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3차원 피부모델의 최신 연구개발 동향
3차원 피부모델의 최신 연구개발 동향 저자 장성재 (한국원자력의학원)
등록일 2019.08.16
자료번호 BRIC VIEW 2019-T21
조회 1157  인쇄하기 주소복사 트위터 공유 페이스북 공유 
요약문
3차원 피부모델은 피부 이식을 비롯하여 화장품 및 소재의 독성시험, 바이오소재의 안전성 평가, 기초생물학 연구에 있어서 근간이 되는 플랫폼을 제공한다. 하지만, 최근 사용하고 있는 대부분의 in vitro 모델에는 사람 피부에 존재하는 염증 시스템과 혈관 등이 제외되어 있어 보다 생리적으로 복잡하고 실제에 가까운 피부 모델에 대한 필요성이 증가하고 있는 추세이다. 본래 사람의 피부 면역계에는 매우 다양한 세포들이 존재하기 때문에 이를 in vitro 모델에 도입시킨 새로운 개념의 피부모델을 개발하려는 많은 시도들이 최근 많이 진행되고 있다. 이를 실현하기 위해서는 피부 생물학과 조직공학 사이의 차이 및 특정 질병기와 건강기에 면역계의 서로 다른 역할에 대한 충분한 이해가 필요하다. 본 최신 동향에서는 피부 면역과 최신 면역적합성 피부모델의 설계 방법에 대해 소개할 것이다. 또한, 성공적인 면역적합성 피부모델의 생산을 위해서 필요한 폭넓은 기초적, 기술적 연구 사례와 전 세계적으로 많은 연구자들이 개발 중에 있는 새로운 피부모델에 대해서도 소개할 것이다. 더불어 근미래의 전략 중 유도성 만능줄기세포(induced pluripotent stem cells, iPSCs)와 모델 환경을 조절하는 미소유체 플랫폼(microfluidic platforms), 피부모델들 사이의 생화학적 과정을 실시간으로 모니터링할 수 있는 새로운 기법에 대해서도 언급할 것이다. 끝으로 현재 상용화된 대표적인 피부모델들에 대해서도 간략하게 소개할 것이다.
키워드: 3차원 피부모델(3D skin models), 면역적합성 모델(immunocompetent models), 면역세포(immune cells), 유도성 만능줄기세포(induced pluripotent stem cells), 미소유체 플랫폼(microfluidic platforms), 실시간 모니터링(real-time monitoring)
분야: Medicine

목차

1. 서론
2. 본론
  2.1 피부모델의 개발 과정
  2.2 면역적합성 3차원 피부모델
    2.2.1 피부면역과 피부모델
    2.2.2 최신 면역적합성 3차원 피부모델 개발 동향
    2.2.3 면역적합성 피부모델에서 감염과 염증의 모니터링
  2.3 상용화된 3차원 피부모델
3. 결론
4. 맺는 말
5. 참고문헌


1. 서론

인공피부 관련 연구는 초기 화상치료를 위해 시작되어 최근에는 화장품 등의 동물대체시험법을 위해 필수적인 재료로 활용되고 있으며, 이를 넘어서 신약개발에 있어서 매우 중요한 화합물의 독성검사법으로 그 적용이 확대되고 있는 실정이다. 한편으로 21세기에 들어서 로봇공학과 인공지능(artificial intelligence, AI)의 비약적인 발전과 더불어 오감을 이용하여 주변 환경을 인지하여 정보를 획득하고 지능적 판단, 행위 및 상호작용을 통하여 인간을 지원하는 기계, 전자, 정보, 생체공학의 복합체인 지능형 로봇에 대한 연구도 활발히 진행되고 있는데 [1], 특히, 로봇에 있어서 촉각 센싱을 가진 3차원 로봇 핑거팁 모듈을 이용한 인공피부 모듈 개발도 진행되고 있다.

