| >>2016.09.07 랩온어칩(Lab-on-a-chip) 기반 기술 동향 저자 이승준 (부산대학교)
디지털 헬스케어 산업의 비약적인 발전과 더불어 의생명과학은 질병의 치료로부터 예방과 건강관리로 그 패러다임 전환이 가속화되고 있다. 재원이 열악한 지역의 감염병 진단을 위한 효과적이고 경제적인 현장진단 검사법, 생활환경 유해인자의 검출, 질병 및 건강관리를 위한 일상적 진단검사에 이르기까지 간편하고, 정확하고, 경제적이며, 사용자 편의성이 증대된 진단 기기의 발달은 미세유체공학 기반 랩온어칩(Lab-on-a-chip) 기술의 발전과 함께 실현되고 있다. 랩온어칩 기술은 세포생물학 및 생체적합성 재료 개발의 발전으로 생체모방 장기칩(organ-on-a-chip)의 개념으로 확장되고 있기도 하다. 시험관에서 인체 생리활성에 근접한 정량적 분석 결과를 제공할 수 있는 수준으로 발전되면서 약물반응 시험의 새로운 플랫폼으로 적용 가능한 잠재성을 보여주고 있다. 체외 진단기기 및 신약 스크리닝 플랫폼으로서의 미세유체 기반 랩온어칩 기술은 디지털 헬스케어 산업을 견인하고 새로운 부가가치 창출의 주요 핵심 기술로 활용될 것으로 전망된다.
키워드: Lab-on-a-chip[랩온어칩(생체모방 칩, LOC)], microfluidics(미세유체공학), in vitro diagnostics(체외 진단기기), point-of-care testing(POCT, 현장검사), 약물 스크리닝 플랫폼(drug screening platform), 생체모방 장기(인체) 칩[organ(body)-on-a-chip]
분야: Biotechnology
목 차
1. 서론
2. 랩온어칩(Lab-on-a-chip, LOC, 생체모방 칩) 개요
3. 진단기기로서 미세유체공학 기반 랩온어칩
3.1. 현장진단 시험(point-of-care test, POCT) 기기
3.2. 질병 진단, 예후예측
3.3. 환경유해인자(환경오염물질, 식품 독소) 검출
3.4. 미세유체 기기와 스마트폰의 융합
4. 약물 스크리닝 플랫폼
4.1. 생체모방 장기(인체) 칩
4.2. 질병(암) 모델링
4.3. 줄기세포 연구 플랫폼
5. 3D 프린팅 기반 미세유체 기기 재료의 발전과 산업화 전망
6. 요약 및 결론
7. 참고문헌
1. 서론
2015년 여름, 대한민국은 메르스(MERS, 중동호흡기증후군)의 확산으로 불안과 불편을 감수하며 적지않은 혼란을 겪어야 했고, 2016년 현재, 전세계는 지카(Zika) 바이러스에 대한 불안과 우려에 직면해 있다. 감염병을 신속히 진단하고 체계적으로 관리 추적하여 효과적인 치료전략으로 대응하는 질병관리 및 보건 시스템의 중요성은 질병의 치료를 넘어 예방과 건강 관리가 중요한 가치관으로 자리잡고 있는 현재 우리 사회에서 좀 더 민감하게 다가온다. 감염성 질환의 정확한 현장진단은 감염병의 확산을 막고 신속한 초동 대처와 연계한 치료전략 수립에 있어 가장 중요한 부분 중 하나이다. 비단 재원이 열악한 지역에서 중요한 현장진단 검사뿐 아니라 암, 후천성면역결핍증(AIDS), 염증성 질환, 대사질환에 이르기까지 건강을 심각하게 위협하는 여러 질병의 정확한 진단 및 예측은 효과적인 치료전략 수립을 위해 중요하다. 최근 미국 NIH에서 발간한 과학 발전 전략계획(NIH-Wide Strategic Plan, Fiscar years 2016-2020)에 따르면 주요 방향이 ‘치료를 위한 발견’으로부터 ‘건강의 증진 및 질병 예방’으로 전환되면서 연구예산도 이러한 흐름에 맞춰 편성되고 있다[1]. 구글과 같은 ICT (Information and communication technology) 기업이 주도하는 디지털 헬스케어 산업의 확대는 ‘치료’에 방점을 두고 있던 기존의 의과학기술을 ‘예방과 관리’로 패러다임의 전환을 가속화시키고 있다. 환자뿐 아니라 건강한 사람들이 건강을 유지, 향상시키기 위해 몸상태를 자가 모니터링하고 예측되는 질병을 예방, 관리하고자 하는 수요는 원격 건강관리(telehealth) 산업의 확대로 이어지고 있다. 사회적, 산업적 요구에 부응하면서 기존 진단기술에 미체유체공학(microfluidics)과 미세전자기계 시스템(microelectromechanical system, MEMS)이 적용되면서 진단기기 기술의 유래없는 발전을 가져왔다. 극미량의 시료로 민감도와 정확도 면에서 진일보된 미세유체 기반 진단기기 개발은 디지털 헬스케어 산업을 견인할 주요 기술로 부각되고 있다. 랩온어칩(Lab-on-a-chip, LOC, 생체모방 칩)이라 불리는 미세유체기술 기반 플랫폼은 재료공학의 발전으로 다양한 생체적합성 재료가 적용되고, 세포생물학에 대한 이해가 깊어지면서 인체의 생리반응을 모사한 실험관 모델로 발전하여 약물에 대한 인체 생리반응을 계측 가능하게 하고 있다. 또한 PDMS (polydimethylsilane) 기반 연성 리소그래피(soft lithography)로 제작되던 미세유체 소자들이 3D 프린팅 기술(입체 리소그래피)로 제작되면서 기술 표준화를 앞당겨 기기의 상용화와 산업화가 촉진될 것으로 전망되고 있다. 앞으로 신약개발 과정에서도 랩온어칩 기반 플랫폼이 중요한 위치를 차지할 것으로 예상된다. 랩온어칩의 개념은 생체모방 장기(인체) 칩[organ(body)-on-a-chip]으로 확장되어 다양한 세포 및 생체적합성 세포외기질을 실험관 수준으로 구현하고, 보다 생체에 근접한 스페로이드 세포, 오가노이드(organoid)를 비롯하여 줄기세포 및 역분화줄기세포를 활용하면서 신약개발의 전임상 과정에서 약물 스크리닝을 통해 후보물질을 선별하고 검증하는 실험의 새로운 플랫폼으로 활용될 가능성을 보여주고 있다. 2차원 세포배양 및 동물실험 기반 후보약물의 약동력학, 효능 및 독성 시험 시 생체 내 환경을 적절히 반영하지 못하는 단점과 동물과 인체 반응과의 비적합성 문제들을 극복함으로써 생체모방 장기(인체) 칩은 이제 임상시험에서 소요되는 시간적, 경제적 비용을 획기적으로 절감할 수 있는 대안으로 인식되고 있다.
