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종양모델 칩으로 다조건 항암제 동시 평가
실제 인체에 항암제가 투여되면 약물 분자는 혈류를 따라 수송된다. 이 약물 분자들은 혈관 벽을 투과하고 확산한다. 확산한 분자는 종양 덩어리 내부까지 점차 침투해 약물 효능이 나타나게 된다. 우리 연구진이 바이오프린팅 기술로 36가지의 종양 미세환경을 유체채널 내부에 모사하여 12가지 실험 조건에 따른 항암제 효능을 동시에 평가하는데 성공하여 화제다.
우리 대학 바이오및뇌공학과 박제균 교수 연구팀이 기존 바이오프린팅* 및 랩온어칩** 기술의 한계점을 극복하고 장점을 극대화하여 복잡한 종양 미세환경이 구현된 랩온어칩을 개발하여 여러 분석 변수가 반영된 약물 스크리닝을 수행하는 데 성공했다고 16일 밝혔다.
* 바이오프린팅(bioprinting): 세포와 생체재료로 구성된 바이오 잉크를 활용하여 생체조직 및 기관과 유사한 기능적 구조물을 제작하는 3D 프린팅 기술
** 랩온어칩(lab-on-a-chip): “칩 위의 실험실”이란 개념을 갖고 있으며 각종 시료분석에 필요한 전처리, 분리, 희석, 혼합, 반응, 검출 기능 등을 미세유체 회로로 이루어진 채널 내에서 일괄적으로 수행할 수 있도록 만들어진 미세유체 소자 및 시스템
바이오프린팅은 조직이나 장기의 복잡한 형상과 조성을 체외환경에서 재현할 수 있는 생체모사 기술이지만, 제작된 생체모델의 배양 환경 제어와 분석이 어렵다. 반면, 랩온어칩은 미세 유체채널 내에서의 유체 제어 기술에 기반해 배양 환경의 정교한 제어와 다양한 분석 수행이 가능하지만, 미세한 유체 통로 내부에 생체 환경을 모사하는 데 한계가 있었다.
연구진은 바이오프린팅 기술로 서로 다른 조성으로 구성된 총 36개의 종양 모델을 랩온어칩 내에 형성한 후, 동일한 소자 내에서 12가지 실험 조건에 따른 항암제 효능을 동시에 평가하는 데 성공했다.
연구팀은 바이오프린팅의 우수한 공간적 자유도와 다양한 생체재료를 활용할 수 있다는 장점을 이용해, 세 가지 서로 다른 조성으로 이루어진 36개의 종양 모델을 하나의 미세 유체소자에 집적시켰다. 세포를 유동 배양해 물질 수송에 핵심 구조물인 혈관 벽과 종양 덩어리를 모사하여 네 가지 농도의 항암제를 종양 모델에 유입함으로써, 하나의 소자에서 12가지 실험 조건의 약물 평가를 수행했다.
또한 연구팀은 혈관 벽에 의해 약물 분자의 수송이 저해되고 종양 덩어리 내부까지 침투되는 현상을 관찰할 수 있었고, 체내 수송 과정을 모사하지 못했던 기존 종양 모델과 약물 효능에 큰 차이를 보인다는 것을 확인했다.
이처럼 바이오프린팅-랩온어칩 통합기술을 활용해 모델 복잡성, 모델 수, 모델 처리량 등 다양한 변수를 고려한 체외 종양 모델을 제작할 수 있었고, 더욱 신뢰성 있는 약물 평가를 수행할 수 있었다.
연구를 주도한 박제균 교수는 “바이오프린팅과 랩온어칩의 통합기술로 제작된 미세 유체 세포배양 및 분석 플랫폼의 개발에 따른 신뢰성 있는 약물 평가 모델에 대한 성과”임을 강조하며, “향후 다양한 조직 및 장기 특성을 모사하고 생물학적 분석과 약물 효능 평가를 고효율로 수행할 수 있는 동물실험 대체용 차세대 체외 세포배양 및 분석 기술로 활용될 수 있을 것”이라고 말했다.
바이오및뇌공학과 이기현 박사가 제1 저자로 참여한 이번 연구 결과는 국제 학술지 '어드밴스드 헬스케어 머티리얼즈(Advanced Healthcare Materials)'에 2024년 6월 3일 자로 온라인판에 게재됐다.
(https://doi.org/10.1002/adhm.202303716. 논문명: Bioprinted multi-composition array mimicking tumor microenvironment to evaluate drug efficacy with multivariable analysis).