본 동향보고서를 작성하기에 앞서 저자는 과학자의 습관처럼 3차원 피부모델을 이용한 연구 및 산업 분야에 대해서 인터넷을 이용해 검색을 시도해 보았다. 조사에 대표적인 국내 R&D 연구사업 및 논문, 특허, 보고서 등을 총망라한 검색이 가능한 국가 R&D 정보 사이트인 NTIS (www.ntis.go.kr)과 이와 연계된 국가과학기술정보 사이트인 NDSL (www.ndsl.kr)을 사용하였다. NTIS와 NDSL은 서로 링크되어 검색이 매우 용이하였다. 검색어로 사용한 키워드는 3차원, 인공피부, 피부모델 등을 사용하였는데, 상당한 양의 자료들이 봇물처럼 쏟아진다. 표 1-3에 3차원 피부모델 및 인공피부 관련 국내 연구과제 현황 및 특허 출원 및 등록 현황, 관련 보고서를 비롯하여 최근 3년간 진행되고 있는 3차원 피부모델을 이용한 피부모델의 활용 및 적용 연구에 대하여 정리해 놓았다. 누구나 손쉽게 접근할 수 있는 구글링(www.google.co.kr)과 의학 관련 전문 사이트인 Pubmed (www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed), 생명과학 및 공학 전문 사이트인 Scopus (www.scopus.com) 등도 사용해보니 역시 훌륭한 정보들이 매우 많았다. 국내 관련 연구자들의 경우 연구 과제 기획 등을 위해서는 이들 중에서 역시 국내의 전반적인 국가 R&D 연구과제를 중심으로 검색을 제공하는 NTIS와 함께 NDSL을 활용한 후 관련 키워드를 정리 후 보다 전문적인 사이트로 검색을 확장시켜나가는 편이 좋을 것으로 생각된다.

검색 내용을 살펴보면 최근 피부모델 관련 R&D 연구과제의 경우 3D 프린팅 기술 관련, 동물대체시험법 개발 및 효능평가법 관련, 생체모방 3차원 오가노이드 개발 및 독성 및 안정성 평가법 개발 관련, 멀티 피부모델 기반 평가 기술 개발 관련, 세포 시트 및 스캐폴드 제작 관련 연구들이 주를 이루었으며, 관련 특허들도 출원 또는 등록된 경우가 많았다 (표 1-3). 또한, 신약 개발 관련 역생물공학 기법을 이용한 3차원 세포배양 기반 신약평가 기술 개발과 skin-on-a-chip 바이오센서 개발 연구 등이 정부출연연구기관은 물론 대학 등을 중심으로 진행되고 있는 것을 확인 할 수 있었다.

본 동향보고서에서는 이전에 이미 BRIC View에서 출간된 “동물대체시험법 개발로서의 인공조직 및 인공기관모델(BRIC View 2015-T07)”, “3차원 세포배양 기술의 연구 및 상용화 동향(BRIC View 2018-T38)”에서 자세히 다루지 않은 분야인 실제 사람 피부와 보다 가까운 3차원 피부모델의 개발 관련 최신 연구동향을 해외 저널들을 중심으로 조사 및 분석하여 이 기술들의 현재의 한계점과 미래 연구개발 방향에 대하여 중점적으로 다루도록 하겠다.

2. 본론

2.1 피부모델의 개발 과정

In vitro 수준의 피부모델은 매우 폭넓은 적용 분야를 가지며, 이 때문에 다학제 간 연구가 진행되고 있다. 피부모델은 피부 생물학의 다양한 연구 분야에 활용 가능하도록 입체적인 3차원 플랫폼을 제공하며, 화장품 및 제약 산업에서는 물질의 안전성 테스트에도 적용이 가능하다 [2]. 피부모델의 산업화를 위해서는 실제 피부에서와 같은 면역 반응에 대한 조절 반응 기작을 포함하는 특화된 세포 및 생리적 서브시스템의 다양성 등 구조 및 기능적 복잡성 측면에서 해결해야 할 숙제들이 많이 남아있다.