본 리포트에서는 미세유체기술 기반 랩온어칩(Lab-on-a-chip, LOC, 생체모방 칩)의 최신 기술 발전 사례들을 정리해보고, 주요 핵심 활용분야인 진단 기기와 신약개발을 위한 약물시험 플랫폼으로의 잠재적 활용가치에 대해서 심층적으로 다루고, 향후 기술 발전에 대해 전망해 보고자 한다.
2. 랩온어칩(Lab-on-a-chip, LOC, 생체모방 칩) 개요
랩온어칩은 생물학, 화학 실험실의 구성요소를 소형화하고 이들을 하나의 칩 위에 미세유체 기반 기술로 집적하여, 미량으로 채취한 시료의 전처리부터 혼합, 반응, 분리, 분석의 전단계를 하나의 칩 위에서 수행할 수 있도록 구현한 장치를 일컫는다. 때문에, 마이크로 전분석 시스템(μTAS, micro Total Analysis System) 또는 미세유체 기기(microfluidic device) 등으로 혼용되어 사용되어왔다. 소위 손바닥 위에 올려놓을 수 있는 실험실을 나타내는 ‘랩온어칩’은 기술의 속성을 직관적으로 표현한 보편적 용어로 사용되고 있다. 미세밸브, 미세펌프, 미세필터, 혼합기 등으로 구성된 미세유체 소자와 항원, 표적 단백질, 핵산 등의 분석물 이동과 이를 제어하기 위한 바이오 필터와 채널, 시료를 분석 감지하는 센서, 그리고 이 미세유체 소자를 구동하고 제어하기 위한 엑츄에이터 등이 MEMS 가공 공정을 통해 칩 위에 집적된다. 랩온어칩에 활용되는 미세유체시스템은 매크로 환경과 달리 마이크로 환경에서 적용되는 유체의 물리적 특징에 기반하고 있다[2]. 첫째, 미세유체 환경에서는 와류운동(turbulent flow) 대신 보다 예측 가능한 층류운동(laminar flow, 유체가 섞이지 않은 상태로 층을 이루면서 흐르는 현상)이 주를 이룬다. 둘째, 공기와 유체 또는 혼합되지 않는 두 종류의 유체(오일과 물)가 접촉면을 줄여 자유에너지를 낮추는 표면장력과 계면장력(surface and interstitial tension)이 단백질과 세포를 분리하거나 표면 에너지 차이에 의한 액적(液滴, droplet, 물방울)의 수동적 이동(passive drive)을 일으키는 데 활용된다. 셋째, 마이크로 단위의 관(튜브)에서 유체의 유동을 유도하는 데는 모세관 힘이 작용한다. 랩온어칩은 기존 진단기기에 널리 적용되어 정확성과 응용성을 확장시키는 데 활용되는 핵심 기술이라 생각하면 좋을 것 같다. 랩온어칩 기반 기술은 수초에서 수분대로 빠른 분석을 가능하게 하고, 마이크로(10-6)에서 펨토(10-15) 단위의 극미량 시료와 시약을 활용하여 높은 민감도와 개선된 정확성으로 여러 종류의 시료를 동시분석 할 수 있게 한다. 또한 재현성 있는 정량적 정보를 얻을 수 있어서 고속처리 분석 플랫폼으로서의 잠재력을 지니고 있다 (그림 1).
그림1. 랩온어칩 구성 및 개념도
(http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0167931714004456)
3. 진단기기로서 미세유체공학 기반 랩온어칩
최근 20여년 간 미세유체 기기는 기존의 진단 검사 장비의 단점을 보완하고 검사의 정확성, 신속성과 일원화된 다중 검사에 대한 수요를 충족하기 위해 발전을 거듭해 왔다. 개발도상국에서 주로 현장진단(point-of-care, POC)에서 활용되던 주요 기술들이 최근 미세유체 기술과의 융합으로 이러한 발전을 가속화하고 있고, 감염병 이외에도 일상적 건강관리 검사, 질병의 정확한 진단 및 효과적인 치료를 수행하기 위한 도구로써 활용되고 있다.