또한, 이번 논문은 와일리-VCH(Wiley-VCH) 출판사의 ‘핫 토픽: 종양과 암(Hot Topic: Tumors and Cancer)’세션과 ‘핫 토픽: 미세유체공학(Hot Topic: Microfluidics)’세션에 동시 선정됐다.
한편 이번 연구는 한국연구재단 기초연구사업(중견연구)의 지원을 받아 수행됐다.
2024.07.16 조회수 2137 -
성형진 교수 연구팀, 랩온어칩(Lab on a Chip)지 표지논문 게재
우리 대학 기계공학과 성형진 교수 연구팀(초세대협업연구실)이 고주파수 표면탄성파 기반 마이크로스케일 음향흐름유동을 이용해 나노리터급 액적 내 화학적 농도 제어 기술을 개발했다.
동전 크기의 초소형 미세유체칩 내에 서로 섞이지 않는 두 유체로 조성된 마이크로스케일 액적을 기반으로 하는 액적 기반 미세유체역학 분야에서 개별 액적 내 화학적 농도를 제어하기 위해 그동안 많은 노력이 기울여져 왔다. 하지만 지금까지 개발된 액적 내 화학적 농도 제어 기술은 복잡한 미세유로 혹은 별도의 외부 구동시스템이 필요하거나, 만들어진 액적의 병합 혹은 희석을 통해 액적 내 화학적 농도를 제어하기 때문에 동적 제어가 불가능하고 액적 간 화학적 농도 구배를 형성하기 어렵다는 한계를 지니고 있었다.
이번 연구에서 성형진 교수 연구팀은 고주파수 표면탄성파를 미세유체칩 내 유동에 집속하여 음향흐름유동을 발생시켜 농도 제어가 필요한 액상 화학 시료와 완충용액을 혼합한 후, 혼합된 액상 시료를 분산상으로 하는 나노리터급 액적을 생성함으로써 액적 내 화학적 농도의 정밀 제어할 수 있음을 보였다. 개발된 기술을 활용하여 미세유체칩 내 고속으로 생성되는 개별 액적의 화학적 농도를 동적으로 제어할 수 있으며, 더 나아가 액적라이브러리 내 액적 간 화학적 농도 구배를 자유롭게 형성할 수 있는 최초의 기술이라는 점에서 기존 기술보다 진일보한 기술이라는 평가를 받았다.
아울러 평면파 각스펙트럼 이론과 등가 구경 이론을 이용해 원형 빗살무늬전극에서 생성되는 집속 표면탄성파의 집속점 위치가 기하학적 중심이 아니라는 점을 밝혔다. 또한 MHz 대역의 초음파 대역의 압전기판 위 표면탄성파 및 유체 내 종파의 감쇄에 의해 생성되는 마이크로스케일 음향흐름유동 및 와류를 전산유체역학적으로 가시화하여 인가되는 표면탄성파의 진폭과 생성되는 음향흐름유동장 사이의 관계를 규명해 효율적인 마이크로스케일 유동 혼합을 위한 조건을 제시했다.
이번 연구는 영국왕립화학회(Royal Society of Chemistry)에서 발간하는 미세유체역학 및 마이크로타스(microTAS) 분야의 세계적 권위 국제학술지인 랩온어칩(Lab on a Chip)지 2020년 21호의 표지논문으로 선정됐다 (논문명: Acoustofluidic generation of droplets with tunable chemical concentrations). 이는 성형진 교수의 Lab on a Chip 학술지 2016년 4호, 17호, 2017년 6호, 2018년 3호, 19호에 이은 여섯 번째 표지논문으로 미세유체역학 분야의 선도적 연구 성과다.
성형진 교수 연구팀은 그동안 미세유체역학, 난류, 고체-유체 상호작용 연구 분야에서 탁월한 연구 성과를 내 SCI급 국제학술지에 380여편의 논문을 게재했으며, 이번 연구는 과학기술정보통신부의 재원으로 한국연구재단의 중견연구와 초세대협업연구실의 지원으로 수행됐다.
박진수 박사 (현 전남대 교수)와 성형진 교수는 “이번 연구에서 개발된 음향미세유체역학 기술을 통해 마이크로스케일 액적 내 화학적 농도를 칩 내에서 정밀·동적 제어하고 액적 간 농도 구배를 형성할 수 있는 최초의 기술로서, 개발된 기술이 약물스크리닝, 단일 세포 및 입자 기반 분석, 기능성 마이크로캡슐 합성 등 액적 기반 미세유체역학 시스템이 사용되는 다양한 분야에서 핵심 원천기술로 널리 활용될 수 있을 것으로 기대된다”라며 연구 의의를 밝혔다.