다양한 동물모델이 피부 연구에 사용되어 왔지만, 조작이 쉽고 저렴하다는 이유로 마우스 모델이 가장 많이 사용되어 왔다. 과거 마우스 모델은 일반적으로 피부 생리학, 생화학, 면역학 연구에 주로 활용되어 왔으며, 또한 인체 적용을 위한 중개연구에 필수적 또는 의무적으로 활용되어 왔다. 마우스와 사람은 해부학, 생리학, 면역학적인 측면에서 많은 부분이 유사하지만, 구조와 기능적인 면에서는 큰 차이를 보인다 [3]. 사람의 경우 마우스에 비해 피부가 더 두꺼우며 모낭의 수가 적다. 또한, 마우스 표피에는 각질세포층이 적기 때문에 사람에 비해 피부장벽 기능이 떨어져 물질이 흡수력이 상대적으로 높다. 피부 면역계는 세포와 세포외기질(extracellular matrix; ECM)의 복잡한 네트워크로 구성된다. 생체에서 면역반응은 항상성 유지 및 숙주가 병원성 미생물에 대해서 방어하도록 도와준다. 마우스와 사람의 피부 면역계는 T세포의 존재 및 위치 그리고 케모카인(chemokines)의 발현, 항미생물 펩티드 유무 등에서 큰 차이를 보인다. 이러한 차이로 인해 마우스의 in vivo 피부모델에서의 획기적인 연구성과가 사람의 피부질환으로 적용이 종종 실패하곤 한다. 사람의 면역계를 포함한 3차원 피부모델은 면역 병리학 분야의 신지견을 제공함으로써 감염증 치료제 신약 및 약물 전달체의 개발이 가능하게 할 것이다 [4]. 하지만, 현재 3차원 피부모델은 면역 성분을 고려하고 있지 않으며, 이는 최근 몇몇 피부질환 모델에 대한 보고에서 특히 강조하여 언급된 부분이다 [5, 6]. 최근 들어 조직공학과 면역세포생물학의 발전으로 인해 많은 연구자들이 사람 피부와 기능적으로 유사하도록 3차원 피부모델에 면역세포를 도입하기 시작했다. 면역적합성 3차원 피부모델의 개발에서 주요 도전 분야는 다양한 면역 성분을 효율적으로 포함시키는 것과 이들 간의 상호작용을 조절할 수 있 도록 환경을 조성하는 것이다.

 

표 1. NTIS 과제 검색 결과 (키워드: 3차원, 피부모델, 인공피부) (원본보기)
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출처: NTIS 통합검색 국가R&D 과제정보 (https://www.ntis.go.kr, produced by Jang)

 

표 2. NTIS 특허 검색 결과 (키워드: 3차원, 인공피부) (원본보기)
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출처: NTIS 통합검색 국가R&D 과제정보 (https://www.ntis.go.kr, produced by Jang)

 

표 3. NDSL 보고서 검색 결과 (키워드: 3차원, 피부모델, 인공피부) (원본보기)
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출처: NDSL 국가과학기술정보센터 (https://www.ndsl.kr, modified by Jang)

 

2.2 피부모델의 개발 과정

2.2.1 피부면역과 피부모델

피부는 기능적으로 다양하며 구조적으로 매우 복잡한데, 기본적으로 표피층(epidermis), 진피층(dermis), 피하층(hypodermis)의 3개의 층으로 구분된 입체적인 3차원 층상 구조를 가진다. 표피는 수분 손실의 조절, 자외선에 대한 방어, 감염을 포함한 조절과 방어 기능을 가진 계층화된 상피로 구성된 혈관이 없는 최외각층이다. 표피는 대부분 분화 정도에 따라서 층층을 이루는 각질세포로 구성된다. 진피는 표피와 기저막 사이를 이어주는 중간층이다. 섬유아세포에서 분비되는 세포외기질이 풍부한 부위로 혈관과 림프관, 신경, 땀샘, 모낭 등이 위치한다. 피부의 가장 하부에는 지방을 저장하는 지방세포로 구성된 지방조직과 느슨한 연결조직들로 이루어진 피하층이 존재하며, 신체의 에너지 보관 및 단열 등의 기능을 가진다. 특히, 사람 피부에는 면역반응의 조절을 위한 다양한 세포들이 존재하는데 표 4과 그림 1에 정리해 놓았다.

한편, 동물의 피부는 사람 피부와 달리 서로 다른 구조와 특성을 가기지 때문에 동물모델을 이용하여 사람의 복잡한 상처 치유와 질병 과정의 규명을 하는 것은 어려울 수 있다. 사실 현재 구축된 2차원과 3차원 건강 피부모델과 피부질환모델로는 사람 피부의 복잡성과 이질성을 구현하기 어려운 것이 현실이다. 앞으로의 기능적으로도 사람의 실제 피부와 유사한 in vitro 피부모델의 개발은 사람과 기본적으로 동일한 생물학적 반응 연구가 가능하여 새로운 치료법의 개발에 기여할 수 있도록 그 적용 범위를 넓혀나가야 한다. 현재 2차원 피부질환모델로 섬유증, 상처, 자가면역이상, 암, 감염증 등의 모델이 개발된 상태이지만 [5, 7], 이들 질환모델은 생체 내의 질환 상태를 대변하지 못하며 3차원 환경에서 재현성이 크게 떨어졌다 [8].

