관-뇌 장벽을 포함한 뇌 암 미세환경을 모사하여 기존 모델의 한계점을 극복하고자 하였다.
 ○ 기존에 개발된 체외 암 모델의 경우, 여러 세포가 섞여 있어 암 세포만을 추출하여 분석하는 것이 어려웠으나, 이번에 개발된 플랫폼에서는 공배양 환경에서 배양된 뇌 암 세포만을 독립적으로 추출하여 유전자 발현 등의 분석이 가능하다는 장점을 가지고 있다.
 ○ 그 결과, 뇌 암 환경에서 염증 사이토카인의 분비가 증가하고, 혈관의 투과도가 증가하는 등 혈관에 구조적 기능적 변화가 발생하였다. 뿐만 아니라 혈관-뇌 장벽 칩 환경에서 배양된 뇌 암 세포의 경우 주변 조직으로 침윤하는 특성과 항암제에 대한 저항성을 보였으며, 유전자 발현 분석을 통해 뇌 암 세포의 침윤 및 약물 저항성 기전을 밝힐 수 있었다.
 ○ 혈관-뇌 장벽 개방물질인 진토닌과 만니톨을 이용하여 뇌-혈관 장벽을 일시적으로 개방하였을 때, 뇌-혈관 장벽 비투과성 항암제의 전달 효과가 증대되는 것을 확인할 수 있었다.

3. 기대효과
 ○ 실제 혈관-뇌 장벽과 비슷한 장벽의 기능을 성공적으로 유도하였으며, 해당 플랫폼은 약물의 혈관-뇌 장벽 투과 효과 검증 뿐 아니라 항암제 스크리닝을 위한 뇌 암 플랫폼으로 응용될 수 있다. 특히 환자 유래의 뇌 암 세포를 이용하여 환자의 약물 저항성을 확인하고, 맞춤형 약물 후보군 발굴 등에 이용될 수 있을 것으로 기대된다.
 

(그림1) 혈관-뇌 장벽 칩 개발 및 기능성 검증
혈관-뇌 장벽을 구성하는 주요 세포들을 3차원 하이드로겔 내에 공배양하는 형태로 실제 혈관-뇌 장벽을 모사하였으며, 형성된 뇌혈관을 중심으로 혈관주위세포와 성상교세포가 접촉점을 이루며 상호작용하는 것이 관찰되었다. 공배양 환경에서 실제 혈관의 투과도(약 10-7 cm/s)와 비슷한 정도의 낮은 투과도 값(약 10-8 cm/s)이 측정되었으며, 이를 통해 혈관-뇌 장벽의 구조적 기능적 모사가 성공적으로 이루어졌음을 확인하였다.
그림설명 및 그림제공 : 한국과학기술연구원, 서울대학교 서수영 학생연구자

(그림2) 뇌종양 모델 개발 및 혈관-뇌 장벽 개방 물질을 이용한 약물 전달
개발된 혈관-뇌 장벽 모델에 스페로이드 형태의 뇌 암세포를 추가 배양하는 형태로 3차원 뇌종양 모델이 개발되었으며, 공배양 환경에서 뇌 암세포의 침윤 특성과 약물 저항성이 큰 것으로 나타났다. 만니톨과 진토닌을 이용하여 혈관-뇌 장벽을 일시적으로 개방하였을 때 혈관-뇌 장벽 비투과성 항암제인 독소루비신의 전달 효과가 증대되는 것으로 나타났다. 
그림설명 및 그림제공: 한국과학기술연구원, 서울대학교 서수영 학생연구자

연구 이야기
<작성 : 한국과학기술연구원, 서울대학교 서수영 학생연구자>

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

동물 실험을 지양하는 세계적인 흐름에 따라 실험동물을 대체할 수 있는 3차원 기반의 장기 칩 개발에 대한 관심과 필요성이 계속해서 커졌다. 그 중에서도 뇌 질환 치료제 개발 단계에서 사용 될 수 있는 뇌혈관 모사 플랫폼 개발에 대한 연구가 활발히 진행되었는데, 뇌혈관의 장벽 기능이 뇌 조직으로의 약물 전달을 방해하기 때문이다. 기대 수명이 증가함에 따라 뇌 질환에 대한 사람들의 관심이 커지는 상황에서 치매와 같은 뇌 질환 치료제 개발에 있어서 도움이 될 수 있는 플랫폼을 제공하고자 연구를 시작하게 되었다.

□ 연구 전개 과정에 대한 소개

해당 연구는 크게 두 개의 과정으로 나뉘어서 진행되었다. 먼저, 혈관-뇌 장벽을 구성하는 주요 세포들을 3차원 하이드로겔 내에 공배양하여 혈관-뇌 장벽 플랫폼을 개발한 뒤 기능성을 평가하였다. 다음으로 기능성이 확인된 혈관-뇌 장벽 플랫폼 내에 3차원상으로 배양된 뇌 암 스페로이드를  추가로 배양하여 뇌 암 모델로 응용하여 암세포의 침윤 기전, 약물에 대한 반응 및 저항성 연구에 이용하였다.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

그동안 개발된 뇌 암 칩의 경우 뇌조직의 핵심이며, 약물 전달에 필수 고려 요인인 혈관-뇌 장벽을 모사하지 않았다. 그리고 여러 종류의 세포가 다 같이 섞인 형태로 존재하여 암세포만을 독립적으로 분리하여 분석하는 것이 어려웠다. 이번 연구에서는 실제와 같은 혈관-뇌 장벽을 구현한 환경에서 뇌 암 세포를 배양하는 형태로 뇌 암 미세환경을 모사하였으며, 해당 환경에서 암세포의 침윤 특성과 약물 저항성이 커지는 것을 확인하였다. 그리고 암 세포만을 독립적으로 분리하여 유전자 발현 등을 분석하여 침윤 및 약물 저항성과 관련된 기전을 확인하였다. 마지막으로 혈관-뇌 장벽을 개방할 수 있는 물질들(만니톨, 진토닌)을 함께 사용하여 혈관-뇌 장벽을 개방함으로써 혈관-뇌장벽 비투과성 약물의 전달 효과가 향상되는 것을 칩 상에서 확인하였다.

□ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나? 실용화를 위한 과제는?

실제 해당 플랫폼이 실용화된다면 병원에서는 환자의 맞춤형 치료제 발굴에, 연구기관이나 제약 회사에서는 개발 중인 치료제의 효능 예측 등에 활용될 수 있다. 실용화를 위해서는 칩의 제작 단계를 단순화하는 작업이 필요하며, high-throughput screening*이 가능하도록 칩의 디자인을 개선할 필요가 있다.
※ High-throughput screening(HTS): 동시에 다수의 물질에 대한 분석을 고속으로 수행할 수 있는 고효율의 물질 탐색 방법.

□ 꼭 이루고 싶은 목표나 후속 연구계획은?

이번 연구를 통해 뇌 암 모델로서의 가능성을 확인한 만큼 추후에 환자 세포를 이용한 연구에 응용해보고 싶다. 환자 개인의 병적 특성이 칩 내에서도 나타나는지 확인하고, 환자에게 적합한 약물 후보군을 발굴하고, 항암제 내성이나 효능까지 예측 할 수 있도록 응용하는 연구를 진행하고 싶다.