2020.11.10 조회수 31038 -
전성윤 교수, 8시간 안에 항생제 조합 성능 확인하는 기술 개발
〈 김승규 연구원, 전성윤 교수 〉
우리 대학 기계공학과 전성윤 교수 연구팀(바이오미세유체 연구실)이 미세유체 칩을 이용해 두 개의 항생제 간 시너지 효과를 8시간 만에 검사할 수 있는 기술을 개발했다.
이번 연구는 항생제의 시너지 효과 검사에 최소 24시간 소요돼 활용이 어려웠던 기존 기술을 크게 개선한 것으로, 향후 환자들에게 적절한 항생제 조합치료를 할 수 있는 기반 기술이 될 것으로 기대된다.
김승규 석박사통합과정이 1 저자로 참여하고 생명과학과 정현정 교수 연구팀과 공동으로 수행한 이번 연구는 영국 왕립화학회(Royal Society of Chemistry)에서 발행하는 ‘랩온어칩(Lab on a Chip)’ 3월 21일 자 뒤표지 논문으로 게재됐다. (논문명 : On-chip phenotypic investigation of combinatory antibiotic effects by generating orthogonal concentration gradients, 직교 농도구배 형성을 통한 칩 상 항생제 조합 효과 검사)
항생제에 매우 높은 저항성을 갖는 ‘슈퍼박테리아’의 등장은 세계적으로 병원 및 관련 기관에 큰 위협으로 떠오르고 있다. 지난 2014년에는 세계보건기구(WHO)가 병원균의 항생제에 대한 내성이 심각한 수준에 도달했다고 공식적으로 처음 보고하기도 했다.
이러한 항생제 저항성 병원균을 효과적으로 억제하기 위해 두 종류 이상의 항생제를 섞어 처리하는 ‘항생제 조합 치료’가 주목받고 있지만, 항생제의 종류와 적정한 농도 범위가 큰 영향을 미쳐 정확한 조합을 해야 할뿐더러 치료가 항상 효과적이지는 않다는 문제점이 있다.
따라서 미지의 항생제 저항성 병원균을 대상으로 체외 항생제 조합 검사를 통해 적합한 항생제 조합과 농도 범위를 찾는 것은 매우 중요한 과정이다. 하지만 기존 검사 방식은 항생제 희석 및 샘플 준비 과정이 불편하고 결과 도출까지 24시간 이상이 걸려 대부분 경험적 치료에 의존하고 있다.
연구팀은 문제 해결을 위해 필요한 샘플 양이 수십 마이크로리터에 불과한 미세유체 칩을 이용했다. 머리카락 굵기 수준의 좁은 미세채널에서 유체 흐름을 제어할 수 있는 시스템인 미세유체 칩을 통해 두 개의 항생제 간 농도조합 121개를 단 35분 만에 자동으로 형성했다.
연구팀은 박테리아 샘플을 아가로스 젤과 섞어 미세채널에 주입해 굳힌 뒤 이를 둘러싸는 미세채널들에 각 항생제가 포함된 시약과 항생제가 포함되지 않은 시약을 주입했다.
항생제가 첨가된 채널로부터 항생제가 없는 채널로 항생제 분자들의 확산이 이뤄지고 결국 두 항생제의 조합이 박테리아가 굳혀있는 아가로스 젤에 35분 만에 형성된다. 연구팀은 이후 6시간 동안 억제되는 박테리아의 성장을 현미경을 통해 관찰했다.
연구팀은 서로 다른 항균 원리를 갖는 다섯 종류의 항생제를 두 개씩 조합해 녹농균(Pseudomonas aeruginosa)을 대상으로 항생제 조합 효능 검사를 시행했다. 그 결과 항생제 짝에 따라 각기 다른 항균효과를 확인할 수 있었고 검사한 항생제 짝의 시너지 관계를 분류할 수 있었다.
연구팀의 미세유체 칩 기반의 검사 방식은 번거로운 희석과정과 긴 검사 시간으로 인해 불편했던 기존 검사 방식을 크게 개선했다.
이전에도 전 교수 연구팀은 ‘미세유체 칩 기반의 항생제 효능 신속검사 기술’을 개발해 지난 2월 5일 ‘바이오마이크로플루이딕스(Biomicrofluidics)’지에 피처 기사로 게재한 바 있다. 이번 논문은 그 후속 연구로 미세유체 칩이 차세대 약물 검사 플랫폼으로 활용될 가능성을 제시했다는 의의가 있다.
