3D 바이오프린팅이 암 환자의 약물 반응 이해를 높일 수 있다

Bioprinting은 연구자들이 계속 탐구하고 있는 다양한 이점을 제공합니다. 살아있는 세포, 바이오잉크 및 3D 프린팅 방식을 결합하여 장기나 피부 조직과 같은 복잡한 구조물을 만들고 이를 배양하여 테스트에 활용할 수 있습니다. 이제 포항공과대학교(POSTECH) 엔지니어 팀이 이 기술을 활용해 암 환자의 약물 반응 추적을 향상시키고자 합니다. 알아두어야 할 내용은 다음과 같습니다.

바이오프린팅

바이오프린팅은 지난 세기 동안의 기술 및 의료 혁신이 결합된 결과물입니다. 의료 연구자들이 세포 구조를 이해하고 최초의 실험실 재배 이식물이 등장하면서 바이오프린팅이 형태를 갖추기 시작했습니다. 오늘날 바이오프린팅은 AI 연구와 첨단 프린팅 방식을 통합하여 언젠가 뼈, 혈관망, 귀, 외골격, 혈관, 조직 및 장기를 프린팅할 수 있는 목표를 추구하고 있습니다.
Bioprinters는 샘플을 만드는 데 중요한 역할을 합니다. 이러한 샘플을 통해 의료 연구자들은 살아있는 세포를 실시간으로 테스트할 수 있습니다. 빠르고 대량으로 제작할 수 있어 치료제와 약물에 대한 대규모 테스트가 가능해집니다. 이러한 특성 때문에 엔지니어들은 이 장치를 활용해 환자 맞춤형 암 테스트 샘플을 만들 것을 고려하게 되었습니다.

환자에서 약물 반응을 테스트하는 현재 방법

안전성을 보장하기 위해 약물 제조업체는 제품에 대해 여러 차례의 임상 시험과 테스트를 수행해야 합니다. 이를 달성하는 일반적인 두 가지 방법은 유전자 패널 기반 검사와 환자 유래 이종이식 테스트입니다. 이러한 시스템은 종양 이질성을 활용하여 접근합니다.

종양 이질성

대부분의 암 치료 절차는 종양 이질성을 활용해 효과를 보다 잘 이해합니다. 이 용어는 종양을 구성하는 세포들의 다양성을 의미합니다. 모든 세포가 동일하지 않기 때문에 연구자들은 모든 세포를 파악하여 치료가 종양을 가장 효과적으로 제거하도록 해야 합니다.

유전자 패널 기반 검사

유전자 패널 기반 검사는 여러 유전자를 동시에 분석하여 변이를 찾습니다. 이 검사를 통해 연구자들은 특정 환자에게 치료가 효과적일 가능성을 나타내는 유전적 변이를 식별할 수 있습니다.

환자 유래 이종이식(PDX)

환자 유래 이종이식(PDX)은 종양 세포를 마우스에 이식하는 방법을 말합니다. 이 접근법은 종양이 성장하기에 적합한 환경을 제공하여 연구자들이 치료 효과를 테스트하고 연구할 수 있게 합니다. 현재 수천 개의 PDX 모델이 사용되고 있어 오늘날 가장 효과적인 방법 중 하나로 꼽힙니다.

단점

현재 치료 효과 테스트 방법에는 여러 단점이 있습니다. 첫째, 두 방법 모두 많은 시간이 소요됩니다. PDX의 경우 치료를 배양하고 테스트하는 데 최대 8개월이 걸릴 수 있습니다. 또한 이식 성공률은 25%에서 75% 사이로 다양합니다.
유전자 패널 기반 검사에서는 불완전하거나 원치 않는 유전 정보가 수집될 위험도 존재합니다. 마지막으로, 두 방법 모두 수행 비용이 높습니다.

바이오프린팅 약물 반응 연구

이 연구는 “환자 유래 조직이 함유된 조직 특이적 바이오잉크를 활용한 3D 바이오프린팅 위암 모델을 통한 환자 약물 반응 예측”¹이라는 제목으로 국제 학술지 Advanced Science에 발표되었으며, 암 환자로부터 유래된 ex vivo 배양을 통해 화학요법 효능을 예측할 수 있는 3D 프린팅 위암 모델의 활용을 강조합니다. 특히, 새로운 환자 맞춤형 전임상 모델은 기존 방법보다 훨씬 짧은 시간에 환자의 약물 반응을 정확히 예측할 수 있습니다.

위암 (GC)

연구자들은 위암 세포를 대상으로 모델을 테스트하기로 선택했습니다. 위암은 사망 원인 상위 10위 안에 들어가 연구에 이상적인 대상이 됩니다. 연구팀은 환자 유래 종양 조각을 포함한 조직 특이적 바이오잉크를 바이오프린팅하는 것으로 시작했습니다.

출처 – POSTECH (Pohang University of Science and Technology)

그 후, 프린트는 위에서 유래한 탈세포 외기질(dECM) 하이드로겔에 잠겼습니다. 이 전략을 통해 엔지니어들은 체내 암 세포의 세포-기질 및 세포-매트릭스 상호작용을 재현하여 조직병리학, 세포 간 신호 전달 및 세포 구성을 보존할 수 있었습니다.

압출 기반 3D 바이오프린팅 시스템은 프린트된 위암(pGC) 모델을 사용하여 수백 개의 프린트된 GC(pGC) 샘플을 제작했습니다. 특히 이 프린터는 저압·저온 방식이며, 인쇄 과정에서 세포 손상을 방지하는 데 도움이 됩니다.

바이오프린팅 약물 반응 테스트

연구팀은 R&D의 일환으로 환자 유래 암 조직 조각을 테스트했습니다. 배양된 샘플이 체내와 같이 종양의 성장 및 확장을 지원하는지 모니터링했으며, 테스트 결과는 유망한 데이터를 보여주었습니다.