3.1. 현장진단 시험(point-of-care test, POCT) 기기
재원이 부족한 상황이나 제반 여건이 열악한 지역에서 활용될 수 있는 검사법과 사용이 손쉬운 진단기기 개발은 개발도상국의 의료서비스 확대와 이로 파생되는 잠재적 의료시장의 요구와 함께 증대되고 있다. 세계보건기구(WHO)는 현장진단 기기 검사가 ASSURED(보증된) 기준을 충족하도록 권고하고 있다(Affordable: 구하기 쉽고, Sensitive: 민감도가 높고, Specific: 특이성이 있고, User-friendly: 사용하기에 편리한, Rapid and robust: 빠르고 확실한, Equipment-free: 추가 장비를 필요치 않는, Deliverable: 상용화된)[3, 4]. 기존의 현장진단은 주로 AIDS(후천성면역결핍증), 말라리아, 결핵, 성병과 같은 감염병 진단을 중심으로 고전적인 혈액화학검사(blood chemistry test), 측방유동면역분석법(lateral flow immunochromatographic assay, LFIA), 핵산기반 분석기술(PCR) 및 유세포분석(flow cytometry) 기반 기기를 통해 이루어졌다. 측방유동면역분석법은 모세관 힘을 이용하여 유체의 흐름을 제어하고, 시료를 분석기기에 넣어주는 특성 상 분석 시료량이 그때마다 달라진다. HIV 검사에 활용되는 림프구, 말라리아 검사에 활용되는 병원균처럼 분석시료에 분석물질이 아주 많을 때 제한적으로 활용되기 때문에, 정확도면에서 정량적인 정보를 얻기가 쉽지 않았다. 또한 검사 수행 시 온도, 습도, 열, 공기, 햇빛 등의 환경요인 또한 적지않은 영향을 미친다. 최근, 진단 기술에 접목된 미세유체기술이 이러한 문제들을 극복해 가면서 휴대 가능한 소형화, 다종 분석 및 복잡한 기능 수행, 민감도와 정확도 개선, 자동화 면에서 혁신적인 기술발전을 이끌고 있다. 또한 다양한 방식으로 준비해야 하던 일련의 시료 전처리 과정을 칩 위에서 동시에 구현하게 되면서 상업화와 대중화에 근접하고 있다(그림 2).
그림 2. 미세유체 기반 플랫폼의 예.
(A) 소변 내 혈당 및 분석물을 자동으로 정량화하는 종이기반 미세유체 기기. (B) 혈액 화학분석을 위해 Alere 사가 개발한 랩온어칩 플랫폼. (C) 혈액화학검사에 사용되는 Abaxis 사의 랩온어디스크 진단기기 (표 1 세부내용 참조)[5]
말라리아 검사법에 활용된 미세유체 기반 기술을 대표적인 예로 살펴보면 미세유체 기반 핵심 기술들을 이해하는데 도움이 될 것이다[6, 7]. 감염 적혈구에서 말라리아균이 증식함에 따라 감염 적혈구 세포막 변형도가 감소하게 되면 미세채널을 통과하는 정도가 달라져 막히기도 한다[8]. Plasmodium falciparum 말라리아균종에 감염된 적혈구와 달리 Plasmodium vivax 말라이아균종에 감염된 적혈구는 2μm 미세채널 미세유체 기기를 무리없이 통과하였다[9]. 이러한 현상은 말라리아균 감염으로 인한 적혈구 변형상태를 진단기준으로 활용할 수 있음을 의미했고, 이후 적혈구 변형상태 기반 진단용 미세유체기기 개발이 활발해졌다[9, 10]. 또 감염/비감염 적혈구 세포의 유전영동력[dielectrophoretic(DEP) force] 차이를 이용하기도 한다. 세포와 같이 극성화된 유도체(전기발생물질)가 직류/교류 전기장에 놓이게 되면 유전영동력이 발생하는데, 세포의 유전영동력은 세포의 조성(투과성, 전력용적, 전도율)과 세포막 형태, 세포 유형, 크기, 서로 다른 생리적 상태 등에 따라 달라진다. 이를 이용하여 말라리아 감염여부를 진단하는데 활용한다. 미세유체기반 PCR 방법은 진단의 정확성에도 불구하고 시료 준비의 번거로움, 오염 및 긴 반응 시간 때문에 현장진단에는 적합하지 않았다. 미세유체 기반 기술로 소형화된 PCR 칩은 크게 비유동 PCR과 연속흐름 PCR로 나눌 수 있는데, 비유동 방식은 고정식 마이크로 챔버와 온도 조절 가열부를 칩 위에 집적시켜 PCR의 변성, 접합, 신장 반응을 수행하여 적은양의 시료로 효과적인 분석이 가능하나 많은 반응시간이 소요될 수 있는 단점이 있다. 연속흐름방식은 시료를 고정된 3가지 온도 영역에 흘려주면서 DNA를 증폭하는 방식으로 빠른 시간 안에 반응을 수행할 수 있다는 장점이 있다. 기존의 열 순환 방식 PCR은 정확한 온도 변화 조절을 위해 고가의 장비를 필요로 한다. 이를 극복하기 위해 등온 PCR 법이 미세유체 기반 기술과 접목되어 핵산서열기반증폭(nuleic acid sequence based amplification, NASABA), 루프등온증폭(loop mediated isothermal amplification, LAMP), 순환증폭(rolling circle amplification, RCA), 헬리케이즈 증폭(helicase-dependent amplication, HAD) 방법 등으로 활용되었다. PCR 기반 랩온어칩은 주로 코로나 바이러스와 결핵균을 검출하는 데 적용되었다(표1). PCR 기반 랩온어칩은 주로 일회용으로 개발되어 교차오염 또는 생화학적 위험을 줄일 수 있다. 광학기기도 미세유체 기반 기술과 접목되어 말라리아 감염이나 다른 질병에 의한 적혈구의 변형성 감지를 극대화하여 이미징하거나 세포의 생물물리학적 성질이나 분화를 분석하는데 편이성과 높은 감도를 보여주었다. 감염질환 진단을 위한 미세유체 기반 기기들의 원리와 특징을 표 1에서 요약하였다.
