‘Body-On-Chip’ 마이크로플루이딕 솔루션을 활용한 3D 프린팅

더 나은 체내 실험 모델의 필요성

신약을 찾고 테스트하는 과정은 언제나 복잡하고 비용이 많이 듭니다. 역사적으로 이는 전적으로 동물과 인간을 대상으로 신제품을 테스트하는 것에 의존해 왔습니다.

최근에는 시험관 내(in‑vitro) 테스트를 사용하여 잠재적인 신약이 특정 세포 유형에 어떤 영향을 미칠 수 있는지 확인하고 있습니다.

하지만 시험관 내 연구의 관련성은 항상 불확실합니다. 전체 몸, 즉 동물이나 인간은 단순한 세포 배양과는 매우 다르기 때문입니다. 항암 물질이 장에서 흡수되고 간에서 새로운 분자로 변환되며 뇌에 예상치 못한 영향을 미칠 수 있습니다. 이러한 과정들은 암 세포 배양만으로는 정확히 파악될 수 없습니다.

이는 단순한 학문적 문제를 넘어섭니다. 많은 잠재적 약물이 임상 1상에서 실패하여 동물 및 시험관 내 연구가 충분히 일찍 식별하지 못한 안전성 문제를 드러내기 때문입니다.

이로 인해 막대한 비용이 발생하고 향후 생명을 구하는 약물의 비용이 상승합니다.

출처: Research Gate

다행히도, 새로운 기술이 실험실 환경에서 전체 몸을 훨씬 더 정확하게 시뮬레이션하여 구원책이 될 수 있습니다.

Organ-On-A-Chip

“Body-on-a-chip”은 “human-on-a-chip” 또는 마이크로 생리학 시스템이라고도 하며, 세포 배양을 이용해 전체 혹은 일부 신체를 복제하려고 합니다.

이를 위해 여러 개의 소형 시험관 내 장기(“organ-on-a-chip”)를 연결합니다.

출처: Harvard 

Organ-on-a-chip은 미세유체공학을 이용해 세포 배양에 영양분을 공급하고, 영양분과 약물이 실제 장기로 확산되는 과정을 현실적으로 시뮬레이션하는 기술입니다.

예를 들어, 이것은 인간 기도의 작동 방식을 시뮬레이션하는 “airway-on-a-chip” 모델을 만들 수 있으며, 인간 장, 신장 또는 골수 모델도 만들 수 있습니다.

https://player.vimeo.com/video/148415347?h=1791b1a543

Organ-On-A-Chip에서 Body-On-A-Chip으로

여러 organ-on-a-chip 시스템을 결합하면 전체 몸의 일부를 만들기 시작할 수 있으며, 약물이 실제 환자에게서 수행할 생물학적 과정을 적절히 고려할 수 있습니다.

이는 면역 반응, 장, 폐 또는 혈관에서의 약물 흡수, 근육 수축, 간 대사 등 다양한 생물학적 메커니즘을 포함할 수 있습니다.

출처: Harvard

다시 말해, 이는 매우 중요합니다. 대부분의 약물 효과(긍정적이든 부정적이든)는 여러 장기의 반응을 고려해야만 이해할 수 있기 때문입니다.

Body-On-Chip 설계

모든 body-on-chip이 동일하게 제작되는 것은 아니며, 전체 시스템을 구축하는 데 사용되는 organ-on-chip에 대해 다양한 설계가 존재합니다. 각각은 고유한 장점을 가지고 있으며 의료 연구자들에 의해 다르게 활용됩니다.

이를 분류하는 한 방법은 사용된 세포와 조직의 유형에 따라 구분하는 것입니다. 일부 organ-on-chip은 인공 미세구조나 콜라겐 층으로 지원되는 단일 세포 유형(단일배양)만을 사용합니다. 다른 경우에는 구형체나 보다 복잡한 3D 구조로 여러 세포 유형을 함께 조립합니다.

출처: Nature.com

또 다른 분류 방법은 유체가 organ-on-chip 내부 및 사이에 어떻게 전달되는지를 살펴봅니다. 동일한 주변 유체를 공유하거나 혈액 또는 림프계와 유사한 맞춤형 튜브를 통해 연결될 수 있습니다. 액체 흐름은 연속적이거나 로봇식 유체 전달에 의해 제어될 수 있습니다.

