오가노이드*는 인체 조직을 높은 정확도로 모사하기 때문에 질병 모델 개발이나 약물 스크리닝뿐만 아니라 개인 맞춤형 의학에도 활용이 가능하다. 하지만 매우 작은 크기의 전기 신호가 발생하는 심장과 뇌 오가노이드는 전기생리신호를 측정하는 것이 매우 어려웠다. 한국 연구진이 다양한 오가노이드에 손쉽게 적용가능한 전기생리신호 모니터링 시스템을 개발하는 데 성공했다.
*오가노이드 : 인간유래 줄기세포를 기반으로 제작되는 3차원 형태의 세포 집합체로, 동물 실험 모델과 2차원 세포 배양 모델을 대체할 실험 모델로 큰 주목을 받고 있다.
KAIST(총장 이광형)는 전기및전자공학부 이현주 교수 연구팀이 한국생명공학연구원(원장 김장성, KRIBB) 국가아젠다연구부 손미영 부장 연구팀 및 줄기세포융합연구센터 이미옥 박사 연구팀과 공동 연구를 통해 오가노이드의 비침습적 전기생리신호 측정을 위한 고신축성 돌출형 미세전극 어레이 플랫폼을 개발했다고 14일 밝혔다.
기존의 오가노이드 관련 연구는 유전자 분석을 위주로 진행되어 왔으며, 상대적으로 오가노이드의 기능성에 대한 연구는 미비한 상태다. 효과적인 약물 평가와 정밀한 생물학 연구를 위해서는 오가노이드의 3차원 형태와 상태를 보존하며 그 기능을 실시간으로 모니터링할 수 있는 기술의 개발이 필요하다.
이 중 전기신호가 발생하는 심장과 뇌 오가노이드의 전기생리신호 측정의 경우, 오가노이드의 제작 방식에 따라 그 크기가 수백 마이크로미터(μm)부터 수 밀리미터(mm)까지 다양하고 형태가 불규칙하기 때문에 오가노이드를 파괴하지 않고 외부 표면에 전극을 밀착하여 측정하는 것은 매우 어려운 일이다.
연구팀은 오가노이드의 크기와 형태에 맞춰 스스로 늘어나 그 표면에 밀착할 수 있는 고신축성 돌출형 미세전극 어레이를 개발했다. 또한, 이를 활용해 오가노이드에서 발생하는 전기생리신호의 실시간 변화를 성공적으로 측정하여 평가했다.
연구팀은 미소 전자 기계 시스템(Micro Electro Mechanical Systems; MEMS) 공정을 개발해 서펜타인(Serpentine) 구조 기반의 고신축성 미세전극 어레이를 제작했으며, 전기증착 공정을 통해 돌출형 미세전극을 제작했다. 돌출형 미세전극은 오가노이드에 전극을 좀 더 강하게 밀착시켜 주어 오가노이드에는 손상이 가하지 않으면서도 안정적으로 전기생리신호를 측정할 수 있게 하였다.
KAIST 이현주 교수는 “다양한 크기의 오가노이드에 활용 가능한 고신축성 돌출형 미세전극 어레이를 개발하여 실시간으로 오가노이드의 상태를 평가할 수 있다. 이번 기술은 신약 개발 시 실험동물을 대체하거나 재생 치료제로써 사용되는 오가노이드의 품질 평가에 바로 적용할 수 있을 것”이라고 말했다.
이번 연구 결과는 KAIST 전기및전자공학부 김기업 박사과정과 한국생명공학연구원 이영선 박사과정이 제1 저자로 참여했으며, 국제 학술지 ‘어드밴스드 머티리얼스 (Advanced Materials)’지에 지난 12월 15일 자 온라인에 게재됐다.
한편, 이번 연구는 산업통상자원부 3D생체조직칩기반신약개발플랫폼구축기술개발사업 및 과학기술정보통신부 국산연구장비기술경쟁력강화사업, 바이오·의료기술개발사업의 지원을 받아 수행됐다.