표 1. 감염병 진단 미세유체 기기 기술 개요[7]
(1)관성집중(inertial focusing): 미세유체 채널 내에 미세입자(예, 적혈구)를 포함한 유체가 흐를 때 입자는 유체로부터 전단응력(shear stress, 층밀림 변형력)과 수직 변형력(normal stress)를 받으며 항력(drag force, 유체 흐름과 나란한 방향)과 양력(lift force, 유체 흐름 수직 방향)에 놓이게 되는데, 이러한 힘은 유체 내에서 힘의 평형이 이루어질 때까지 입자들을 유체 흐름에 거슬러 운동하게 한다. 이때 유체 내 부유 입자들이 유체 흐름에 수직한 방향으로 이동하며 관의 특정 위치에 모이게 되는데 이를 ‘관성집중’이라 한다. 집중점은 채널의 단면 모양에 따라 달라진다. 이밖에 관성정렬(inertial odering), 딘 흐름(Dean flow) 현상이 있다. 이와 같은 관성 이동현상을 이용하면 외부장치 없이 단순히 빠른 흐름만으로 미세유체를 조작할 수 있어서 세포나 마이크로 입자를 높은 처리량으로 분리 정렬하고 광학분석(예, 유세포분석)을 가능하게 한다[12].
LFIA 기반 POC 시험법은 공중보건 파급력이 큰 개발도상국에서 감염병 진단을 목적으로 주력 개발되고 있는데, 상기에서 살펴본 바와 같이 Alere 사(http://www.alere.com)가 관련 시장을 35% 점유하고 있다[5]. 다음은 현재 FDA 승인을 받은 미체유체 기반 POC 검사법을 정리해 둔 것이다(표 2).
표 2. FDA 승인을 획득한 미세유체 기반 POCT 기기 기술개요[5]
개발된 미세유체 현장진단 기기는 공중보건 향상을 위해 중요한 수요를 창출하고 있지만, 기술확산을 위해서는 관련 규제의 장벽을 넘어야 한다. 미국 질병관리예방국(CDC, https://wwwn.cdc.gov/clia/Resources/TestComplexities.aspx)의 임상실험실 개선 개정(clinincal laboratory improvement amendment, CLIA)에 근거하면 class III 의료기기의 안전성 및 성능 입증을 위한 미국 시판전 승인(premarket approval, PMA)이나 510(k) 승인과정이 있어야 한다. CLIA면제 진단시험법(waived test)의 경우, 간단하고 진단 실패율이 낮은 시험법이어야 한다. 공중보건 향상에 필요한 현장진단 기기의 확산을 위해서는 첫째, 가공되지 않은 시료를 사용할 수 있을 정도로 독립적으로 완비된 자동화시스템을 갖추어야 하고, 둘째, 기술적인 교육없이도 운용이 가능해야 하며, 셋째, 해석하기 쉬운 결과를 제공해야 한다. 넷째, 신속하고 정확해야 하며 검사시간, 보관상태 등 다양한 변수에 취약하지 않아야 한다[13]. 향후 미세유체 기반 현장진단 기기 개발은 시료 채집, 시료의 전처리 과정, 분석의 전과정을 통합장치에서 구현하고 자가진단 및 자동화, 시약의 보관 안정성 개선, 무선 통신환경에서 전자의료 기록 시스템의 원활한 접근 등 극복해야 주요과제들을 해결하면서 큰 성장을 할 것으로 예상된다.
3.2. 질병 진단, 예후예측
질병의 조기 진단과 예후 예측 기반 기술은 ICT 기반 디지털 헬스케어 산업의 확대와 더불어 크게 발전하고 있다. 기존의 내시경, 초음파, 방사선 영상검사 이외에도 높은 민감도, 신속성, 편이성 면에서 향상된 체외 진단기기들이 개발되고 있으며, 최근에는 혈액이나 생검 이외에 비침습적 시료인 액체생검시료(혈액, 타액, 소변, 땀, 눈물 등)으로 혈당을 측정하거나 검증된 바이오마커를 검출하여 암의 발병 및 전이 위험성 예측하는데 활용되고 있다. 미세유체 기반 기술이 검출의 민감도, 신속성, 편이성 향상에 큰 기여를 하고 있다. 핵산(DNA, RNA) 및 단백질 기반 바이오마커 이외에 엑소좀(Exosome, 세포에서 배출되는 구형의 소낭으로 mRNA, microRNA, DNA, 세포외단백질 관련 정보 제공), 순환종양세포(circulating tumor cell, CTC), ctDNA [circulating tumor DNA, 암조직 및 전이병소에서 떨어져 나오는 cell-free DNA (cfDNA)의 일종] 등을 검출함으로써 암의 발병과 전이 위험성, 잠재적 항암내성에 이르는 중요한 정보를 제공해 줄 것으로 기대하고 있다. 다음은 주요한 순환종양세포 분리 기술에 관한 내용이다(표 3).
표 3. 순환종양세포(CTC) 분리 검출 기술 비교(미세유체 기반 기술 포함)[14]
단일세포 분리, 검출, 동정 기술이 미세유체 공학 기술과 접목되면서 미량의 시료에서도 고감도로 빠르게 핵산의 길이분석, 염기서열 분석이 가능하며 복잡한 대용량의 시료를 저렴한 비용으로 분석 가능하게 한다[15]. Cell search 사는 세포표면 단백질인 EpCAM을 순환종양세포 마커로 나노자성 입자를 활용해 분리해내는 미세유체 기반 기기로 FDA승인을 받은 바 있다. 단일 세포 분석 기법이 랩온어칩 기술로 개발되기 위해서는 핵산을 손상없이 준비하기 위해 시료의 전처리 과정이 개선되고 칩 위에서 함께 구현되는 기술개발이 진전되어야 할 것이다. 이를 통해 질병의 진단 및 유전체 서열 분석을 통한 역학조사로 다양하게 확대될 수 있을 것이다.