또한 다공성 막이나 세포 층(내피)으로 영양소와 약물의 순환 유체와 분리될 수도 있습니다.

출처: Nature.com

이처럼 다양한 설계는 거의 무한에 가까운 조합을 가능하게 합니다. 따라서 이미 매우 유용하지만, 연구자들은 organ-on-chip 및 body-on-chip 설계 초기 단계에 있으며 완벽한 복제본, 신뢰성, 생산 비용 사이의 최적 균형을 찾기 위해 여전히 실험 중입니다.

Organ-On-Chip 시장

Organ-on-chip은 이제 막 연구실을 벗어나 약물 개발 과정에 진입할 만큼 충분히 성숙해 가고 있는 신기술입니다. 2023년에는 1억 300만 달러 규모의 시장이었습니다.

예측에 따르면 organ-on-chip 시장이 2026년까지 3억 300만 달러에 이를 것으로 예상되며, 동물 실험을 대체함에 따라 2027년에는 5억 2900만 달러로 급성장할 것으로 추정됩니다. 다른 전망은 2032년까지 14억 달러 규모로 성장할 것이라고 보고 있으며, 8년 동안 10배 이상 성장할 것으로 예상됩니다.

Body-on-chip은 더욱 최근에 등장했으며, 성능과 신뢰성을 향상시키고 비용을 절감하기 위한 기술 혁신으로 큰 혜택을 받을 것입니다.

Body-On-Chip 적용 분야

약동학

약물의 효능과 잠재적 독성에 크게 영향을 미치는 핵심 특성은 “약동학”입니다. 쉽게 말해, 약물이 몸과 각 장기의 조직에 얼마나 빠르게 확산되는지를 의미합니다.

이는 종이 상이나 컴퓨터 모델로 예측하기 어렵습니다. 왜냐하면 장, 혈류, 장기가 특정 화학 물질에 어떻게 반응하는지에 따라 달라지기 때문입니다.

이를 위해 가능한 한 완전한 body-on-chip이 필요하며, 약물의 투여 경로에 따라 경구(위와 장), 에어로졸(폐), 정맥(혈류) 등으로 달라집니다.

출처: Nature.com

맞춤형 의학

body-on-chip의 또 다른 큰 약속은 맞춤형 의학의 가능성입니다. 점점 더 많은 연구자와 바이오테크 스타트업이 전체 인간을 대상으로 하는 것이 아니라 성별, 혈통, 연령, 유전적 프로필 등 하위 카테고리, 나아가 개별 환자에 맞춘 약물을 개발하려 하고 있습니다.

높은 재현성, 건강 위험이 없으며 비용이 낮기 때문에, 초기 단계에서 약물을 미세 조정하는 많은 임상 시험을 유리하게 대체할 수 있습니다.

예를 들어, 안전성 문제가 발생했을 때 특히 특정 하위 인구에만 영향을 미치는 경우, 대체 약물 후보를 식별하는 데 도움이 될 수 있습니다.

출처: Nature.com

초기에는 body-on-chip이 기존의 시험관 내 및 동물 연구보다 우수함을 입증해야 할 것입니다.

하지만 궁극적인 목표는 인체 임상 시험을 정확히 복제하는 것입니다.

더 먼 미래에는 환자 자신의 세포를 포함한 body-on-chip이 다양한 약물에 대한 반응을 사전에 예측하고 최적의 치료 방법을 결정하는 데 활용될 수 있다고 상상할 수 있습니다.

3D 프린팅을 활용한 Body-On-Chip 제작

실제 장기는 다양한 세포와 조직이 복잡하게 얽힌 3D 구조입니다.

전체 body-on-chip을 구성하는 organ-on-chip이 실제와 같은 시뮬레이션을 제공하려면, 제조 과정에서 실제 장기 조직을 거의 정확히 복제해야 합니다. 혹은 미래에는 완전한 장기를 프린팅할 수도 있습니다.

이는 바이오프린팅이라는 신흥 기술 덕분에 가능해집니다.

3D 프린팅: 노즐이 컴퓨터에 의해 제어되어 원하는 재료를 한 번에 한 번에 정확한 위치에 놓는 핵심 원리를 재활용합니다. 하지만 플라스틱이나 금속 대신 살아있는 세포를 배출합니다.