가장 최근에 개발된 조직공학 3차원 피부모델은 표피와 진피층을 모두 포함하며 피부의 원래 모습을 모방한 가장 발전된 구조체를 보여주는데, 현재 활용 가능한 피부모델들의 적용 분야 및 한계에 대해서는 표 5에 정리하였다. 이들 모델은 주로 기초 연구를 비롯하여 제약, 화장품 연구에 적용이 가능하다. 특히, 유럽의 경우 동물 연구를 금지한 2013년부터 화장품 원료와 제품에 대해 in vitro 시험을 의무화하였고, OECD (the Organization for Economic Co-operation and Development)는 피부에 대한 화합물의 자극, 손상, 민감성 시험법의 유효성을 체크하고 있다.

 

표 4. 피부 면역에 관여하는 세포들과 기능 [4]
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(출처: Adv. Healthc. Mater. 2018; 7: 1701405, modified by Jang)
1 cDC: conventional dendritic cells
2 moDC: monocyte-derived dendritic cells
3 pDC: plasmacytoid dendritic cells

 

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그림 1. 사람 피부의 면역 조절에 관여하는 세포들

 

표피 3차원 피부모델은 자외선 노출, 세균 부착, 물질 통과/투과 연구에서 in vitro 평가법으로 활발하게 사용된다 (표 5). 하지만, 이 피부모델에는 연구 결과에 영향을 줄 수 있는 진피층 또는 면역세포가 포함되어 있지 않다. 예로써 실제 표피층에는 자외선 차단에 관여하는 멜라닌세포를 포함하며 자외선 노출 평가에는 이들 세포가 반드시 필요하다. 3차원 피부모델 중 full-thickness 모델은 표피와 진피층을 모두 가지고 있어 진피 투과성, 흡수성 평가, 섬유화, 자가면역질환, 상처 치유, 피부 감염을 포함하는 다양한 적용 및 연구를 위해 개발되었다. 또 다른 3차원 피부모델에는 멜라닌세포와 섬유아세포, 각질세포 등의 상호작용을 이해할 수 있도록 구성되었으며, 혈관내피세포와 멜라닌세포를 공배양하여 상처 치유에서의 상호작용을 규명하기도 하였다. 또한, 최근에는 면역세포를 포함한 간편한 FTSE (full-thickness skin equivalent) 모델도 개발되었다.

 

표 5. 현재 사용 가능한 피부 유사체 및 피부모델의 적용 분야 및 제한점 [4]
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(출처: Adv. Healthc. Mater. 2018; 7: 1701405, modified by Jang)

 

2.2.2 최신 면역 적합성 3차원 피부모델의 개발 동향

(가) 모델 구축

폴리스티렌 또는 유리 위에 단일층 구조로 배양을 하는 2차원 배양에 비해서 보다 복잡한 세포 시스템을 만들기 위해서 3차원 배양의 경우 타원형 spheroids, 구조체 없는 세포 응집체 또는 구조체 매트릭스에서 다양한 세포들을 공배양한다. 감염과 염증반응의 측면에서 최신 3차원 면역적합성 피부모델은 TransWell4, SnapWell5, CellCrown6과 같은 특수 조직배양 용기에 제작한 세포배양체 를 사용한다. 이들 모델은 대부분 섬유아세포군을 포함하는 콜라겐 구조체(진피층), 공기 중에 노출시켜 배양한 각질세포(표피층)으로 FTSE가 구성되며, 세포가 없는 진피층 위에 피부 생검체로부터 분리한 표피층을 위치시킨 후 표피와 진피를 동시에 증식과 분화를 시키는 방식으로 FTSE를 만들기도 한다 (그림 2). 만들어진 3차원 피부모델은 일반적으로 헤마톡실린/에오신(hematoxylin/eosin) 염색과 각각 다른 피부층 마커의 면역염색을 통해서 실제 피부와의 비교 검증을 수행한다 (그림 6-8).

면역적합성 모델을 만들기 위해서는 2종 이상의 면역세포를 FTSE 생성 과정 동안 또는 후에 삽입해야 하는데, 랑거한스세포(LC), 수지상세포(DC), 대식세포, T세포를 혈액에서 분리해서 사용하거나 세포주를 이용하기도 한다. 전혈과 PBMCs (peripheral blood mononuclear cells)를 삽입시키거나, 그림 3a에서와 같이 진피층에 LCs와 DCs를 각질세포와 같이 심어주며, LCs는 그림 3b에서와 같이 FTSEs의 하부에 위치시키면 배양 과정 중에 표피층으로 이동하기도 한다. 이들 면역세포는 세포-특이적 항원인 langerin, 호중구 항원 DR-1, DC-SIGN (dendritic-specific ICAM-grabbing non-integrin)을 표적으로 한 면역염색법을 통해서 확인이 가능하며, 그림 3c에서와 같이 진피와 표피층 사이에 샌드위치 형태로 DCs가 위치하는 것이 관찰 가능하다.