바이오프린팅 약물 반응 테스트 결과

과학자들은 체외에서 생체 내 종양 미세환경을 재현함으로써 개인 맞춤형 샘플에 대해 화학요법과 같은 약물 및 치료를 테스트할 수 있음을 발견했습니다. 이 접근법을 통해 팀은 암 발생, 진행 및 약물 반응과 관련된 모델의 유전자 프로파일 등 치료 반응의 핵심 세부 정보를 추적할 수 있었습니다.
성능 측면에서, 새로운 테스트 과정은 현재 사용 중인 전통적인 두 방법보다 더 정확하고 빠른 결과를 제공했습니다. 또한, 새로운 테스트 샘플이 종양의 원래 특성을 유지함을 확인했으며, 이를 통해 필요 시 신속한 약물 평가를 수행할 수 있었습니다.

바이오프린팅 약물 반응의 이점

엔지니어들은 암 세포-기질 상호작용을 성공적으로 모방함으로써 이상적인 치료 테스트 환경을 구축했습니다. 새로운 접근법은 더 높은 정확성을 제공하고 결과 도출에 걸리는 시간이 짧습니다. 또한, 구축 시간이 적게 들며 체외에서 확장할 수 있습니다.
바이오프린팅은 수백 개의 샘플 복제본을 생성할 수 있어 다양한 파라미터에 걸친 신약의 대규모 테스트를 가능하게 합니다. 이러한 복제본은 재료, 노즐 크기, 압력, 속도 등 프린팅 파라미터를 조정하여 맞춤화할 수 있습니다.

치료 효율성

최신 바이오프린팅 암 치료 반응 테스트 데이터는 이 기술이 치료 효율성을 향상시키는 데 어떻게 기여할 수 있는지를 강조합니다. 약물 제조업체와 의료 전문가들은 치료 결과를 더 짧은 시간에 확인함으로써 조정 및 업그레이드를 신속히 수행하고, 정확한 치료 예측 능력을 강화할 수 있는 이점을 얻습니다.

맞춤형 치료

이 연구는 이 방법이 개별 환자의 위 조직 고유 특성을 보존하여 의료 전문가가 치료 요구에 맞게 맞춤형 접근을 할 수 있음을 보여줍니다. 치료 효과를 모니터링함으로써 의료 전문가들은 약물이 효과적인지, 그리고 필요한 최소 용량이 무엇인지 보다 정확히 판단할 수 있습니다.

부작용 감소

바이오프린팅 암 테스트는 부작용이 적은 보다 효과적인 치료법을 개발할 수 있게 합니다. 샘플이 환자 조직을 활용해 작동 모델을 만들기 때문에 엔지니어들은 각 약물이 신체와 어떻게 상호작용할지 완전히 파악하고 있습니다.

바이오프린팅 약물 반응 연구자

바이오프린팅 암 약물 반응 연구는 POSTECH가 주도하고 The Jackson Laboratory for Genomic Medicine의 Charles Lee 교수의 협력을 받았습니다. 이 프로젝트는 한국연구재단의 지원금, 한국연구재단을 통한 기초과학연구 프로그램 및 교육부의 지원을 받아 진행되었습니다.

바이오프린팅 혁신가

이 연구로 인해 의료 산업은 큰 시장 변동을 겪을 수 있습니다. 암 치료는 2029년까지 3,350억 달러에 이를 것으로 예상되는 거대한 사업입니다. 이러한 수요는 인류 최대 문제 중 하나에 대한 혁신적인 솔루션을 제공하는 기업들에 의해 충족될 것입니다. 다음은 바이오프린팅 약물 반응 연구 데이터를 활용하기에 최적화된 기업입니다.

Organovo

Organovo 는 2007년에 시장에 진입하여 의료 연구자들에게 테스트 및 연구용 3D 프린팅 조직에 직접 접근할 수 있게 했습니다. 캘리포니아 주 샌디에이고에 위치하며, 모든 조직 유형에 적용 가능한 3차원 조직 기술을 최초로 도입한 기업입니다. 연구에 직접 참여하지는 않았지만, 이러한 연구는 바이오프린팅 응용에 대한 관심 증가에 기여할 수 있습니다.

현재 Organovo는 바이오프린팅 및 약물 연구 분야에서 가장 잘 알려진 기업 중 하나가 되었습니다. 오늘날 이 회사는 약물 테스트를 위해 특별히 설계된 다양한 기능성 인간 조직 프린트를 제공하고 있습니다. 따라서 3D 바이오프린팅에 대한 수요가 증가하면 ONVO 주가 상승으로 이어질 수 있습니다.

바이오프린팅 약물 반응 테스트가 의료 접근성을 높일 것이다

전 세계 수백만 명에게 언젠가 도움이 될 수 있는 의료 혁신을 볼 때마다 이는 좋은 신호입니다. 위암을 비롯한 다양한 암은 엔지니어와 과학자들이 정면으로 해결하려는 증가하는 문제입니다. 이번 최신 연구는 이러한 계획을 위한 완벽한 실험 환경을 제공합니다. 따라서 이 팀의 훌륭한 작업에 경의를 표해야 합니다.
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연구 참고:

^{1. Choi, Y.-M., Na, D., Yoon, G., Kim, J., Min, S., Yi, H.-G., Cho, S.-J., Cho, J. H., Lee, C., & Jang, J. (2025). 환자 유래 조직이 함유된 조직 특이적 바이오잉크를 활용한 3D 바이오프린팅 위암 모델을 통한 환자 약물 반응 예측. Advanced Science, 12(1), 2411769. https://doi.org/10.1002/advs.202411769}