연구 개요
1. 연구 배경
오가노이드는 인간유래 줄기세포를 기반으로 제작되는 3차원 형태의 세포 집합체로, 동물 실험 모델과 2차원 세포 배양 모델을 대체할 실험 모델로써 큰 주목을 받고 있다. 오가노이드는 인체 조직을 높은 정확도로 모사하기 때문에 질병 모델 개발이나 약물 스크리닝뿐만 아니라 개인 맞춤형 의학에도 활용 가능성을 보여 이와 관련된 다양한 연구들이 진행되고 있다.그러나 기존의 오가노이드 관련 연구는 유전자 분석을 위주로 진행되어 왔으며, 상대적으로 오가노이드의 기능성에 대한 연구는 미비한 상태이다. 오가노이드를 활용하여 효과적인 약물 평가와 정밀한 생물학 연구를 수행하기 위해서는 오가노이드의 3차원 형태와 상태를 보존하며 그 기능을 실시간으로 모니터링할 수 있는 기술의 개발이 필요하다. 오가노이드의 다양한 기능성 중 전기생리신호의 경우에는 매우 작은 크기의 오가노이드와 미세전극의 접촉이 선행되어야 한다. 하지만 전기신호가 발생하는 심장과 뇌 오가노이드는 오가노이드의 제작 방식에 따라 그 크기가 수백 마이크로미터(μm)부터 수 밀리미터(mm)까지 다양하고 형태가 불규칙하기 때문에 오가노이드를 파괴하지 않고 외부 표면에 전극을 밀착하여 전기생리신호를 측정하는 것은 매우 어려운 일이다.
기존에 오가노이드의 비침습적 전기생리신호 측정을 위하여 활용이 되던 미세전극 어레이는 2차원 평면 형태로 3차원 형태의 오가노이드와 원활한 접촉이 어렵고 오가노이드의 배양액 흡수를 방해한다는 한계를 가지고 있었다. 이를 위하여 다양한 형태의 유연 미세전극 어레이가 개발되어 왔으나, 이는 오가노이드의 표면에 미세전극을 밀착시키기 위하여 추가적인 변형 과정을 필요로 하여 사용이 불편하며, 측정할 수 있는 오가노이드의 크기에 한계가 있다. 또한, 이는 기존의 오가노이드 대량 배양 플랫폼과 집적이 어려워 산업화에도 어려움이 있다.
2. 연구 내용
본 연구에서는 MEMS 공정 개발 및 전기증착 공정을 활용하여 다양한 크기의 오가노이드의 전기생리신호 측정에 활용 가능한 고신축성 돌출형 미세전극 어레이를 개발하였다. 본 플랫폼은 오가노이드의 크기와 형태에 맞춰 스스로 늘어나 오가노이드의 표면에 미세전극을 밀착시킬 수 있는 고신축성을 보이며 PEDOT:PSS 전도성 폴리머 기반 돌출형 전극을 포함하고 있다. 소자 자체의 고신축성과 돌출형 전극의 조합을 통해 배양액 내에 부유하게 되는 오가노이드와 미세전극의 접촉을 쉽고 안정적으로 형성할 수 있으며, 이를 통해 비파괴적으로 지속 가능한 전기생리신호 측정을 가능하게 하는 점이 주목할 만한 특징이다.
본 연구진은 제작한 플랫폼을 활용하여 다양한 크기의 심근 스페로이드에서 발생하는 전기생리신호를 실시간으로 측정하고 분석하였으며, 각 크기의 심근 스페로이드의 성숙 및 유지 상태에 따른 전기생리신호 특성 차이를 확인하였다. 또한, 중뇌 오가노이드에서 발생하는 전기생리신호를 측정하여 다양한 전기세포 기반 오가노이드에서의 활용 가능성을 입증하였다. 최종적으로 각 오가노이드에 대해서 다양한 약물에 의해 변조된 전기생리신호 측정을 함으로써 오가노이드 기반 약물 스크리닝에 활용 가능함을 검증하였다.
3. 기대 효과
이번 연구에서 개발한 고신축성 돌출형 미세전극 어레이는 MEMS 공정 및 전기증착 과정으로 활용하여 대량 생산이 가능하며, 마이크로웰과 집적하여 다채널로 확장이 가능하기 때문에 오가노이드의 활용성을 한 단계 높일 것으로 기대된다. 향후 연구는 오가노이드의 다양한 기능성을 모니터링할 수 있는 센서들과 집적하여 다기능성 모니터링 시스템을 제작하고, 미세유체채널을 집적하여 자동 배양 및 약물 스크리닝을 위한 시스템으로 확장할 계획이다. 이를 통해 다양한 오가노이드 질병 모델에서의 기능성을 확인할 뿐만 아니라 환자 유래 오가노이드를 활용한 환자 맞춤형 의료 시스템 구축을 위한 후속 연구가 진행될 예정이다.
그림 1. 고신축성 돌출형 미세전극 어레이의 개념도 [사진=KAIST]
그림 2. 고신축성 돌출형 미세전극 어레이의 모식도 및 오가노이드에 대한 밀착성 확인 [제공: KAIST 이현주]
그림 3. 고신축성 돌출형 미세전극 어레이의 전기생리신호 SNR 개선 효과 검증 [사진=KAIST]
그림 4. 심근 스페로이드와 중뇌 오가노이드를 활용한 약물 스크리닝 결과 [사진=KAIST]