그림 3. 단일세포 분리에 사용되는 미세유체 시스템[16]
표 4. 순환종양세포(CTC) 분리 검출 기술 비교(미세유체 기반 기술 포함)
- 수동형 세포분리: 함입, 돌출, 곡면부로 구성된 미세채널 방식(유형1), 미세유체 기기 내 반복되는 지형패턴 활용(유형2)
- 능동형 세포분리: 전기력(유형1) 및 전기장(유형2)을 활용하여 형광표지된 세포를 분리, 검출
- Co.(Company, Corporation); LLC(Limited Liability Company); Ltd.(limited company)
(1) DLD: Deterministic Lateral Displacement, 미세유체장치에서 장벽 간 거리에 의존적으로 연속적인 유체에서 크기 기반으로 입자를 분리하는 방식, 2004년 10nm 이하 입자의 분리에 적용된 후 다양한 크기, 형태 변형성 유전동력 등 다른 성질에 기반한 입자 분리 기술로 확장되었다[17]
(2) CTC: circulating tumor cell, 순환종양세포
(3) 음향영동: acousticphoresis, 미세채널에서 세포를 분리하는 방법은 크게 유전영동(dielectropheresis, 전기적 힘 이용), 자기영동(magnetoophoresis, 자기장 이용), 유체영동(미세채널 내 지형적 특성을 이용), 그리고 음향영동(초음파를 이용)이 있음.
- 제품명에 링크된 웹페이지에서 제품에 관련된 세부사항 참조
순환종양세포 분리 검출 이외에도 미세유체 기반 단일세포 분석 기술의 응용은 다양하다. 크게 능동형 세포분리기와 수동형 세포분리기로 구분할 수 있는데 미세유체 기반 기술의 접목과 더불어 랩온어칩 형태로 현재 상업화되어 있거나 상업화를 앞두고 있는 제품군의 기술개요는 위의 표 4에서 정리해 두었다[18].
3.3. 환경유해인자(환경오염물질, 식품 독소) 검출
최근 가습기 살균제 사태, 미세먼지, 식품오염 등 생활유해인자 및 환경오염물질 노출에 의한 건강이상 및 질병에 관심이 높아지고 있다. 주로 전자화학 바이오센서로 환경유해인자를 검출하는데 탄소 및 금속 나노물질과 자성과립(magnetic beads)을 활용한 검출 기술이 미세유체 기반 기술의 적용으로 정밀도와 신속성은 높아지고 소형화가 이루어지고 있다. 곡물과 가축사료에 오염되는 mycotoxin (Aflatoxin, Ochratoxin, Dexoxynivalenol, Zearalenone 등 곰팡이 대사산물 유래 리보솜 저해 독소)은 직간접적인 식이적 노출로 만성적 염증반응 및 장 질환의 위험성을 높인다. 때문에 사료 및 식품 내 잔존량을 엄격히 규제하고 있다. 현재 인체와 축산물 건강관리 및 환경 감시를 용이하게 하고 식품 안정성을 보장하기 위해 보다 정확한 진단분석기기 수요가 창출되고 있다. 환경유해요소 진단 및 농산물 오염도 분석을 위해 다음과 같은 전기화학 바이오센서 기반 기술과 미세유체 기반 플랫폼을 적용한 기술 개발이 활발해질 것으로 예상된다.
그림 4. 독성물질 검출에 사용되는 전자화학 바이오센서 기반기술(좌측) 및 미세유체 기반 플랫폼에서의 집적(우측)[19]
3.4. 미세유체 기기와 스마트폰의 융합
휴대용 전자기기와 무선 인터넷 환경 덕분에 이를 활용한 기술은 앞서 언급한 환경오염물질과 식품 안정성뿐 아니라 원격 건강관리(teleheath)를 통한 개인 맞춤형 의료, 건강관리에 이르기까지 광범위한 분야에서 활용되고 있다. 특히 스마트폰과 미세유체 기기의 융합은 체외 진단기기 분야에서 새로운 부가창출을 가속화할 것으로 보인다. 수질관리, 식품 검사 분석, 일상적인 건강관리 진단 및 질병 진단에 이르기까지 미세유체 기반 진단기기와 스마트폰의 융합은 휴대성과 편의성 면에서, 또 현장진단 기기에 이르기까지 그 확장성을 더해주고 있다. 다음은 스마트폰을 활용한 미세유체 기반 검사 시스템을 요약해 놓은 것이다(표 5).
표 5. 스마트폰 활용 미세유체 기반 검사 시스템
4. 약물 스크리닝 플랫폼
랩온어칩 기반 기술은 진단기기의 대중화, 산업화를 주도하는 핵심 기술로 활용되고 있지만, 생화학 반응을 정량적으로 모니터링할 수 있는 소형 생물반응기의 소자로서 신약개발 과정에서도 유용한 플랫폼으로 활용되고 있다. 약물 스크리닝을 위해서는 표적물질과 농도별 약물 상호작용을 효과적으로 모니터링하여 약물동력학의 정량적 분석이 가능해야 한다. 또한 많은 후보약물을 고속처리할 수 있어야 한다. 미세유체 기반 약물분석 플랫폼은 미량의 시료를 정확하게 제어하고, 자동화 이미징 시스템 및 바이오센서와의 융합을 통해 고속처리 분석과 다중분석을 가능하게 한다. 경제성, 정확성, 신속성 면에서 미세유체 기반 랩온어칩은 약물의 효능과 독성 시험 플랫폼으로서 많은 장점이 있다. 2차원 배양 기반 세포뿐 아니라 인체 생리반응에 좀더 근접한 반응을 모사하기 위해, 3차원 배양 [스페로이드(spheroid) 및 오가노이드(organoid)] 기반 생체모방 장기 칩(organ-on-chip), 각 장기가 관류 시스템으로 연결된 생체모방 인체 칩(body-on-a-chip)으로까지 확장되어 개발되고 있다. 생체 내 물리화학 반응에 대해 재현 가능한 정량적 분석 결과를 제공할 수 있고, 보다 생체에 근접한 인체 세포배양 환경을 시험관 수준에서 모사할 수 있다는 점에서 중개연구와 임상 목적으로 약물에 대한 생리활성 변화 모니터링이 가능하다. 또한 다양한 세포의 공배양 및 환자세포 기반 분석모델로 응용가능하고, 줄기세포 및 역분화줄기세포를 활용한 줄기세포 연구, 암과 암 미세환경 상호작용을 고려한 질병 모델링 등 다양한 확장 가능성을 제공하는 기본 플랫폼으로서의 잠재성을 보여주고 있다.
