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동맥경화 발생과정, 혈관 구조 재현한 '오간온어칩'으로 밝혀

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2018년 01월 03일 01:00 프린트하기

질병 치료제를 연구하는 연구자들은 새로운 약물을 시험하기 위해 실험 동물이나 실험실에서 배양한 세포를 써야 했다. 최근 신체 장기의 기능이나 구조를 모방한 ‘오간온어칩(Organ-on-a Chip)' 장비가 속속 등장하면서 복잡한 실험 과정을 효율화할 수 있으리란 기대가 커지고 있다. 

 

오간온어칩은 병의 진단과 감시를 목적으로 인간의 장기 기능을 갖도록 모방해 만든 유사 생체 장기, 즉 오가노이드를 소형 칩에 넣어 구성한 것이다. 심장과 간, 대장 등 다양한 장기의 오간온온어칩이 속속 개발되고 있다.

 

최근 혈관 벽을 감시해 심장 질환의 사전 예방을 돕는 ‘오간온어칩’ 장비가 나왔다. 싱가포르 난양공대 대사의학과 한 웨이 호우 박사팀이 ‘죽상동맥경화증’을 일으키는 혈관의 변화를 손쉽게 감지할 수 있는 심장혈관 오간온어칩을 개발, 2일 학술지 ‘APL 생물공학’에 발표했다.

 

GIB 제공
GIB 제공

죽상동맥경화증은 동맥경화증의 하나로 혈관의 가장 안쪽 막인 내피에 지방과 콜레스테롤 등이 축적돼 혈관 벽이 좁아지거나 막히는 심혈관 질환이다. 사람에 따라 제각각인 식습관이나 운동량 등 환경적 원인과 유전적 원인이 복합적으로 작용해 나타나는 것으로만 알려져 있을 뿐, 그 진행 과정은 명확히 밝혀지지 않았다.

 

연구팀은 생물학적으로 복잡한 혈관의 구성 요소 재현에 집중했던 기존의 심장혈관 오간온어칩 모델을 개선, 혈관의 형태나 구조까지 본 떠 동맥경화가 진행되는 과정을 밝힐 수 있는 장비 개발을 목표로 했다.

 

 

새로 개발된 올갠온어칩은 가운데 분리막 공기층과 유체층으로 나뉘며 공기압을 조절해 혈관내 혈류속도를 다르게 조절할 수 있다. 이를 통해 혈류속도에 따른 동맥경화 가능성을 예측 가능하다. - Nanyang technology University 제공
새로 개발된 올갠온어칩은 가운데 분리막(왼쪽 빨강)을 기준으로 아래쪽 공기층과 위쪽 유체층으로 나뉜다. 공기층의 공기압을 조절하면 혈관 내 혈류속도를 다르게 유도할 수 있다. 유체층의 환자의 특정부위에서 채취한 혈액을 넣고 혈류속도를 변화시켜 발현되는 면역세포의 양을 측정하면, 동맥경화 가능성을 예측할 수 있다. - Nanyang technological University 제공

이번에 연구팀이 개발한 심장혈관 오간온어칩은 대각선이 1인치 정도의 사각형 칩으로 혈액의 흐름을 재현하기 위해 얇고 유연한 폴리머 막으로 분리된 두 개의 층으로 구성됐다. 아래층에는 공기, 위층에는 혈관과 특성을 비슷하게 구성한 유체가 들어간다. 유체가 들어간 층 안에서는 적혈구 등 다양한 혈관 내피세포를 배양했다.

 

펌프로 오간온어칩 아래층에 공기를 주입해 풍선처럼 부풀어 오르도록 만들면 유체가 들어 있는 위층의 한 쪽 부분이 수축한다. 이때 좁아진 곳의 혈류 속도가 빨라지는 반면 넓은 곳은 속도가 느려진다. 혈관에서 혈류 속도 차이가 나타나는 상황까지 오간온어칩을 통해 구조적으로 재현해 낸 것이다.

 

연구팀은 혈류 속도가 느려진 곳에서 혈관을 구성하는 세포를 배양한 결과, 면역세포인 단핵 백혈구가 이 지역에서 오래 머물며 동맥경화를 유발하는 ICAM-1 단백질을 만들어 주변의 떠다니는 지방과 함께 혈관벽을 두껍게 만드는 것을 확인했다. 이를 통해 혈류속도가 느릴 수록  혈관에 염증이 생겼을 때 동맥경화에 걸릴 확률이 높을 것으로 예측했다.

 

연구팀이 오간온어칩의 유체층을 사람의 혈액으로 바꾸고 실험을 진행한 결과, 혈류 속도가 느려지는 곳에서 단핵 백혈구가 더 많이 발현되는 것을 발견했다. 실제 사람의 몸에서도 혈류 속도가 느려진 곳에서 면역세포가 작용해 동맥경화 발생 확률이 높아짐을 확인한 것이다.

 

호우 박사는 “이번에 개발한 칩은 혈관 내피세포의 생물학적 모습뿐 아니라 혈액의 흐름을 재현했다”며 “특정 부위의 혈액을 채취해 오간온어칩에 넣었을 때 생기는 면역세포의 양을 측정하면 동맥경화증의 지표로 활용할 수 있을 것”이라고 설명했다. 그는 “면역세포로 인해 비정상적인 혈관 벽이 형성되는 과정을 추적하면 갑작스러운 심장 마비 발생을 막을 확률을 높일 수 있다”고 말했다.

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