▲ (왼쪽부터) 안진철 석박통합과정생(제1저자), 옥경은 책임연구원(제1저자), 김진아 연구교수(교신저자), 정석 교수(교신저자), 고(故) 이상훈 교수

고려대학교 공과대학(학장 이해근) 정석 교수팀(공과대학 기계공학과, KU-KIST융합대학원, KIST뇌과학연구소은 미세유체칩을 이용, 피부세포(keratinocyte)와 감각신격세포(DRG neuron)를 3차원으로 연결해 피부에 가해지는 자극을 감지하고 이를 신경계에 전달하는 모델을 개발했다.

이를 통해 공기에서 3차원으로 배양한 피부세포가 실제와 유사한 피부 장벽을 구성하고, 피부 장벽에 도달한 감각신경세포가 다양한 감각점을 만들어내며, 피부에 가해진 자극에 의한 감각이 발현되는 과정에 대해 정량적인 분석을 하나의 플랫폼에서 모두 수행할 수 있음을 밝혔다. 특히 개발된 모델을 고혈당 상태로 만들어 당뇨성 신경병증(Diabetic neuropathy)에서 관찰되는 피부 감각 신경의 손상을 모사하고 정량적으로 평가함으로써 해당 모델을 다양한 질환들이 피부를 통한 감각에 어떤 영향을 미치는지에 대해 응용할 수 있다는 것을 보였다.

피부의 가장 바깥쪽을 이루고 있는 표피층(Epidermis)은 외부에서 오는 자극들과 병원체로부터 신체 내부를 보호하는 장벽으로써의 역할 뿐만 아니라, 여러 수용체를 통해 외부 자극이 감각 신경을 통해 중추신경계로 전달될 수 있도록 하는 감각 기관으로써의 역할을 수행한다. 표피층의 대부분(약 90% 이상)을 차지하고 있는 세포인 각질 형성 세포(keratinocyte)는 분화를 통해 *복합 층을 형성함으로써 장벽 기능을 수행하고, 이들 사이에 위치한 감각 신경 말단과의 상호작용을 통해 외부의 자극 신호를 내부로 전달할 수 있도록 한다.

* 복합층 : 기저층(basal layer)에서부터 분화하여 그 위로 유극층(spinous layer), 과립층(granular layer), 각질층(cornified layer)을 형성한다. 

사람의 피부를 모사하고 동물 실험을 대체하기 위한 도구로써 인공 피부 모델은 약 30년 넘게 꾸준히 개발되어 왔으며, 그중 일부는 상업화에 성공하여 제품으로도 많이 이용되고 있따. 하지만 이들은 높은 완성도에도 불구하고, 피부를 구성하는 기본 세포인 각질 형성 세포(keratinocyte)나 섬유아세포(fibroblast)만을 포함하고 있어 실제 피부의 주요 기능인 감각의 구현과 전달 과정을 분석하기 위한 도구로 사용되지 못하고 있다.

감각 신경을 포함하는 기존의 인공 피부 모델들은 Full thickness model이라고 불리는 기존의 인공 피부 모델에 신경세포를 포함시켜 배양하는 방식으로 만들어지는데, 이들은 수직으로 적층된 구조로 인해 실시간으로 신경세포의 반응을 분석하는 것이 불가능하고, 피부층이 배양 용기에서 분리되어 피부 자극에 의한 신경세포의 반응을 정략적으로 분석하는데 큰 어려움이 있다.

▲ a) 피부층 내의 감각 신경 분포와 표피층을 설명하는 모식도 및 미세유체칩에서 모사한 피부-감각신경 모델.  b)표피층 분화 및 표피-신경 공배양을 위한 미세유체칩 및 배양 조건.  c) 미세유체칩 기반 표피-신경 모델에서 수행할 수 있는 여러 가지 정량적 분석들에 대한 소개.

▲ d-f) 미세유체칩에 air-liquid interface(ALI) 조건을 적용하여 유도한 표피층의 분화 촉진 결과. 기저층(K14), 유극층(K10), 과립층(Loricrin)에서 나타나는 마커들의 면역형광염색 이미지(d) 및 정량(e), 그리고 유전자 발현(f).  h-i)미세유체칩에서 형성된 표피층의 장벽 기능 평가. 형광 물질을 이용한 실시간 tracking(h)및 정량(i).

▲ a) 미세유체칩에서 공배양된 표피-신경의 3차원 분포, b) 표피층 형성에 의한 감각점 구조 형성

이에 정석 교수팀은 미세 유체칩에서 피부의 표피 장벽을 3차원으로 분화시키는 기술과 신경세포를 3차원으로 성장시키는 기술을 접목해, 기존의 피부 모델에서 수행 할 수 있던 장벽 기능에 대한 평가 뿐 아니라, 피부 자극에 의한 신경세포의 반응을 실시간으로 정량 분석할 수 있는 모델을 개발하였다. 해당 모델의 개발 과정에서 연구진은 기존의 인공 피부 모델에서 표피층 분화를 위해 이용되던 air-liquid interface 조건이 미세유체칩에서도 비슷한 효과를 유도한다는 것을 확인했으며, 칩 내에서 배양된 피부 감각 신경과 표피층이 서로의 분화 및 발달에 영향을 미친다는 것을 발견했다. 이러한 구조적 상호작용과 여러 가지 기능적 분석을 통해 미세유체칩에서 측정된 피부 자극에 의한 신경 반응이 두 조직 간의 유의미한 상호작용을 통해 발생한 것임을 입증했다.

연구진은 당뇨병에서 관찰되는 현상인 고혈당증(hyperglycemia) 상황을 미세유체칩 모델에 적용함으로써 표피 층 내 감각 신경의 감소, 피부층의 변화, 그리고 피부 자극에 대한 감각 신경 반응의 증폭 등을 관찰했다. 이는 기존 보고된 당뇨성 신경병증(Diabetic neuropathy)의 증상이나 고혈당증에 의한 말단 조직의 변화와 유사한 경향을 보였다. 

연구진은 “해당 연구가 당뇨를 포함한 여러 대사 질환에서 실제 피부나 신경의 병증을 예측하고, 감각의 둔화 등 기존에는 불가능했던 증상들을 개선하는 새로운 치료제의 개발에 도움이 될 것”이라고 기대했다.

한편, 이번 연구는 화장품 제조 전문기업인 콜마의 자회사인 넥스트앤바이오사의 임직원들과 함께 진행되었으며, 삼성전자 미래기술육성센터의 삼성미래기술육성사업, 과학기술정보통신부(MSIT)의 3D생체조직칩기반 신약개발플랫폼구축사업, 그리고 산업통상자원부(MOTIE)의 바이오산업핵심기술개발사업의 지원으로 수행되었으며, 연구 결과는 한국시간 3월 17일 기준 세계적 학술지 Nature Communications(Impact Factor: 17,694)에 출판됐다. /공과대학신문

- 논문명 : Modeling of three-dimensional innervated epidermal like-layer in a microfluidic chip-based coculture system

- 논문게재지 : Nature Communications

- 저자정보 : 안진철(제1저자/고려대학교), 옥경은(제1저자/휴메딕스), 원지희(공동저자/고려대학교), 최동희(공동저자/고려대학교), 정용훈(공동저자/고려대학교), 양지훈 박사(공동저자/넥스트앤바이오), 전예슬 박사(공동저자/한국화학연구원), 김진아 연구교수(교신저자/고려대학교), 정석 교수(교신저자/고려대학교), 故이상훈 교수(공동저자/고려대학교) (총 10명)