인터뷰 : 줄기 세포 연구에 대한 Bioreactors와 분수 - 수정된 3D - 공사장 공중 발판

제 이름은 Karlan이며, Cal Screw 공과대학교의 생물학적 계면 연구소에서 생물물리학자로 근무하고 있습니다. 저희 연구소에서는 기능성 조직 배양 및 줄기세포 연구를 위한 바이오리액터와 표면 개질 3차원 스캐폴드를 개발하고 있으며, 주로 세포와 인공 환경 간의 상호작용에 관심을 두고 있습니다. 2003년 Nature 에디토리얼에서는 '평면 생물학(flat biology)'이라는 개념에 대해 질문을 던졌는데, 이것이 구체적으로 무엇을 의미하는지 살펴보겠습니다.

과거의 많은 인비트로(in vitro) 배양 시스템, 특히 단층 배양법은 분화된 일차 세포의 수명이 상대적으로 짧고 배양 과정에서 탈분화가 일어나는 등의 단점이 있었습니다. 이는 세포가 장기 특이적 기능의 대부분을 매우 빠르게 상실한다는 것을 의미합니다. 따라서 인비트로 환경에서 이러한 세포들에게 더 나은 조건을 재현하기 위해, 기존의 단층 배양법에 다양한 수정과 적응 방식이 적용되어 왔습니다.

여기에는 배양 배지의 조성과 세포가 주로 단층을 형성하는 배양 용기의 코팅 생성 과정이 포함됩니다. 이러한 모든 접근 방식은 세포-기질 상호작용뿐만 아니라 세포 간 통신의 중요성을 나타냅니다. 또 다른 중요한 측면은 세포 특이적 환경의 구축으로 보이며, 이는 예를 들어 생체 내의 많은 세포에서 공통적인 특징인 갭 결합 복합체에 의해 구현됩니다.

전형적인 단층 배양에서는 간극 결합 통신이 빠르게 소실됩니다. 오랫동안, 소위 스테로이드 기법을 사용하여 체외에서 세포의 조직 유사 배열을 어느 정도 재구축하는 것이 가능했습니다.

저희 연구실의 한 사례에 따르면, 성체 쥐의 간세포조차 이러한 응집체 내에서 스테로이드를 생성할 수 있으며 최소 수주 동안 생존 가능하다는 것을 확인할 수 있었습니다. 간세포들이 서로 밀접하게 접촉하며 세포 간 통신을 촉진함으로써 간세포 특이적 기능의 안정화가 이루어집니다. 하지만 이러한 전통적인 3차원 배양 기술에는 몇 가지 단점이 있다는 점 또한 발견했습니다.

응집체의 크기가 매우 중요합니다. 응집체의 직경이 크면 괴사를 유발할 수 있으며, 대부분의 경우 배지 부피 대 세포 비율이 부적절합니다. 또한, 전단력과 스피너 배양이 문제가 될 수 있습니다.

생물체의 장기와 조직은 매우 높은 세포 밀도를 특징으로 하며, 이러한 조직층을 통한 물질의 능동 수송 또한 중요한 특성입니다. 따라서 실질적인 장기 모사 체외 조직 모델은 이러한 천연 구조를 최대한 가깝게 재현해야 합니다. 그리고 이러한 시스템의 제한 요소를 결정짓는 핵심 요소는 배지와 세포 부피의 적절한 비율입니다.

앞서 언급했듯이, 저희는 정밀한 미세 구조의 폴리머 스캐폴드 형태로 설계된 적절한 세포 하우징을 제작하였으며, 이는 세포 응집체의 3차원 배양을 위해 균일한 크기의 컨테이너를 제공합니다. 폴리머 스캐폴드의 경우, PMMA 또는 PC 폴리에테르, 또는 폴리카보네이트를 주로 사용합니다. 이는 1제곱센티미터 크기의 미세 구조 평면 장치로 구성되어 있으며, 1000개 이상의 이러한 컨테이너가 밀집된 어레이를 제공합니다.

세포 응집체의 3차원 배양을 위해, 이 방식은 수주 동안의 3D 세포 배양에 적합한 것으로 나타났습니다. 어레이 내의 이러한 각각의 작은 입방형 용기는 모서리 길이가 약 300 Micrometers입니다. 이 스캐폴드와 주변부, 즉 배양 챔버의 특수한 설계가 특징입니다.

ector 배지 및 가스 공급 장치는 다양한 배지 공급 모드를 지원합니다. 첫 번째는 표면 관류(superfusion)로, 이는 조직의 양면이 영양 배지에 의해 각각 공급되는 방식이며, 두 번째는 관류(perfusion)입니다.

이는 배지가 조직층을 강제로 관통하게 됨을 의미합니다. 관류 모드는 생체 내 혈관 형성과 더 유사한 조건을 생성하는 데 사용할 수 있으며, 관류와 표면 관류를 혼합한 모드 또한 가능합니다. 다양한 세대의 셀 칩(cell ship)이 개발되었습니다.

각 세대는 특수 응용 분야의 요구 사항을 충족하기 위해 특정 설계로 사용될 수 있습니다. 예를 들어, 단일 및 이중 칩 바이오리액터 설계뿐만 아니라 개별 주소 지정이 가능한 다중 타이터 배열 또는 고도로 병렬화된 변형 모델들이 구축되었습니다. 이러한 다양한 형태의 최신 세대 업스케일 버전으로서 이른바 마이크로 열성형 용기라는 특정 기술이 개발되었으며, 이를 통해 이러한 3D 성형 용기의 전체 표면을 수정할 수 있는 추가적인 가능성이 제공됩니다. 여기에는 신호 분자를 이용한 서브마이크론 규모의 표면 패턴 형성이 가능합니다.

또한, 센서와 신호 전극을 통합할 수 있습니다. 응용 분야는 기초 연구 및 세포 생물학부터 독성학 및 약리학에 이르며, 고처리량 스크리닝 또한 가능합니다. 마지막으로 매우 중요한 점은, 최신 세대의 마이크로 열성형 칩이 저렴한 대량 생산 공정이 가능하도록 최적화되어 다른 연구실에서도 적용할 수 있다는 사실입니다.