3차원 배양 시에는 공간 구조와 물리적 힘에 의해 유전자 발현과 세포의 습성이 변할 수 있다. 각질세포와 섬유아세포 사이에는 2층 구조에서의 cross talk을 통해서 몇몇 성장인자와 사이토카인이 생산된다. 그림 3에서와 같이 FTSE의 제작 시 agarose-fibronectin 면역세포층을 적용시킬 경우 각질세포와 섬유아세포 사이의 cross talk가 저해 받을 수도 있다. 또한, 구조체 사이에 고수분 겔층을 적용할 경우 피부 임피던스 특정 결과가 복잡해질 수도 있다. 3차원 피부모델에서 샌드위치 형태의 구조체는 분석에 사용할 각 층들을 손쉽게 분리시킬 수 있다는 특히 염증세포들의 위치 확인과 분리 등에서 장점이 있지만, 세포 간의 신호전달 반응에 영향 미칠 수 있다.

대식세포는 배양용기의 밑바닥에 위치시키거나 섬유아세포와 함께 콜라겐 구조체에 섞어줄 수 있으며, 비염증성 마커인 CD209와 범용 대식세포 마커인 CD68 등을 이용하여 세포-특이적 표지를 할 수도 있다 (그림 4). 또한, 그림 4의 오른쪽에서와 같이 콜라겐과 전혈, PBMCs 또는 T세포를 섞어 FTSEs의 transwell insert 하부에 심을 수도 있다.

 

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그림 2. FTSE 3차원 피부모델의 생성 [4]
(출처: Adv. Healthc. Mater. 2018; 7: 1701405, modified by Jang)

 

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그림 3. FTSE 모델에서 수지상세포와 랑거한스세포의 위치 [4]
(출처: Adv. Healthc. Mater. 2018; 7: 1701405, modified by Jang)

 

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그림 4. FTSE 모델에서 대식세포, T세포와 같은 면역세포의 위치 [4]
(출처: Adv. Healthc. Mater. 2018; 7: 1701405, modified by Jang)

 

(나) 구조체의 선택

면역적합성 FTSE들은 대부분 콜라겐 I(랫트 꼬리 유래)으로 이루어진 구조체를 포함한다. 콜라겐 I 수화겔은 3차원 섬유아세포 배양에서 가장 많이 사용하는 ECM으로 피부조직에서 가장 풍부하게 존재하며 적합한 조직 밀도, 세포 안정화, 세포 결합 부위 제공 등의 역할을 하는 ECM이다. 또한, 콜라겐 수화겔은 각질세포, 섬유아세포와 콜라겐 수화겔 사이의 기계적 상호작용에 의해 만들어지는 세포-매개성 수축을 받는데, 이는 상처치유에서 필수 과정이며 많은 피부모델에서 세포 활성화의 측정에 사용되기도 한다. 또한 콜라겐 구조체는 FTSE의 장기배양(약 49일 이상)에도 좋은 것으로 보고된 바 있다 [9].

또 다른 구조체 성분으로 콜라겐을 cross-linking succinimidyl glutarate polyethylene glycol로 화학적으로 변형시킴으로써 기계적 강도를 향상시키고 세포-매개성 수축을 줄여 다양한 모델에 적용시킨 연구도 있다 [10].

Chau 등은 합성 다공성 미세섬유 구조체에 각질세포 또는 섬유아세포를 분리해서 배양하였고, 이 구조체는 상업적으로 판매하고 있는 것이었기에 세포 성장에 별다른 문제는 없었고 각질세포가 이 구조체를 통과하여 결과적으로 표피층의 brick-mortar-like 구조를 제거하였으나, 천연의 피부와 비교했을 때는 큰 차이를 보였다고 한다 [11].

