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사람 腸 모사한 미니칩으로 장염 원인 밝혀내

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2018년 11월 09일 03:34 프린트하기

신우정 미국 텍사스주립대 연구원과 김현중 교수 팀이 개발한 장기칩. 장을 모사한 것으로 안에 장 상피세포가 자라 장 표면을 이루고 있다. 이곳에 배양액과 약물을 주입해 반응을 실험한다. -사진 제공 김현중 교수
신우정 미국 텍사스주립대 연구원과 김현중 교수 팀이 개발한 장기칩. 장을 모사한 것으로 안에 장 상피세포가 자라 장 표면을 이루고 있다. 이곳에 배양액과 약물을 주입해 반응을 실험한다. -사진 제공 김현중 교수

 시름시름 앓던 쥐가 결국 대변에 피까지 섞여 나오는 상황을 맞는다. 장염이다. DSS라는 약품을 실험용 쥐에게 먹이면 장염을 일으킬 수 있다. 쥐에게는 미안한 일이지만, 병의 원인을 알기 위해 어쩔 수 없이 해야 했던 동물실험이다.

 

앞으로는 이처럼 동물에게 미안할 일은 점차 없어질 것으로 전망된다. 동물 대신 인체 세포를 배양해 엄지손톱만 한 플라스틱 조각에 담은 실험기기 ‘장기칩’이 나날이 발전하고 있기 때문이다. 이제는 병의 원인을 동물 없이 알아내는 단계다.

 

이 기술의 주인공은 장염으로 괴로워하는 동물을 줄일 방법을 찾던 대학원생과, 6년 전 장을 모사한 장기칩을 세계 최초로 개발한 지도교수. 이들은 실험동물 없이 자체 개발한 장기칩을 사용해 장염의 발생 원인을 밝혀 10월 말 학술지 ‘미국국립과학원회보(PNAS)’에 발표했다.

 

신우정 미국 오스틴 텍사스대 의공학과 연구원과 김현중 교수팀은 미세한 필터를 이용해 장 모사 장기칩을 두 층으로 제작했다. 먼저 위층에는 죽지 않고 계속 증식하는 세포(암세포)로 만든 장 상피세포를 넣고 키워 융모 모양의 구조까지 갖춘 장 내부 환경을 만들었다. 상피세포는 서로 단단하게 결합돼 아래층에는 혈액에서 분리한 면역세포를 키워 장 외부의 혈관을 흉내 낸 환경을 만들었다.

 

장을 모사한 장기칩으로 처음으로 장염의 발생 과정을 밝힌 신우정 미국 텍사스주립대 연구원(왼쪽)과 김현중 교수. -사진 제공 김현중 교수
장을 모사한 장기칩으로 처음으로 장염의 발생 과정을 밝힌 신우정 미국 텍사스주립대 연구원(왼쪽)과 김현중 교수. -사진 제공 김현중 교수

연구팀은 이렇게 완성한 장기칩 위층에 DSS를 흘려 장염을 일으키고 발병 과정을 확인했다. 김 교수는 e메일 인터뷰에서 “장내 미생물이 염증을 일으키는 요인인지, 활성화된 면역세포의 공격이 문제인지, 아니면 허물어진 상피세포 장벽이 문제인지 등을 장기칩을 이용해 여러 조합으로 점검했다”며 “연구 결과 가장 근본적인 이유는 원래 단단히 고정돼 있어야 할 상피세포벽의 결합이 풀려 장벽이 허물어지는 것이라는 사실을 밝혔다”고 말했다.

 

원래 장은 상피세포들이 아주 단단히 결합해 있어 ‘물샐틈없이’ 장 내외부를 서로 보호한다. 하지만 연구 결과 장염이 생기면 결합 조직이 흐트러지며 구멍이 생기고, 장내 미생물이 그 구멍을 통해 장 외부의 혈관에 들어가 면역세포를 만나며 문제를 일으켰다. 기존에는 DSS가 장 상피세포를 파괴할 거라는 추측도 있었지만, 세포 자체의 파괴는 주원인이 아니라는 사실도 확인했다.

 

치료나 증상 완화를 위한 실용적인 지침도 얻었다. 유산균 등 몸에 이로운 미생물을 의미하는 프로바이오틱스는 원래 장에 좋은 영향을 끼친다. 하지만 연구팀이 확인해 보니, 장의 벽이 망가진 상태에서 유산균 등을 섭취하면 이 미생물들이 장 밖으로 새어나가 오히려 문제가 커졌다. 심하면 패혈증까지 일으켰다. 장 내벽에 상처가 심할 때 유산균은 신중하게 처방받아야 된다는 뜻이다.

 

신 연구원과 김 교수팀이 개발한 장기칩의 구조. 가운데 필터를 기준으로 위에는 장 상피세포가 자리하고 아래에는 혈액의 면역세포가 자리한다. 각각의 채널에 배양액과 장염 유발 물질 DSS 를 통과시키며 실험을 한다. - 사진 제공 김현중 교수
신 연구원과 김 교수팀이 개발한 장기칩의 구조. 가운데 필터를 기준으로 위에는 장 상피세포가 자리하고 아래에는 혈액의 면역세포가 자리한다. 각각의 채널에 배양액과 장염 유발 물질 DSS 를 통과시키며 실험을 한다. - 사진 제공 김현중 교수

이번 연구는 장기칩을 이용해 질병의 발병 원인과 과정을 밝힌 세계 첫 사례다. 신 연구원은 “앞으로 환자 개인의 세포와 줄기세포를 이용한 장기칩을 만들어 개인의 유전적, 환경적 요인을 반영한 ‘환자 맞춤형 칩’을 개발할 계획”이라고 말했다. 장내 미생물 연구를 위해 장기칩에 환자의 분변에서 분리한 장내미생물을 키우는 연구도 계획하고 있다. 신 연구원은 “장염 외에 대장암이나 염증성 장질환(IBD)에도 적용할 수 있을 것”이라고 말했다.

 

이 연구는 '윤리적 실험을 위한 국제 재단(IFER)'과 한국연구재단으로부터 자금을 지원 받아서 수행됐다. IFER는 동물실험을 대체하기 위한 대안 연구를 지원하고 있다.

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