“간의 생체 구조를 모방하여 생체 기능 유사도가 높은 생체 모방 바이오 인공 간 개발을 통하여, 간 기능 상승 및 간 손상 동물모델의 생존율 증가를 통한 간 이식의 대체 방법으로의 가능성을 보여주었다.”

한양대학교병원 외과 최동호 교수 (바로가기)

환자 맞춤 생체 모방 바이오 인공 간 제작의 필요성

현재 한국에서 급성 간부전, 간경변 및 간암 등 간과 연관된 질병의 사망률은 매우 높으며, 특히 40대 성인 남성의 경우 간질환이 사망률이 가장 높은 질병으로 집계된다. 하지만 간 이식만이 간질환의 근본적인 치료방법으로 사료되고 있지만, 공여자의 부족, 면역 거부반응 등의 제약이 존재한다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여, 환자 맞춤형 생체 모방 바이오 인공 간의 제작 연구가 필요하다.

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국내외에서 간 이식의 대체 방법으로 바이오 인공 간 제작 연구가 활발히 진행 중에 있으나, 현재까지 바이오 인공 간의 세포공급원으로는 돼지의 간에서 분리된 일차 간세포나 인간 간암세포가 사용되고 있으며, 이러한 세포공급원들은 바이오 인공 간에서 빠르게 변형되며 간 기능을 잃는다.

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또한 간은 조직학적 특징상 간세포와 혈관내피세포 등이 일렬로 쌓여있는 구조로 이루어져 있어, 간의 구조적 특징을 모방하는 연구는 현재까지 개발을 못하고 있는 실정이므로 생체구조 모방적 줄기세포/조직공학 기반 기술 확립이 필요하다.

환자 맞춤 고기능 세포 공급원의 개발

한양대학교병원 최동호 교수 연구팀은 정상 및 환자 간세포에 저분자 화합물을 처리하여 생체 외에서 증식 배양이 가능하며, 간 전구/줄기세포의 특성을 갖는 저분자 화합물 유래 간 전구/ 줄기세포 제작에 관한 연구를 간장학 분야 최고 학술지에 보고했다(Kim et al. Journal of Hepatology. 2019; IF: 25.083). 이 세포는 환자의 세포로부터 제작이 가능하기 때문에 환자 맞춤의학이 가능하며, 빠른 증식능력을 통하여 세포공급원으로서 갖춰야 할 세포의 수를 고기능 저비용으로 제작이 가능하다는 장점이 있다.

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또한 이전 연구에서 간세포로 분화된 간 전구/줄기세포는 성숙된 간세포의 기능적 능력(알부민 분비, 시크로톰 P450 활성, 요소합성 능력 등)이 증가하는 것을 확인했으며, 이는 정상 간 세포 대비 약 50%의 기능적 능력을 보였다. 또한 기존의 다양한 줄기세포(유도만능줄기세포, 배아줄기세포, 직접교차분화세포 등)와 비교했을 때, 최동호 교수 연구팀이 개발한 간 전구/줄기세포 유래 간세포가 성인 간세포와 가장 유사한 유전자 발현 양상을 보이는 것을 확인했다. 따라서 간 전구/줄기세포를 세포 공급원으로 사용한 바이오 인공 간 제작을 통하여, 생체 유사도가 높은 인공 간 플랫폼을 개발할 수 있는 초석을 마련했다.

생체 모방 바이오 인공 간 제작

가장 이상적인 조직공학용 지지체는 세포외기질(ECM, Extrac ellular matrix)을 모방하는 것이 세포를 배양하여 인공조직을 재건하는 관점에서 최적의 방법으로 인지되고 있다. 수백나노미터 급의 직경을 갖는 섬유를 매우 빠르게 제작할 수 있는 공정인 전기방사는 섬유가 포집되는 형태가 ECM과의 유사성을 갖고 있기 때문에, 본 연구에서는 전기방사 나노섬유를 겹겹이 쌓을 수 있는 구조체를 자체 설비하여 물리적 구조의 유사도가 높은 조직공학 지지체를 제작하여 사용했다.

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최동호 교수 연구팀은 간의 구조학적 특징(간세포와 혈관내피세포가 일렬로 적층되어 있는 구조)을 모방하기 위하여, 나노섬유 지지체에 간 전구/줄기세포와 인간 탯줄정맥 내피세포(HUVECs)를 각각 배양한 후 적층하여 생체 간의 조직학적 세포 배열구조를 모방할 수 있는 바이오 인공 간을 개발했다.

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그 결과, 제작한 생체 모방 바이오 인공 간의 기능이 기존 2차원 배양 방법에 비해 10배 이상 증가됐으며, 생체 내 간 세포와 비슷한 특징을 보이는 것을 확인했다. 또한 간 손상 동물 모델에 이식했을 때, 생존율이 200% 이상 크게 개선되는 독보적인 결과를 얻었다. 이는 향후 간 이식의 유망한 대체 방법으로 이어질 수 있을 것으로 기대된다.

미래 연구의 기초자료

생체 구조적 모방을 통해 제작된 바이오 인공 간은 우수한 3차원 배양 시스템으로서 다양한 간 미세환경 기전 연구 및 약물대사 평가 모듈로 활용이 가능할 것으로 사료된다. 또한 간 이식 대기자 외에 간 이식 예후 개선 치료 및 보조적 치료 등으로 확대 적용할 수 있을 것으로 기대되며, 퇴행성 및 난치성질환의 치료제 개발 및 질환 모델링 연구를 통한 신약 스크리닝 플랫폼 구축에 기여할 수 있을 것으로 사료된다.

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이러한 연구결과를 바탕으로 향후 실제 임상적으로 간 이식을 대체할 수 있는 인공 간 개발이 가능해져 간 이식의 유망한 대체 방법으로 이어질 수 있을 것이며, 환자 맞춤 저분자 화합물 유래 간 전구/줄기세포를 통하여 기존의 문제점인 공여자 부족 및 이식 거부반응 문제를 해결할 수 있을 것이라 기대한다.

◀ Hepatic patch by stacking patient-specific liver progenitor cell sheets formed on multiscale electrospun fibers promotes regenerative therapy for liver injury.

환자 맞춤 간 전구・줄기세포를 이용한 인공 간의 간 손상에 대한 재생 치료 증진 효과 확인