바이오프린팅은 organ 및 body-on-chip 기술과 병행하여 발전했으며, 초기에는 세포를 이용한 “프린팅” 기술적 난제 해결에 초점을 맞추었습니다.

현재 산업계는 여전히 인공 스캐폴드를 사용해 프린트된 세포에 구조를 제공하는 것이 일반적입니다. 그러나 유기 장기에 더 가까운 3D 프린트 장기를 만드는 데 진전이 있었습니다.

따라서 현재 organ-on-chip이 장기의 다층 조직 템플릿을 재현한다면, 이를 고급 바이오프린팅 방법과 결합하면 더욱 현실적인 시뮬레이션을 만들 수 있습니다.

더 자세히 알고 싶다면, 저희가 심층적으로 다룬 바이오프린팅 관련 기사 “Organs On Demand: Best 3D Bioprinting Stocks“와 “New Technique Allows 3D Printing of Functional Brain Tissue“를 참고하십시오.

바이오프린팅 및 Body-On-Chip 기업

1. BICO Group AB (BICO.ST)

2021년에 Cellink는 2019년에 Cytena 실험실 자동화 도구를, 2020년에 Scienion 고정밀 마이크로드롭 측정 도구를 인수한 후 BICO Group으로 이름이 변경되었습니다.

Cellink는 여전히 비즈니스의 바이오프린팅 부문 브랜드명입니다.

이 분야에서 유일한 기업은 아니지만, Cellink는 바이오테크와 바이오메디신 연구자들에게 공급하는 데 초점을 맞춘 매우 선진적인 바이오프린팅 장비 제조업체입니다.

장기적으로 바이오프린팅 기업은 연구자에게 도구를 제공하는 단계에서 벗어나 제약사의 바이오프린팅 치료제를 환자에게 공급하는 공급업체로 발전할 가능성이 높습니다. 이는 사용되는 바이오프린터 수와, 더 중요한 월간 소모품 판매량을 완전히 바꾸게 될 것입니다.

이는 PacBio (PACB)와 Illumina (ILMN)와 같은 다른 바이오랩 장비 제조업체에서도 동일하게 일어난 과정으로, 이들은 결국 매출의 80%를 소모품의 지속적인 판매에서 얻고 있습니다.

2. Organovo

Organovo의 독점 기술은 3D 프린트된 인간 조직을 사용해 실제 인간 조직의 구성, 구조, 기능 및 질병 등 핵심적인 측면을 모방합니다.

이는 치료 가능성이 있는 새로운 분자를 찾는 데 사용되었습니다. 3D 조직 모델에서 잠재적 분자를 먼저 검증함으로써, 인간에게 테스트하기 전에 보다 현실적인 시험관 내 세포 모델을 제공해 임상 시험 실패 위험을 줄일 수 있기를 기대합니다.

Organovo의 파이프라인은 염증성 장질환(IFD)과 간 섬유증에 집중하고 있으며, 하나는 임상 2/3상, 다른 하나는 1상에 있습니다. 2단계 a POC 결과는 2025년 하반기에 예상됩니다.

출처: Organovo

2022년 미국에서는 210만 건, 전 세계적으로는 1300만 건의 궤양성 대장염( IFD의 한 형태) 사례가 있었으며, 이는 66억 달러 규모의 시장을 형성합니다. 또한 2032년까지 연평균 6% 성장하여 120억 달러 시장이 될 것으로 예상됩니다.

Organovo는 극성 상피와 간질층을 갖춘 장 조직의 현실적인 시뮬레이션을 사용하므로, 약물이 환자에게 어떻게 작용할지에 대한 시험관 내 좋은 모델을 제공할 가능성이 높습니다.

출처: Organovo

body-on-chip이 보다 성숙한 기술이 되면서, Organovo가 3D 프린트 인간 조직을 사용하는 접근법은 약물 개발 초기 단계에서 잠재적 문제를 예측하는 데 더욱 유용해질 가능성이 높습니다.

이는 결국, 기존의 구식 방법에 의존하는 경쟁사보다 더 효율적으로 자본을 활용하고 약물 발견 속도를 높이는 데 도움이 될 것입니다.