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바이오통신원   
세포 내 나노물질을 고효율로 전달하는 바이오칩 개발
생명과학 고려대학교 (2020-02-21)

고려대학교 보건과학대학 바이오의공학부 정아람 교수 연구팀은 분당 수백만 개 이상의 세포 속으로 다양한 나노물질(금 나노 입자, 기능성 나노 입자, 합성 생물분자, mRNA 등)을 전달할 수 있는 미세 유체 플랫폼(microfluidic platform)을 개발했다.

이 연구결과는 ACS Nano (Impact factor = 13.903)에 2월 19일 온라인 게재에 이어 표지논문으로 선정됐다.

※ 논문명 : Intracellular Nanomaterial Delivery via Spiral Hydroporation

※ 저널링크: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.9b07930 .

※ 주저자 : 정아람 교수(교신저자, 고려대), 강금영(1저자, 고려대)

세포 속으로의 특정 물질 전달은 세포 기반인 생명공학, 그리고 의료 분야에서 꼭 필요한 실험 과정 중의 하나이다. 예를 들어 금 나노 입자는 생명공학에서 약물전달, 이미징, 바이오 센싱, 진단 등을 위해서 사용된다. 또 다른 예로, 핵산(DNA, RNA, mRNA, siRNA)의 세포 내 전달을 통해 특정 유전자의 발현 또는 억제가 가능하고, 이를 이용해 암면역치료로의 CAR-T세포 변환이 이루어진다. 또한 최근 유전자 가위 물질(CRISPR-Cas9)을 세포 속으로 전달하여 다양한 유전자 조작을 통한 질병 치료가 이루어진다.

이를 위해 현재는 보통 바이러스, 전기천공법(electroporation) 또는 양이온 지질(cation lipofection)등의 방법이 사용되고 있다. 하지만 이 방법들은 세포 안정성, 가격, 효율, 처리량 등에 한계가 있다. 이러한 문제점 해결을 위해, 정아람 교수팀은 아래 그림과 같이 미세관내에서 spiral vortex 유동을 이용하여 세포를 변형시키고 순간적으로 세포막을 열어 그 사이로 표적 물질을 효과적으로 전달하는 방법을 학계 최초로 보고했다. 이 연구는 십자형 미세관에서 spiral vortex 유동이 발생한다는 점을 밝혀내면서 기존의 학설을 반증한 점에서 큰 의의가 있다.

기술의 가장 큰 특징으로는 높은 세포 처리량(분당 수백만개 이상의 세포처리), 표적 물질의 크기와 종류에 상관없이 높고 안정적인 전달 효율, 저렴한 플랫폼 가격, 그리고 비전문가도 특별한 교육 없이 사용가능한 접근성이 있다.

세포 내 물질 전달을 통한 세포공학 또는 세포기반의 치료의 연구 방향 모식도
[그림 설명] 세포 내 물질 전달을 통한 세포공학 또는 세포기반의 치료의 연구 방향 모식도

간편한 세포 내 물질 전달 모식도
[그림 설명] (좌) 간편한 세포 내 물질 전달 모식도 (중) 미세유체관내에서 spiral vortex 유동을 이용하여 세포를 변형시키고 일시적으로 세포막을 열어 그 사이로 표적 물질을 효과적으로 전달하는 기법 모식도 (우) 금 나노입자의 세포 내 입자 전달 결과

정아람 고려대 교수는 “더 나아가 세포 내 전달이 어려운 면역 세포와 줄기 세포로의 응용 연구를 현재 진행 중에 있으면 이미 좋은 결과를 얻었다. 이 플랫폼이 실질적으로 생명공학 및 세포기반 치료 연구자들이 직접 쓰일 수 있도록 사업화를 진행 중”이라고 설명했다.

이번 연구는 삼성전자 미래기술육성센터의 지원으로 OIST(Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University)의 Amy Shen 교수 그리고 서울시립대 최인희 교수와의 공동연구로 진행됐다.

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