세포가 제거된 조직 구조체를 in vivoin vitro에 적용하여 조직공학과 재생의학적 측면에서 세포 간의 상호작용, 기관 형성, 이식 등의 연구에 사용하기도 했다 [12]. 현재 시체 또는 수술 후 공여에 의해 얻고 있는 사람 무세포 진피 구조체가 임상적으로 사용 가능한 생물공학적 생산 피부 구조체 중 최선의 선택이지만, 질병에서의 면역반응 기작을 밝히는 데 필요한 면역적합성 피부모델의 생산에 최적의 구조체인지의 여부는 좀 더 논의 및 확인 연구가 필요한 실정이다.

(다) 세포 타입과 원천

면역적합성 FTSEs에 사용하는 세포들은 보통 공여받은 피부 시료와 말초혈액으로부터 부분 또는 전체를 사용한다. 하지만 공여자의 다양성과 주기적 획득의 어려움으로 Ouwehand 등은 급성골수성백혈병 세포주인 MUTZ-3를 LCs로 분화시킨 MUTZ-LC를 FTSE에 적용시킨 바 있으나, 이때 FTSE는 피부 시료로부터 제조한 것을 사용했다 [13]. 다른 그룹에서는 마우스 또는 사람 편평상피암 세포주인 PDVA와 A-5RT3를 이용해 만든 epidermal equivalent를 포함하는 FTSEs를 제조해 질환 모델로 사용하였는데, 이때 단핵구/대식세포는 말초혈액으로부터 분리해서 사용하였다 [14].

TERT (telomerase reverse transcriptase)-immortalized N/TERT-1 각질세포와 BJ-5ta 섬유아세포주를 사용한 세포주 FTSE도 개발되었으나, 이 또한 면역세포를 포함하고 있지 않았다 (그림 2c). 아직까지는 FTSE를 구성하는 전체 세포를 세포주로 대체하여 구성한 면역적합성 FTSE는 개발되지 않았다. Chung 등은 LPS (lipopolysaccharide)-유도성 면역반응을 연구하기 위해서 사람 FTSE에 마우스 대식세포를 도입하였는데 [15], 사람과 마우스의 대식세포는 LPS에 대한 반응성이 다르기 때문에 사람 유래의 THP-1 또는 U937과 같은 단핵구/대식세포주가 그 대안이 될 수 있을 것이다.

현재 최대로 2종류의 면역세포를 면역적합성 피부모델에 적용하는 시도가 성공을 했는데, Kuhbacher 등은 전혈과 PBMCs를 FTSEs에 도입하여 Candida albicans (C. albicans) 피부 감염 연구에 사용하였는데, CD4+ T세포 단독으로 사용할 경우 C. albicans의 감염 방어에 효과적이었다고 보고한 바 있다 [9]. 이처럼 생리적인 대표성이 약간 떨어지지만, 단일한 면역세포만을 사용할 경우 실험의 재현성 면에서 매우 우수한 피부모델을 개발한 예도 있다.

(라) 생리학적 연관 피부모델의 요구사항

이상적인 피부모델은 다양한 세포들, 부속물, 지방세포, 혈관 등 실제 피부 구조와 기능을 모사해야 하며, 장기간 배양 가능, 실시간 모니터링이 가능해야 한다 (그림 5). 때문에 실제와 유사한 피부모델을 개발하기 위해서는 아직까지 보완해야 할 부분이 많다. 모델 디자인의 측면에서 고려해야 할 부분으로는 첫째, 피부모델을 구성하는 다양한 세포들의 생물학적 특징과 복잡성이 규명 및 확립되어야 하고, 둘째, 구조체의 선택과 세포와의 공간적 상호작용 등을 비롯하여 모델 배양에 필요한 다양한 사항 등의 정리가 필요하다.

피부모델의 복잡성을 만들기 위해서 보다 폭넓게 다양한 세포를 도입하기 위한 최선의 선택으로 iPSCs (induced pluripotent stem cells)를 사용하는 것을 들 수 있는데, 각질세포와 섬유아세포, 멜라닌세포, 혈관내피세포 등이 iPSCs 유래로 FTSEs에 도입된 예가 있다 [16, 17]. 근 미래에는 3차원 피부모델에 iPSCs를 사용하여 면역세포를 도입할 수 있을 것이며, 실제 줄기세포를 3차원 피부모델에 사용하여 45~50일 장기 배양한 예도 있다 [18, 19]. 현재 iPSCs를 다양한 기능성 림프구 세포로 분화시키는 것이 가능하지만 [20], LCs와 같은 피부 특이적 면역세포로의 분화는 어렵다. 하지만, LCs와 기능적으로 유사한 사람 iPSCs-유래 대식세포가 대안이 될 수도 있다 [21]. 또한, iPSCs는 개인별 피부모델의 개발에 적용시켜 환자 특이적인 약물과 새로운 치료법의 개발에도 사용할 수 있다는 장점을 가진다. FTSEs의 배양에 사용하는 배지의 선택도 매우 중요한데, 한 번에 많고 다양한 세포들의 성공적인 유지가 가능한 배지 또는 혈액 대체제의 개발이 동반되어야 사람의 실제 피부와 유사한 3차원 피부모델의 개발이 가능할 것이다.

