태반 모사 장기칩에서 분자 수송 특성에 관한 연구

Abstract

본 연구의 목표는 태반관문(Placental barrier)의 이중세포층 구조를 미세유체 칩에 구현하여, 기존의 태반 실험모델보다 인체와의 유사성 및 연구 범위 측면에서 우수한 연구 플랫폼으로서의 태반 모사 장기칩(Placenta-on-a-chip)을 개발하는 것이다. 또한 개발된 칩을 이용하여 태반관문을 구성하는 세포층의 분자 수송 특성을 관찰함으로써 칩의 구조적 장점과 연구 범위를 확인하고, 칩 내의 세포층과 인체의 태반 관문의 기능적 유사성을 검토하고자 한다. 본 연구에서 개발된 태반 모사 장기칩은 유리화된 콜라겐 성분의 막 구조(Collagen Vitrigel Membrane, 이하 CVM)을 사이에 두고 접착된 두 개의 PDMS 미세채널에서 두 종류의 세포를 분리 배양하여 제작되었다. 상부 채널에서는 배꼽정맥내피세포(Human umbilical vein endothelial cell)를, 하부 채널에서는 영양막세포(Trophoblast)를 각각 CVM의 윗면과 아랫면에 부착시켜 배양하였다. 세포를 장기적으로 생존시킴과 동시에 체내 혈관과 유사한 환경 조건을 만들어주기 위하여, 채널 내에는 시린지 펌프에 의해 일정한 속도로 배양액이 공급되었다. 각각의 세포층의 분자 수송 특성과 세포층간 상호 작용이 수송에 미치는 영향을 확인하기 위해서, 이중세포층, 영양막세포의 단일세포층, 배꼽정맥내피세포의 단일세포층, 그리고 배양된 세포가 없는 CVM등 총 네 가지 형태의 관문(barrier)을 형성한 모델에서 글루코오스와 인슐린의 세포층별 투과 경향을 관찰하였다. 모체모사부인 하부 채널에 높은 농도의 글루코오스/인슐린을 함유한 배양액을, 태아모사부인 상부 채널에는 낮은 농도의 글루코오스/인슐린을 함유한 배양액을 일정한 속도로 공급하고, 소모된 배양액을 일정 시간 동안 모아 각각의 글루코오스/인슐린 농도를 측정하고 결과를 비교•분석하였다. CVM 양면에 배양된 두 세포는 모두 채널에 주입된 후 24시간 이내에 온전한 밀착연접을 형성하였으며 3일 이내에 채널 전체로 증식하여 이중세포층을 형성하였다. 글루코오스 수송 실험에서는 영양막세포에 의한 글루코오스 흡수가 관찰되었고 글루코오스와 인슐린 수송 실험 모두에서 JEG-3가 HUVEC보다 뛰어난 보호적 기능을 나타내었다. 이처럼 단일세포층의 특성을 관찰했을 뿐 아니라, 투과상수 분석으로부터 두 세포의 상호작용이 글루코오스 및 인슐린의 수송에 크게 영향을 주지 않는다는 결론 또한 얻을 수 있었다. 이중세포층 모델에서의 글루코오스/인슐린 투과 경향 및 대사율은 보고된 태반관문에서의 행동과 일치하였다. 태반 모사 장기칩은 기존의 태반 실험 모델에 비하여 제작 과정에서 소모되는 비용이 적고 구조적, 기능적, 환경적 유사성이 뛰어날 뿐 아니라, 세포의 종류별 특성은 물론 세포층 간의 상호작용에 대한 연구까지 가능하다는 강점을 지니고 있다. 인체와의 기능적 유사성에 대해서는 분자생물학적 행동 기전 규명, 동일한 조건의 생체 내 실험 등을 통한 추가적인 검증이 필요하지만, 본 논문에서 얻은 결과는 새로운 연구 플랫폼으로서 태반 모사 장기칩의 잠재성을 시사한다.