4.1. 생체모방 장기(인체) 칩
생체모방 장기 칩(Organ-on-a-chip)은 살아있는 세포가 지속적인 관류 시스템으로 연결된 마이크로쳄버에서 배양되고, 이 챔버를 배열하여 조직 또는 장기 수준의 생리활성을 구현한 미세유체 기반 기기를 일컫는다[6]. 현재 다양한 장기에서 생체모방 장기 칩이 구현되어 있는데, 각 생체모방 장기 칩의 기술개요 및 활용에 대해서 다음 표에서 정리하였다(표 6).
표 6. 생체모방 장기 칩(Organ-on-a-chip) 최근 기술개요[20, 21]
생체모방 장기 칩에 활용된 시험법이 장기의 기능과 반응을 적절히 모사하였지만, 생체 연구를 성공적으로 대체하기에는 아직 이르다. 기계력, 투과도, PDMS 구획 간 효과적 유속 확보, 개체의 마이크로 단위 생태계 구축, 세포 및 장기 활성과 미생물의 상호작용 등 인체 생리활성을 모사하기 위해 극복해야 할 기술적 한계들이 많다. 또한 약물 스크리닝 시스템으로 활용되기 위해서는 구축된 각 모델을 활용한 약물 평가에 대한 표준화 작업 또한 필요할 것이다. 인체 생리반응에 근접한 수준의 실험관 모델링의 궁극적인 목표는 각 장기들이 혈관 모사 관류시스템으로 연결된 생체모방 인체 칩(body-on-a-chip)일 것이다(그림. 5). 생체모방 인체 칩이 구현되면, 인체 생리학적으로 근접한 수준의 약물 반응을 모니터링함으로써 전임상 단계에서 후보 약물 스크링 플랫폼으로 활용될 수 있고, 이에 따라 동물실험을 잠재적으로 대체할 수 있으며, 고확산 전염병에 대한 신속 대응 신약개발 기술개발에 적용할 수 있을 것이다. 조직 내에서 생산, 교환, 소비되는 대사체 연구, 발달생물학 신호체계 연구, 혈액순환 동력학을 모사한 조직 간 상호작용 연구 등 배양세포만으로는 불가능했던 실험을 가능하게 할 것이다. 이는 생체 외 실험환경과 생체 내 실험환경 간의 간극을 줄이는 데 기여할 것이다.
그림 5. 생체모방 인체 칩 개념도
4.2. 질병(암) 모델링
질병은 유전적, 생리적, 환경적 복합 요인에 의해 발병하고 복잡한 과정으로 진행된다. 특히 암은 간질세포, 신호물질, 다양한 세포외기질로 구성된 비균질적 미세환경의 영향을 받는 복잡한 질병이다. 비균질적인 암의 특성과 미세환경과의 상호작용은 암 연구와 치료를 어렵게 하는 주요 원인이다. 기존의 동물 및 시험관 모델은 생체 내 미세환경을 모사하고 인체 반응을 재현하기에 한계가 있었다. 최근 3D스페로이드 및 오가노이드 배양법의 발전과 검증된 생체적합성 세포외기질[천연 세포외기질 성분: 콜라젠, 섬유결합소(fibronectin), 라미닌(laminin), 히알루론산(hyaluronic acid); 인공 세포외기질(마트리젤, 하이드로젤, 알지네이트)이 개발되어 랩온어칩 위에서 생체모방 시스템으로 구현되고 있다. 마이크로 시스템에서는 유체의 흐름이 없어 ‘대류’ 대신 ‘확산’이 지배적이게 되는데, 확산에 의한 분자 수송은 농도 구배를 형성하여 생체 내 신호전달 리간드의 농도 구배에 의한 세포 반응 모사를 가능하게 한다. 또한 세포에 근접한 분자들이 머무를 시간을 제공하여 신호에 대한 반응성을 증폭시킬 수 있다[22]. 미세유체 기반 랩온어칩에서 임의로 세포외기질을 조형, 강도, 다공성, 모양, 농도구배 면에서 그 조성을 다양화하면 암 미세환경과 암세포의 상호작용을 보다 정확히 분석할 수 있다. 미세유체 단일 소자를 분리막으로 구획을 나누고 세포외기질 용액의 층류(laminal flow)와 내피세포 기반 혈관구조를 모사한 혈류의 전단응력(fluid sheer stress)을 미세유체시스템 위에서 구현할 수 있다. 때문에 암세포 침윤성과 이동성, 화학주성에 영향을 미치는 암 미세환경 내 간질액(interstitial flow), 층류, 혈류 전단응력의 효과를 이해하기 위한 모델로 응용 가능하다. 이는 인체와 생리적으로 유사한 반응을 모니터링하고, 장기 수준의 기능 및 상호작용 연구를 가능케하며 아주 작은 양의 환자 생검으로부터 스페로이드 및 오가노이드를 배양하여 맞춤형 치료개발 및 표적치료 개발의 가능성을 높여주고 있다. 항암제에 대한 보다 정확하고 정량적인 정보를 제공해 줄 수 있을 뿐 아니라 이미지 분석 및 정량분석의 자동화를 통해 고속처리 분석이 가능하여, 비용 절감효과도 기대할 수 있다(그림 6). 앞에서 자세히 언급한 바와 같이 암의 발병과 재발, 항암내성을 예측하기 위해 순환종양세포, ctDNA, 엑소좀을 검출하는 기기개발에도 미세유체 기반 플랫폼이 적용되고 있다.
현재 암생물학 연구를 위해 상품화 되어 있는 대표적인 3D 미세유체 기반 기술은 다음과 같다(표 7).