현재 구축된 면역적합성 피부모델에서 빠진 피부 혈관/림프관계는 천연 피부에서 항상성과 염증반응에서 산소와 영양분의 공급, 감염 부위로의 면역세포와 사이토카인의 유입 등에 관여하는 매우 중요한 부분이다. 많은 염증성 피부질환은 부족 또는 과도한 혈관 형성에 의한 것이다 [22]. 조직공학적 측면에서 구조체의 변형을 통한 혈관 형성의 증가, iPSCs를 이용한 혈관내피세포의 분화 도입, 3차원 바이오 프린팅 기술을 이용한 미소유체 시스템 등 현재 피부모델의 한계인 영양분의 확산, 면역세포의 이동과 같은 제한점을 극복할 수 있을 것이다. Groeber 등은 무세포 돼지 공장 유래의 FTSE와 혈관 네트워크를 도입하여 동적 배양을 위한 생체반응기를 만들었다고 보고한 바 있다 [3]. 또한, 미소유체학을 skin-on-chip 모델의 생산에 활용하여 조절 가능한 미세환경의 형성과 면역세포의 교환도 가능할 수 있다 [6]. 앞에서 언급한 다양한 기술들의 접목으로 이상적인 피부모델의 개발이 가능할 것으로 기대된다.

2.2.3 면역적합성 피부모델에서 감염과 염증의 모니터링

피부의 장벽 기능은 감염과 질환에 대한 보호 기작에서 가장 중요하다. 피부 임피던스의 측정은 최소한의 침습적 측정법이며 실시간 측정이 가능하다는 장점을 가지지만, 단독으로 사용할 경우 피부 감염과 염증에 대한 바이오마커로써 기대하기는 어렵다. 세포 형광 이미징과 면역염색 기술, 그리고 사이토카인에 대한 정량화 기술(antibody array, ELISA 등), zymography 등을 도입하여 사용한다면 앞으로 면역적합성 3차원 피부모델에 대한 감염 및 염증반응의 실시간 모니터링이 가능할 것으로 기대된다.

 

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그림 5. 근미래의 이상적인 3차원 피부모델 모식도 [4]
(출처: Adv. Healthc. Mater. 2018; 7: 1701405, modified by Jang)

 

2.3 상용화된 3차원 피부모델 예시

2.3.1 MatTek 사의 3차원 피부모델

MatTek 사는 세포배양 관련 배양용기를 비롯하여 다양한 제품군을 보유하고 있으며, 특히, 3차원 피부모델로 EpiDerm, EpiOcular를 시작으로 다양한 피부 조직을 포함하는 EpiCorneal, EpiGingival, EpiOral, EpiAirway, Melanoderm, Psoriasis, EpiIntestinal, EpiVaginal에 이르기까지 많은 라인업을 보유하고 있다. MatTek 사의 3차원 모델의 특징은 미국, 유럽, 일본을 포함한 아시아 각국에서 생산로트별로 품질이 관리된 다양한 종류의 모델을 입수하여 안전성시험 대체법 및 유효성 평가에서의 기술정보가 한층 풍부하다.

 

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그림 6. MatTek 사에서 판매하고 있는 3차원 피부모델
(출처: www.mattek.com, produced by Jang)

 

2.3.2 EPISKIN 사의 3차원 표피모델

EPISKIN 사는 3차원 표피모델 EpiSkin, T-skin, SkinEthic RHE 및 멜라닌세포 함유 표피모델 SkinEthic RHPE, 또는 각막상피 모델 SkinEthic HCE, 구강점막 모델 SkinEthic HOE, 잇몸 모델 SkinEthic HGE 및 질점막 모델 SkinEthic HVE 등 다양한 라인업을 보유하고 있다.