연구책임자인 전 교수는 “미세유체 칩의 약물 검사 플랫폼으로써의 발전 가능성은 무궁무진하다”라며 “개발한 미세유체 칩이 상용화돼 실제 현장에서 항생제 조합치료를 위해 활용되기를 기대한다”라고 말했다.
이번 연구는 EEWS 기후변화연구허브사업과 교육부 이공분야기초연구사업 및 BK21 플러스프로그램의 지원을 받아 수행됐다.
그림 설명
그림1. Lab on a Chip 표지 이미지
그림2. 본 연구의 미세유체 칩과 분석결과 예시
2019.04.05 조회수 19175 -
성형진 교수, 마이크로스케일 액적 내 입자의 세정 및 집속기술 개발
우리 대학 기계공학과 성형진 석좌교수 연구팀(유동제어연구실)이 고주파수 표면탄성파 기반 음향방사현상을 이용해 마이크로스케일 액적 내 입자의 세정 및 집속 기술을 개발했다.
박진수 박사과정이 제 1저자로 참여한 이번 연구는 영국왕립화학회에서 발간하는 미세유체역학 및 마이크로타스 분야의 국제학술지 랩온어칩(Lab on a Chip)지 2018년 19호의 표지논문으로 선정됐다 (논문명: In-droplet microparticle washing and enrichment using surface acoustic wave-driven acoustic radiation force).
이는 같은 학술지 2016년 4호, 17호, 2017년 6호, 2018년 3호에 이은 다섯 번째 표지논문으로 미세유체역학 분야의 선도적 연구 성과이다.
동전 크기의 초소형 미세유체칩 내에 서로 섞이지 않는 두 유체로 조성된 마이크로스케일 액적을 기반으로 하는 액적 기반 미세유체역학 분야에서 액적 내 입자, 세포, 생체분자 등의 샘플을 제어하기 위해 많은 노력이 기울여져 왔다.
하지만 지금까지 개발된 액적 내 샘플 세정 및 집속 기술은 복잡한 시스템이 요구되고 자성 혹은 극성을 띈 샘플만 제어할 수 있다는 한계를 지니고 있었다.
이번 연구에서 성 석좌교수 연구팀은 고주파수 표면탄성파를 이용해 마이크로스케일 액적과 액적 내 입자에 음향방사력을 인가해 입자의 위치를 음향장 내에 고정시켰다.
그리고 액적을 포획, 분할, 병합, 방출함으로써 액적 내 입자의 매개 용액을 교체하고 더 나아가 입자의 개체수를 원하는 수준까지 농축할 수 있음을 증명했다.
개발된 기술은 액적 내 입자를 비접촉·비표지 방식으로 세정할 수 있으며 액적 내 샘플의 개체수를 증가시킬 수 있는 기술이라는 점에서 기존보다 진일보했다는 평을 받았다.
아울러 음파와 탄성 고체 입자의 상호작용 이론을 바탕으로 표면탄성파의 주파수와 액적 내 입자 크기 사이의 관계를 규명해 효율적인 음향영동 현상 유발을 위한 조건을 제시했다.
박진수 박사과정은 “개발된 음향미세유체역학 기술을 통해 마이크로스케일 액적 내 샘플의 매개용액을 자유롭게 교체할 수 있음은 물론 액적 내 샘플을 원하는 수준으로 농축할 수 있다”고 말했다.
성형진 석좌교수는 “이 기술이 다양한 액적 기반 미세유체역학 시스템에서 액적 내 입자, 세포, 생체분자 등 다양한 샘플의 전처리를 위한 핵심 기술로 널리 활용될 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.
성형진 석좌교수 연구팀은 그동안 광력과 음향력 기반의 미세유체역학, 난류, 고체-유체 상호작용 연구 분야에서 탁월한 연구 성과를 내 SCI급 국제학술지에 320여편의 논문을 게재한 바 있다.
특히 이번 연구는 올해 우리 대학에서 국내 최초로 시행된 초세대 협업연구실(헬스케어 음향미세유체 연구실)의 공동 연구 성과로, 헬스케어 음향미세유체 연구실은 기계공학과 성형진 석좌교수가 책임을 맡고 같은 학과 조연우 교수, 김형수 교수가 참여하고 있다.
