생명과학자들이 질병을 연구하거나 새로운 약물을 시험할 때 흔히 실험실에서 배양한 세포를 이용하거나 동물모델을 대상으로 한다. 그러나 최근 들어 연구자들은 다른 접근법을 개발하기 시작했다. 바로 인체 기관을 모방한 작은 장기(臟器) 칩(organ-on-a-chip) 장치를 활용하는 것이다. 이 장치들은 비용이 싸고 효과적이며 ‘동물 학대’ 비난에서 벗어나는 방편이기도 하다.

싱가포르 난양공대 연구팀은 최근 심장마비와 뇌졸중의 주요 원인인 혈관 협착을 일으키는 죽상동맥경화증 모델링 칩을 개발해 미국물리협회(AIP)가 발행하는 이번 주 ‘APL 생물공학’(APL Bioengineering)지에 발표했다.

연구팀은 새로운 장치를 이용해 혈관 내피를 형성하는 세포들에서의 중요한 염증반응을 연구할 수 있었다고 밝혔다. 이는 동물모델에서는 수행할 수 없는 방식으로 알려진다. 연구팀은 이와 함께 이 장기 칩이 환자들의 혈액검사를 크게 개선하는 효과도 나타냈다고 전했다.

“새로운 장기 칩, 혈류의 생체역학도 포함”

이 대학 생의학 공학자인 한 웨이 호우( Han Wei Hou) 박사는 죽상동맥경화증이 “매우 중요하면서도 복잡한 질병”이라고 말했다. 죽상동맥경화증은 혈액 속에 있는 지방과 콜레스테롤 및 기타의 물질들이 혈전(plaque)을 형성해 동맥 안쪽 벽에 침착되면서 생기게 된다. 이렇게 혈전이 쌓이면 혈관이 협착돼 심혈관 질환을 일으킨다.

이 같은 혈관 협착이 어떻게 일어나는지 그 조절 기전을 이해하는 것은 혈관 질환의 연구와 치료 그리고 급성 심장마비를 예방하는데 중요하다. 연구팀은 이전에 혈관의 장기 칩 모델을 개발한 적이 있다. 호우 박사는 이 장치들이 죽상동맥경화증의 핵심요소인 모양과 기하학적 구조보다 혈관의 생물학적 복잡성을 재현하는데 더 치중했었다고 말했다. 이에 비해 이번에 개발한 장치는 “혈관 내피 기능장애의 생물학적 측면뿐만 아니라 혈류의 생체역학도 포함하고 있다”고 설명했다.

단핵구가 혈전 형성하는 모습 확인

연구팀은 혈류를 다루기 위해 단일 평방인치 칩에 맞는 장치를 만들었다. 이 장치는 두 개의 포개진 방으로 구성돼 있고 그 사이는 얇고 유연한 고분자 막으로 분리했다. 아래 층에는 공기를 그리고 윗층에는 피와 기계적 속성이 비슷한 유체를 채웠다. 연구팀은 유체로 채워진 위층 방에서 혈관의 안쪽 벽을 구성하는 내피세포가 자라게 했다. 이 상태에서 아래층 방에 공기를 불어넣자 두 방 사이의 막은 풍선처럼 팽창하고 유체 흐름을 가로막는 거품이 형성됐다. 이 과정은 혈관이 협착되는 현상을 시뮬레이션한 것이다.

유체가 채워진 윗방은 협착에 따라 일부에서는 유체 흐름이 빨라지고 다른 구역에서는 느려지게 된다. 연구팀이 지속적이지만 속도가 느린 유체 흐름 아래서 세포를 성장시키자 내피세포가 자라나 ICAM-1이라는 단백질을 발현시킬 수 있었다. 염증과 연계된 이 단백질은 죽상동맥경화증 발병에서 중요한 역할을 한다.

연구진이 세포 배양 배지를 인체 혈액으로 바꾸자 단핵구라 불리는 많은 면역세포들이 유속이 느린 지점에서 내피세포와 결합한다는 사실을 발견했다. 단핵구들은 지질 축적의 주된 원인으로서 궁극적으로 죽상동맥경화증을 일으키는 혈전을 형성하게 된다.

질병 초기 면역반응 정확하게 평가

장기 칩에서의 이 같은 실험 결과들은 널리 받아들여지는 죽상동맥경화증의 발병 양상과 일치한다. 즉, 협착된 혈관에서 방해를 받는 혈류는 혈관 염증을 촉진시켜 단핵구들을 불러모으게 되고 이 단핵구를 중심으로 혈전이 생성되는 것. 호우 박사는 “이번에 새로 개발한 모델은 공기압 조절을 통해 혈관 협착을 정교하게 조절할 수 있기 때문에 죽상동맥경화증을 더욱 정확하게 시뮬레이션할 수 있다”고 설명했다. 이 장치는 연구자들이 죽상동맥경화증 발병 양상을 더욱 잘 이해하고 새로운 치료법을 개발하는데 도움을 줄 것으로 기대되고 있다.

호우 박사는 이 장치가 “질병 진단에 많은 도움을 줄 수 있을 것”이라고 말했다. 연구팀은 개념 증명 실험을 위해 염증 징후를 나타내는 단백질인 TNF-α를 섞은 피를 장치에 주입했다. 염증을 일으킨 피는 정상보다 더 많은 면역세포들이 혈관 내피세포와 결합하도록 했다. 이렇게 결합된 면역세포 수를 측정하면 초기 죽상동맥경화증의 지표인 핏 속의 염증 수치를 알 수 있게 된다.

이 기술은 피 속에서 순환하는 면역세포 수를 재는 다른 검사들과는 달리 환자들의 질병 초기 면역반응을 더욱 정확하게 평가할 수 있는 장점이 있다.