 

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그림 7. EPISKIN 사에서 판매하고 있는 3차원 피부모델
(출처: www.episkin.com, produced by Jang)

 

2.3.3 ㈜재팬 티슈 엔지니어링의 3차원 피부모델

일본의 ㈜재팬 티슈 엔지니어링은 재생의료용 조직배양기술을 이용하여 환자의 자가 피부시트를 공급하고 있으며, 이 기술을 응용하여 연구용 인체 배양표피 모델 LabCyte EPI-Model을 개발하여 2005년에 발매를 개시했으며, 그 후 배양표피 모델 제작키트 LabCyte Epi-kit, 인체 배양 각막상피 모델 LabCyte CORNEA-model을 순차적으로 개발하여 제품 라인업을 확충해 왔다.

 

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그림 8. ㈜재팬 티슈 엔지니어링 사에서 판매하고 있는 자가 피부시트 및 피부모델들
(출처: www.jpte.co.jp, produced by Jang)

 

3. 결론

매우 다양한 건강한 피부 또는 질환 모델의 연구 개발은 2차원 배양, 공배양, 동물모델 사용을 중심으로 진행되어 왔다. 2013년 유럽연합이 화장품 시험에 동물사용을 금지해 온 이후보다 생리학적으로 사람 피부와 유사한 피부모델과 3차원 사람 피부모델의 개발과 다양한 분야로의 적용이 급속하게 발전해 왔다. 그 결과 임상 적용이 가능한 피부 대체제를 비롯하여 질환과 관련한 다양한 상피 및 FTSE 모델들이 개발되었으나, 현재 개발된 피부모델은 아직까지도 천연 피부를 완벽히 모사하지 못한 상태이다. 본문에서 살펴본 것과 같이 3차원 FTSEs에 LCs, DCs, 대식세포, T세포 등을 포함한 다양한 면역세포를 도입하는 연구들이 진행되어 왔으며, 이들 모델은 대부분 transwell 시스템, 콜라겐 구조체, 사람 유래 조직 및 세포들을 중심으로 개발되었다. 하지만, in vitro 공배양 시스템과 실제 피부와는 큰 차이를 보였으며, 손쉽게 모델을 구성하는 세포의 획득이 가능하며 장기간 배양은 물론 실제 감염 실험이 가능한 구조체의 디자인 개발도 필요한 실정이다. 거기에 더해 이들 모델들에서 얻은 실험 결과의 재현성 면도 매우 중요하게 고려해야 할 사항이다.

4. 맺는 말

앞으로 사람 피부와 보다 유사한 3차원 피부모델의 개발을 위해서는 물질과학, 세포생물학, 산업화를 위한 공학을 융합하여 적용하는 신개념의 지식이 필요하다. 본문에서 설명한 다양한 시도들이 현재까지 빠르게 진행되어 왔으며, 면역적합성을 가진 3차원 피부모델의 개발을 위해서는 다양한 특정 세포로 분화시킬 수 있는 iPSCs를 채용하거나 질환과 연관된 개인별, 환자 특이적인 접근법들이 필요할 것으로 보인다. 또한, 현재 및 장래 개발과 적용이 가능한 바이오프린팅 기술, 세포시트 조작공학, 미소유체학과 같은 새로운 생체공학적 접근법을 활용하여 면역적합성 3차원 피부모델에 혈관 등 피부의 미세환경까지 적용시킬 수 있다면 면역세포의 이동과 세포-세포 간의 상호작용까지도 구현할 수 있는 또한, 이들의 다양한 세포들의 동태를 실시간으로 모니터링할 수 있는 신규 바이오마커를 개발한다면 실제 피부와 생리적, 생물학적으로 매우 유사한 피부모델의 개발이 가능할 것으로 기대된다.

5. 참고문헌

==> PDF 참조
 

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4 TransWell: 분리 가능한 insert로 구성된 물질 투과성 평가에 사용하는 세포 배양용기
5 SnapWell: 세포접착 물질 (예, 콜라겐 등)이 코팅된 폴리에스터 또는 폴리카보네이트 막이 결합된 insert를 사용하는 Corning사의 세포 배양용기
6 CellCrown: 2개의 파트로 구성되어 사이에 두께 조절을 하며 3차원 세포 배양이 가능하도록 설계된 Sigma-Aldrich사의 특수 insert


 
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장성재(2019). 3차원 피부모델의 최신 연구개발 동향. BRIC View 2019-T21. Available from https://www.ibric.org/myboard/read.php?Board=report&id=3300 (Aug 16, 2019)
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