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뇌 오가노이드가 보내는 미세한 전기생리신호를 측정하는 것을 가능케 할 모니터링 시스템이 개발됐다.
오가노이드는 인간 유래 줄기세포를 기반으로 제작된 3차원 형태의 세포 집합체다.
최근에는 동물 실험 모델과 2차원 세포 배양 모델을 대체할 실험 모델로 주목받는다.
다만 뇌와 심장 등 오가노이드는 매우 작은 크기의 전기 신호가 발생해 오가노이드에서 생기는 전기생리신호를 측정하는 것이 매우 어려웠다.
개발된 모니터링 시스템은 이러한 한계를 해소하는 근거가 될 수 있다는 점에서 의미를 갖는다.
KAIST는 전기 및 전자공학부 이현주 교수 연구팀이 한국생명공학연구원의 국가아젠다연구부 손미영 부장 연구팀, 줄기세포융합연구센터 이미옥 박사 연구팀과 공동으로 오가노이드의 비침습적 전기생리 신호 측정을 위한 ‘고신축성 돌출형 미세적국 어레이 플랫폼’을 개발했다고 14일 밝혔다.
그간 오가노이드 관련 연구는 유전자 분석을 위주로 진행돼 오가노이드의 기능성 연구는 상대적으로 미비했다.
같은 관점에서 효과적인 약물 평가와 정밀한 생물학 연구를 위해선 오가노이드의 3차원 형태와 상태를 보전하면서, 기능을 실시간으로 모니터링할 수 있는 기술 개발이 요원했다.
특히 전기신호가 발생하는 뇌와 심장 오가노이드의 전기생리신호 측정은 오가노이드 제작 방식에 따라 크기가 수백 마이크로미터(μm)부터 수 밀리미터(㎜)까지 다양하고 형태가 불규칙해 오가노이드를 파괴하지 않고 외부 표면에 전극을 밀착해 측정하는 것은 매우 어려운 것으로 여겨졌다.
이에 공동연구팀은 오가노이드의 크기와 형태에 맞춰 스스로 늘어나 표면에 밀착할 수 있는 고신축성 돌출형 미세전극 어레이를 개발했다.
또 이를 활용해 오가노이드에서 발생하는 전기생리신호의 변화를 실시간 측정·평가하는 데 성공했다.
공동연구팀은 미소 전자 기계 시스템(Micro Electro Mechanical Systems·MEMS) 공정을 개발해 서펜타인(Serpentine) 구조 기반의 고신축성 미세전극 어레이를 제작, 전기증착 공정으로 돌출형 미세전극을 제작했다.
돌출형 미세전극은 오가노이드에 전극을 보다 강하게 밀착시켜, 오가노이드에 손상을 가하지 않으면서도 안정적으로 전기생리신호를 측정할 수 있게 한다고 공동연구팀은 설명했다.
이현주 KAIST 교수는 “공동연구팀이 개발한 고신축성 돌출형 미세전극 어레이는 다양한 크기의 오가노이드에 활용할 수 있고, 오가노이드의 상태를 실시간 측정해 평가할 수 있는 장점을 가졌다”며 “이 기술은 신약을 개발할 때 실험동물을 대체하거나 재생 치료제로 사용되는 오가노이드의 품질 평가에 바로 적용될 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.
한편 이번 연구는 산업통상자원부 3D생체조직칩기반신약개발플랫폼구축기술개발사업 및 과학기술정보통신부 국산연구장비기술경쟁력강화사업, 바이오·의료기술개발사업의 지원을 받아 수행됐다.
연구에는 KAIST 전기및전자공학부 김기업 박사과정과 한국생명공학연구원 이영선 박사과정이 제1 저자로 참여했다.
연구결과는 국제 학술지 ‘어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)’에 지난해 12월 15일 자 온라인에 게재됐다.
대전=정일웅 기자 jiw3061@asiae.co.kr
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