이번 연구는 KAIST-KUSTAR, 한국연구재단의 창의연구지원사업과 글로벌박사펠로우십, 극지연구소, KAIST 초세대 협엽연구실(헬스케어 음향미세유체 연구실)의 지원으로 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 논문 대표 이미지
그림2. 표지논문 이미지
2018.10.05 조회수 13736 -
성형진 교수, 미세유체칩 내 액적 위치 제어 기술 개발
우리 대학 기계공학과 성형진 교수 연구팀(유동제어연구실)이 열모세관 현상을 이용해 미세유체칩 내 액적의 위치를 정교하게 제어하는 기술을 개발했다.
박진수 박사과정이 1저자로 참여한 이번 연구는 영국왕립화학회(Royal Society of Chemistry)에서 발간하는 미세유체기술 및 마이크로타스(microTAS) 분야의 국제학술지인 랩온어칩(Lab on a Chip)지 2017년 6호의 표지논문으로 선정됐다.
(논문명: Acoustothermal tweezer for droplet sorting in a disposable microfluidic chip)
극소량의 유체 샘플을 이용해 동전만한 크기의 미세유체칩 내에서 복잡한 실험을 수행하기 위해서는 정교한 미세유체 기술이 필요하다.
특히 서로 섞이지 않는 두 유체로 구성된 액적을 기반으로 하는 미세유체역학 분야에서 액적의 위치를 정교하게 제어할 수 있는 기술이 필수적이다.
하지만 기존의 액적위치 제어기술은 한 쪽 방향으로만 제어할 수 있거나 마이크로 크기 수준에서는 정교하게 제어하지 못했다.
연구팀은 독자적으로 개발한 음향열적가열법을 통해 마이크로 수준의 동적 온도구배를 형성했고 이를 통해 미세유체칩 내에서 액적의 위치를 마이크로 크기 수준에서 정교하게 제어했다.
궁극적으로는 원하는 배출 유로로 액적을 분리할 수 있음을 증명했다.
성형진 교수 연구팀은 그동안 광력과 음향력 기반의 미세유체역학, 난류, 고체-유체 상호작용 연구 분야에서 탁월한 연구 성과를 내 SCI급 국제 학술지에 300여 편의 논문을 게재한 바 있다.
이번 연구는 한국연구재단의 창의연구지원사업, 글로벌박사펠로우십과 KAIST-KUSTAR의 지원으로 수행됐다.
박진수 박사과정은 “본 연구에서 개발된 기술은 액적의 양쪽에서 서로 반대방향으로 작용해 균형을 이루는 열모세관 힘을 이용해 액적의 위치를 마이크로스케일에서 정교하게 제어할 수 있다”고 말했다.
성 교수는 “본 연구에서 개발된 기술이 액적 기반 미세유체칩 내 생화학반응, 제약, 물질 합성 등에 널리 활용될 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.
□ 그림 설명
그림1. 랩온어칩 표지
2017.03.20 조회수 17053 -
초고감도 나노바이오센서 원천기술 개발
KAIST 바이오시스템학과 박제균(朴濟均, 42) 교수팀이 나노자성입자를 이용 단백질, DNA 등의 생체분자(生體分子)를 초고감도로 검출할 수 있는 바이오센서 기술 개발에 성공했다.
이 기술은 나노(10억분의 일)그램 이하 수준으로 존재하는 극미량 물질을 검출할 수 있는 새로운 센서기술로 특정 자기장(磁氣場)하에서 생체분자의 정량적 및 고감도 분석이 가능하다.
황사 알레르기 등 많은 질환의 표지가 되는 생체분자들은 일반적으로 극미량 만으로도 인체에 심각한 영향을 미치기 때문에 이를 검출할 수 있는 센서기술은 차세대 나노바이오기술의 핵심분야에 속한다.
기존의 바이오센서 기술은 극미량 검출에는 본질적인 한계가 있는데 이번에 개발된 나노입자를 이용한 극미량 검출기술은 그러한 한계를 뛰어넘은 새로운 원천기술로서 향후 바이오센서, 랩온어칩(Lab on a chip, 손톱만한 크기의 칩으로 실험실에서 할 수 있는 연구를 수행할 수 있도록 만든 장치)개발 등에 크게 기여할 것으로 보인다.
이 연구결과는 최근 나노바이오분야의 세계적인 학술지인“랩온어칩”誌 인터넷 판에 발표되었고, 관련기술은 현재 특허 출원중에 있다.
2005.05.20 조회수 21129