표 7. 암 연구를 위한 3D 미세유체 플랫폼의 예(링크된 웹페이지 참조)
그림 6. 암 연구 모델 비교. 미세유체 기반 3D 모델의 유용성[23-25]
4.3. 줄기세포 연구 플랫폼
미세유체시스템은 적은 양의 유체를 정확히 제어하고 많은 시료의 효과적인 처리가 가능하다. 제어된 조건에서 효과적인 생물 공정으로 재현성 있게 세포를 제조하고 조작하는 기술은 줄기세포 기반 치료제와 의약품 개발에 중요하다. 때문에 재현, 계측 가능한 줄기세포 기반 기술 개발의 플랫폼으로 미세유체 시스템이 유용하게 활용될 수 있다. 액적(droplet, 물방울) 기반 미세유체 수용성 용액을 비극성 용액으로 에멀션화 하여 10-9-10-12 단위입자를 정확한 모양과 조성을 갖춰 만들 수 있는데, 이 기술을 이용하면 하이드로젤 전구체 용액으로 맞춤형 줄기세포 미세환경 조성도 가능하다. 대규모 단위의 줄기세포 배양 공정에는 생물배양기에서 부유상태로 배양하는 시스템이 보다 이상적인 환경을 제공할 수 있다. 생물배양기 배양을 위해서는 줄기세포 증식을 돕는 미세전달체가 필요한데, 합성 하이드로젤, PEG(폴리에틸렌 글라이콜) 기반 마이크로젤이 미세전달체로 활용되어 중간엽줄기세포 미세환경을 조성하는데 활용되었다[26]. 액적 기반 마이크로젤은 줄기세포에게 맞춤형 3D 인공 미세환경을 제공할 뿐 아니라, 칩 모듈을 통해 마이크로젤을 분주, 병합하고 저장, 수송하는 방법들이 적용되는 디지털 미세유체 칩으로서 고속처리 스크리닝의 플랫폼으로 발전 가능하다[27, 28].
5. 3D 프린팅 기반 미세유체 기기 재료의 발전과 산업화 전망
초기의 미세유체 소자는 실리콘이나 유리를 재료로 클린룸에서 제작되어 공정 상 시간과 비용이 많이 소요되고, 외부충격에 취약한 단점이 있었다. PDMS (polydimethlysiloxane) 기반 연성 리소크래피(soft lithography, 1988년 Whitesides 연구진이 처음 사용)는 식각(etching)공정을 통해 상대적으로 저렴하고, 주형제작이 용이하며 소수성 표면을 친수성으로 바꾸어 다른 재질의 표면에 접합하기 쉬운 소자를 만들 수 있다. 하지만, 중합체를 광경화하는 공정이 필요하고, 단가가 높고, 사출성형, 엠보싱, 롤링성형 등을 이용한 대량생산이 불가능하며 다공성 구조로서 저분자 물질을 흡착하기 때문에 역동적인 세포신호 변화를 모니터링하는데 제한이 있다. 또한 PDMS 구조 밖으로 유체의 증발 및 누출이 일어날 수 있어 미세환경 조성에 어려움이 있다. 미세유체 소자의 규격, 재질 등이 표준화되지 않은 점, 사용자 환경이 불편한 점 등은 PDMS 기반 미세유체 기기가 산업화로 이어지는 데 큰 걸림돌이었다. 최근 3D 프린팅 기술이 이러한 단점을 보완하는 미세유체 소자 제작 기술로 적용되어 사용자 친화적이면서 경제적이고, 환경 친화적인 미세유체 기기 연구 개발로 이어지고 있다.
PDMS 기반 광중합 리소그래피로 만든 주형은 해상도가 높고, 생체적합성이 좋기때문에 아직 입체 리소그래피(3D 프린팅)보다 선호되고 있는 실정이다. 하지만, 고속처리 기술의 한계, 조합 및 결합 공정으로 인한 층상 디자인, 사용자에게 불편한 환경을 극복하기 위해 3D 프린팅 기반 입체 리소그래피가 많이 적용되고 있다. 3D 입체를 구현하는데 있어 입체 리소그래피는 조합공정이 필요없고 복잡하고 다양한 구조 가공이 가능하다. 각 기능성 파트의 연결 시 위상적 제한이 없을 뿐더러 여러 재료를 혼용할 수 있어 설계의 폭이 넓다. 아직 입체 리소그래피의 해상도는 연성 리소그래피보다 낮지만, 입체 리소그래피 관련 핵심 특허가 2014년에 만료되어 산업적 연구개발이 활발해지면서 기술 진전이 빨라지고 있다. 이밖에 미세채널 배출장치의 해상도, 3D 프린팅 재질의 생체적합도, 용매적합도, 습윤성, 표면 유도체화 및 결합, 혼용 가능한 재료의 개발 등 3D 프린팅 기술 기반 미체유체 기기 개발이 산업적으로 확장되기까지는 극복해야 할 사안들이 많다. 그럼에도, 3D 프린팅의 CAD 소프트웨어를 통한 모듈형 디자인, 미세유체소자 구성요소(미세밸브, 미세펌프, 제어기 등)의 손쉬운 제작, 사용자 환경 표준화, 복잡한 제어 시스템의 간소화 등의 장점을 통해 3D 프린팅 기반 미세유체 기기 개발이 보다 가속화될 것이고, 의생명분야 진단용 기기의 상업화, 신약개발 플랫폼으로의 활용 등 헬스케어 산업 전반에 큰 영향을 주는 핵심 기술로 활용될 것임에는 분명하다.
그림 7. 연성 리소그래피와 입체 리소그래피(3D 프린팅) 기반 미세유체 소자 제작의 특장점[29]
6. 요약 및 결론
이 분석 리포트에서는 랩온어칩 기반 기술을 크게 진단기기와 질병연구 및 약물 스크리닝 플랫폼으로서 기술적, 산업적 활용 및 특징에 대해 정리하였고, 주요기술에 대해 전망해보았다. 미세유체 기반 랩온어칩 기술은 감염병 및 질병의 현장진단, 예후 예측을 위한 체외 진단기기, 환경유해인자의 검출을 위한 진단 및 계측기기 개발에 폭넓게 활용되고 있다. 최근, 건강관리와 질병 예방에 대한 관심이 높아지면서 ICT 기반 디지털 헬스케어 산업의 비약적인 성장이 기대되고 있다. 랩온어칩 기반 기술은 진단기기의 정확성 및 민감도 향상, 휴대성 및 고속처리에 대한 기술수요를 해결할 수 있는 핵심 기술로써 앞으로 보다 널리 적용될 것이다.
야마나카 신야 박사가 역분화줄기세포 기술을 개발한 지 10년이 흘렀다. 당초 기대했던 재생의학 분야에서는 이화학연구소(RIKEN) 발생생물학 센터에서 주도한 노인성 황반변성(age-related macular degeneration) 환자의 피부세포 활용 임상시험에서 예기치 않은 돌연변이가 발견되어 일단 주춤한 행보를 보이고 있다. 하지만, CRISPR-Cas9(유전자 가위)를 이용한 유전체 편집기술과 오가노이드 배양기법의 발전과 더불어 역분화줄기세포 기술은 생물학 연구 분야에서 더 폭넓게 적용되면서 환자맞춤형 신약개발에 대한 가능성을 열어주고 있다. 환자유래 세포로부터 임상에서 활용 가능한 세포와 유사조직(오가노이드)을 만드는 데, 역분화줄기세포가 널리 활용되고 있다. 인체 생리활성에 근접한 질병 모델링과 이에 기반한 약물 반응을 모니터링할 수 있는 시스템 개발은 신약개발의 효과적인 성공 가능성을 높여줄 수 있을 것이다. 정확성, 민감도의 향상과 고속처리를 가능케 하는 미세유체 기반 랩온어칩 기술은, 앞으로 인체 생리활성을 구현한 약물 스크리닝 플랫폼 개발을 가능하게 할 기술로 적용될 수 있을 것으로 여겨진다.
>>17-05-26 만성 신장질환, 전격성 간염에 효과적인 새 치료제 개발
일본 토호쿠 대학, 오카야마 이과대학, 히로시마 대학 등의 공동 연구팀은 만성 신장 질환과 전격성 간염 치료에 효과적인 신규 화합물, Mitochonic acid 35(MA-35)를 개발했다.
만성 신장질환이란 특정 질병이 아니라 신장 기능이 만성적으로 저하되어가는 질병을 총칭하는 것이다. 대부분은 만성 신장염증에서 섬유화(조직이 손상 후 복구될 때, 콜라겐 등이 축적되어 조직이 경화되는 현상)를 일으켜 결국 신장섬유증에 이르게 된다.
만성 신장질환으로 인해 투석 치료를 받는 환자 수는 증가하고 있다고 알려져 있다. 그러나 투석에 의해 섬유화가 억제되는 것은 아니며, 아직까지 신장의 섬유화를 방지한다고 인정된 치료법은 존재하지 않는다.
신장의 섬유화에는 TGF-β1(transforming growth factor-β1, 변환 성장 인자 -β1)라는 세포의 상처 치유에 관한 일종의 성장 인자(사이토카인이라는 단백질의 일종)가 관여하고 있다.
또한. 구명률이 낮고 예후도 불량한 것으로 알려져 있는 전격성 간염에는 효과적인 치료법이 간 이식 밖에 존재하지 않는다. 전격성 간염 역시 사이토카인이 관여하는 TNA-α (tumor necrosis factor-α, 종양 괴사 인자 -α)가 영향을 미친다.
이번 개발된 MA-35는 신장의 섬유화 인자인 TGF-β1과 전격성 간염 인자인 TNA-α 모두를 억제하는 효과를 가진 물질이다. 동물 실험에서 각각의 질환을 크게 억제하는 효과가 확인됐다.
이 연구결과는 Scientific Reports 저널에 게재되었으며, 일본재경신문 등이 보도했다.
***안바(2550422주--부분잠식16년): 분자진단DAN Chip, Real-Time PCR, PCR Device/면역진단Line Probe Assay, Rpid Kit, Allergy-Q/OEM생산 분자진단 키트생산, 면역진단 키트 생산 ==DNAChip 혹은 DNA microarray를 기반으로 하는 분자 유전진단 키트를 자체의 기술로 개발하여, 자궁경부암의 원인균인 인유두종바이러스(Human Papillomavirus)를 검출 위한 HPVDNAChip을 세계최초로 진단용 DNAchip상품화하여 KFDA(한국식품의약품안전청)으로 허가 받아, 현재 국내 30여개 병원에 공급// NT, BT 및 IT분야가 융합된 LOC(Lab-on-Chip)분야로 발전될 것으로 예상, 관련 연구 개발을 수행 중//현장검사(Point-of-care test; POCT)가 가능한 분자유전진단 키트의 개발 및 제조가 주요 경영 목표//차기 HPV관련 해외라인 선정작업 완료, 2017년부터 기존 라인을 대체하여 판매 예정//주요제품 : HPVDNAChip (KFDA 허가), TBPlusDNAChip, EVDNAChip, 기타 분자유전진단관련 제품(DNA workstation, DNAchip chamber 등), 유전자 검사용 바이오인스트르먼트 (MyPCR 등) //2016.10월부터 프로테옴텍과의 알러지Q 총판계약//수탁업체 및 종병위주로 알러지 MAST검사
==사모 전환사채//사채의 액면금액(총)50억원 ..발행일 2015년 8월 27일 만기일 2020년 8월 27일---전환 발행할 주식 종류-명식 보통주식//보통주식 1주(액면금액 500원) 기준 1주당 7,500원---(저가 전환사채 및 신주인수권부사채 발행, 유증 및 무증, 주식배당, 준비금 자본전입 등에 의하여 필요시 전환가격 조정)--전환청구기간 : 발행1개월후~만기전날까지 |
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